1717 Líftækni og erfðamengjafræði

17.1 Líftækni

Námsmarkmið

Í lok þessa hluta muntu geta gert eftirfarandi:

Lýst gelrafdrætti
Útskýrt sameinda- og æxlunareinræktun
Lýst notkun líftækni í læknisfræði og landbúnaði

Líftækni er notkun líffræðilegra þátta til tæknilegra framfara. Líftækni var notuð við kynbætur búfjár og ræktun nytjaplantna löngu áður en fólk skildi vísindalegan grunn þessara aðferða. Frá því að uppbygging DNA var uppgötvuð árið 1953 hefur líftæknisviðið vaxið hratt bæði með fræðilegum rannsóknum og einkafyrirtæki. Helstu notkunarsvið þessarar tækni eru í læknisfræði (framleiðsla bóluefna og sýklalyfja) og landbúnaði (erfðabreytingar á nytjaplöntum til að auka uppskeru). Líftækni hefur einnig mörg iðnaðarleg notkunarsvið, svo sem gerjun, hreinsun olíuleka og framleiðslu lífeldsneytis (Mynd 17.2).

The right side of this image is an old black and white photo of a mailbox plastered with an advertisement that says, Penicillin cures gonorrhea in four hours. See your doctor today. The left side of the image shows a petri dish streaked with bacteria. Bacteria grow everywhere on the plate except where discs containing antibiotic have been placed. These areas are completely devoid of bacterial growth. — **Mynd 17.2.** Sveppir, bakteríur og aðrar lífverur sem hafa örverueyðandi eiginleika framleiða sýklalyf. Fyrsta sýklalyfið sem uppgötvaðist var penisillín. Lyfjafyrirtæki framleiða nú og prófa sýklalyf í atvinnuskyni með tilliti til getu þeirra til að hamla bakteríuvexti. (mynd „auglýsing“: breyting á verki eftir NIH; mynd „prófunarskál“: breyting á verki eftir Don Stalons/CDC; mælikvarðagögn frá Matt Russell)

Grunnaðferðir við meðhöndlun erfðaefnis (DNA og RNA)

Til að skilja grunnaðferðirnar sem notaðar eru við vinnu með kjarnsýrur, skal muna að kjarnsýrur eru stórsameindir gerðar úr kirnum (sykru, fosfati og niturbasa) sem tengd eru saman með fosfódíestertengjum. Fosfathóparnir á þessum sameindum hafa hver um sig nettó neikvæða hleðslu. Heildarsett af DNA-sameindum í kjarnanum kallast erfðamengi. DNA hefur tvo samstæða strengi sem tengdir eru með vetnistengjum milli paraðra basa. Við háan hita (eðlissvipting DNA) geta strengirnir tveir aðskist og kæling getur látið þá parast aftur. DNA-pólýmerasi getur eftirmyndað DNA. Ólíkt DNA, sem er staðsett í kjarna heilkjörnungafrumna, yfirgefa RNA-sameindir kjarnann. Algengasta tegund RNA sem vísindamenn greina er boðbera-RNA (mRNA) vegna þess að það táknar prótínkóðandi genin sem eru virk í tjáningu. Hins vegar fylgja RNA-sameindum aðrar áskoranir við greiningu, þar sem þær eru oft óstöðugri en DNA.

Einangrun DNA og RNA

Til að rannsaka eða meðhöndla kjarnsýrur verður fyrst að einangra eða draga DNA eða RNA úr frumunum. Vísindamenn nota ýmsar aðferðir til að einangra mismunandi gerðir af DNA (Mynd 17.3). Flestar aðferðir við einangrun kjarnsýra fela í sér skref til að brjóta upp frumuna og nota ensímhvörf til að eyðileggja allar stórsameindir sem ekki er óskað eftir (svo sem niðurbrot óæskilegra sameinda og aðskilnað frá DNA-sýninu). Rofjafnalausn (lausn sem er að mestu leyti þvottaefni) brýtur frumur. Athugið að rof merkir „að kljúfa“. Þessi ensím brjóta niður lípíðsameindir í frumuhimnum og kjarnahimnum. Ensím eins og próteasar og ríbónúkleasar (RNasar) brjóta niður prótín og RNA, í þessari röð. Notkun alkóhóls fellur út DNA. Erfðamengis-DNA manna er venjulega sýnilegt sem hlaupkenndur, hvítur massi. Hægt er að geyma DNA-sýnin frosin við –80°C í nokkur ár.

This illustration shows the four main steps of D N A extraction. In the first step, cells in a test tube are lysed using a detergent that disrupts the plasma membrane. In the second step, cell contents are treated with protease to destroy protein, and RNAase to destroy R N A. The resulting slurry is centrifuged to pellet the cell debris. The supernatant, or liquid, containing the D N A is then transferred to a clean test tube. The D N A is precipitated with ethanol. It forms viscous, mucous-like strands that can be spooled on a glass rod. — **Mynd 17.3.** Þessi skýringarmynd sýnir grunnaðferðina við einangrun DNA.

Vísindamenn framkvæma RNA-greiningu til að rannsaka mynstur genatjáningar í frumum. RNA er í eðli sínu mjög óstöðugt vegna þess að RNasar eru algengir í náttúrunni og mjög erfitt að óvirkja þá. Líkt og með DNA, felur einangrun RNA í sér notkun ýmissa jafnalausna og ensíma til að óvirkja stórsameindir og varðveita RNA.

Gelrafdráttur

Vegna þess að kjarnsýrur eru neikvætt hlaðnar jónir við hlutlaust eða basískt sýrustig í vatnsumhverfi, getur rafsvið hreyft þær. Gelrafdráttur er tækni sem vísindamenn nota til að aðskilja sameindir á grundvelli stærðar, með því að nýta þessa hleðslu. Hægt er að aðskilja kjarnsýrurnar sem heila litninga eða búta. Kjarnsýrunum er hlaðið í brunn nálægt neikvæðu rafskauti hálffasta, gljúpa gel-efnisins, og þær dragast að jákvæða rafskautinu á gagnstæðum enda gelsins. Minni sameindir fara hraðar í gegnum holur gelsins en stærri sameindir. Þessi munur á ferðahraða aðskilur bútana á grundvelli stærðar. Til eru staðalsýni fyrir mólþunga sem vísindamenn geta keyrt samhliða sameindunum til að gefa samanburð á stærð. Við getum séð kjarnsýrur í gelefninu með því að nota ýmis flúrljómandi eða lituð litarefni. Aðgreindir kjarnsýrubútar birtast sem bönd í ákveðinni fjarlægð frá toppi gelsins (endanum með neikvæða rafskautinu) á grundvelli stærðar þeirra (Mynd 17.4). Blanda af DNA-bútum úr erfðamengi af mismunandi stærðum birtist sem löng breiða; en óklippt erfðamengis-DNA er venjulega of stórt til að fara í gegnum gelið og myndar eitt stórt band efst í gelinu.

Photo shows an agarose gel illuminated under U V light. The gel contains nine lanes from left to right. Each lane was loaded with a sample containing D N A fragments of differing size that separated as they travelled through the gel from top to bottom. The D N A appears as thin, white bands on a black background. Lanes one and nine contain many bands from a D N A standard. These bands are closely spaced toward the top, and spaced farther apart further down the gel. Lanes two through eight contain one or two bands each. Some of these bands are identical in size and run the same distance into the gel. Others run a slightly different distance, indicating a small difference in size. Image b shows a researcher working at a machine where she is observing D N A under ultraviolet light. — **Mynd 17.4.** a) Sýndir eru DNA-bútar úr sjö sýnum sem keyrð voru á geli, lituð með flúrljómandi litarefni og skoðuð undir UV-ljósi; og b) rannsakandi frá International Rice Research Institute, að skoða DNA-snið með UV-ljósi. (mynd: a: James Jacob, Tompkins Cortland Community College b: International Rice Research Institute)

Mögnun kjarnsýrubúta með pólýmerasa-keðjuverkun

Þótt erfðamengis-DNA sé sýnilegt með berum augum þegar það er einangrað í miklu magni, krefst DNA-greining oft þess að einblínt sé á eitt eða fleiri tiltekin svæði erfðamengisins. Pólýmerasa-keðjuverkun (PCR) er tækni sem vísindamenn nota til að magna upp tiltekin DNA-svæði til frekari greiningar (Mynd 17.5). Vísindamenn nota PCR í mörgum tilgangi á rannsóknastofum, svo sem við einræktun genabúta til að greina erfðasjúkdóma, greiningu á aðskota-DNA í sýni og mögnun DNA fyrir raðgreiningu. Hagnýtari notkunarsvið fela í sér faðernispróf og greiningu erfðasjúkdóma.

Illustration shows the amplification of a D N A sequence by the polymerase chain reaction. P C R consists of three steps; denaturation, annealing, and D N A synthesis; that occur at high, low, and intermediate temperatures. In step 1, the denaturation step, the sample is heated to a high temperature so the D N A strands separate. In step 2, annealing, the sample is cooled so two primers can anneal to the two strands of D N A. The primers are spaced such that the sequence of interest between them will be amplified. In step 3, D N A synthesis, the sample is warmed to the optimal temperature for Taq polymerase, which synthesizes the complementary strand from the primer to the 3 prime end of the molecule. This cycle is repeated again and again. Each time, the newly synthesized strands serve as templates so that the amount of D N A doubles with each cycle. As the cycles continue, more and more strands are the size of the distance between the two primers; in the end, the vast majority of strands are this size. — **Mynd 17.5.** Vísindamenn nota pólýmerasa-keðjuverkun, eða PCR, til að magna upp tiltekna DNA-röð. PCR-vísar – stuttir DNA-bútar sem eru samstæðir hvorum enda markraðarinnar – bindast við erfðamengis-DNA, Taq-pólýmerasa og deoxýkirni. Taq-pólýmerasi er DNA-pólýmerasi einangraður úr hitakæru bakteríunni *Thermus aquaticus* sem þolir þann háa hita sem vísindamenn nota í PCR. *Thermus aquaticus* vex í Lower Geyser Basin í Yellowstone þjóðgarðinum. Öfugrita-PCR (RT-PCR) er svipað og PCR, en cDNA er búið til út frá RNA-móti áður en PCR hefst.

DNA-búta er einnig hægt að magna upp út frá RNA-móti í ferli sem kallast öfugrita-PCR (RT-PCR). Fyrsta skrefið er að endurskapa upprunalega DNA mótstrenginn (kallað cDNA) með því að bæta DNA kirnum við mRNA. Þetta ferli kallast öfugritun. Þetta krefst tilvistar ensíms sem kallast öfugriti. Eftir að cDNA hefur verið myndað er hægt að nota venjulegt PCR til að magna það upp.

Tengill í námsefni

Dýpkaðu skilning þinn á pólýmerasa-keðjuverkuninni með því að horfa á þetta myndband.

Þreifarapörun, Southern-þrykk og Northern-þrykk

Vísindamenn geta leitað í kjarnsýrusýnum, svo sem bútum úr erfðamengis-DNA og RNA-útdráttum, að tilvist ákveðinna raða. Vísindamenn hanna og merkja stutta DNA-búta, eða þreifara, með geislavirkum eða flúrljómandi litarefnum til að auðvelda greiningu. Rafdráttur aðskilur kjarnsýrubútana eftir stærð þeirra. Vísindamenn færa síðan bútana úr gelinu yfir á nælonhimnu í ferli sem við köllum þrykkun (blotting) (Mynd 17.6). Vísindamenn geta síðan leitað í kjarnsýrubútunum sem eru bundnir við yfirborð himnunnar með sértækum geislavirkum eða flúrljómandi merktum þreifararöðum. Þegar vísindamenn færa DNA yfir á nælonhimnu, kalla þeir tæknina Southern-þrykk. Þegar þeir færa RNA yfir á nælonhimnu, kalla þeir það Northern-þrykk. Vísindamenn nota Southern-þrykk til að greina tilvist ákveðinna DNA-raða í tilteknu erfðamengi, og Northern-þrykk til að greina genatjáningu.

In Southern blotting, D N A is separated on the basis of size by agarose gel electrophoresis. The fragments run through the gel from top to bottom. In the gel shown in this figure, there are so many D N A fragments they appear as a smear in each lane. The D N A from the gel is transferred to a nylon membrane. To do so, the gel is sandwiched between filter paper and the membrane and placed in transfer buffer. Paper towels above the gel wick up the moisture and assist in the transfer. The nylon membrane is then incubated with a radioactively or fluorescently labeled probe that is complementary to the sequence of interest. Discrete bands appear where the sequence of interest is located. — **Mynd 17.6.** Vísindamenn nota Southern-þrykk til að finna ákveðna röð í DNA-sýni. Vísindamenn aðskilja DNA-búta á geli, færa þá yfir á nælonhimnu og rækta þá með DNA-þreifara sem er samsvarandi þeirri röð sem áhugi er á. Northern-þrykk svipar til Southern-þrykkingar, en vísindamenn keyra RNA á gelinu í stað DNA. Í Western-þrykk keyra vísindamenn prótín á geli og greina þau með mótefnum.

Sameindaklónun

Almennt þýðir orðið „klónun“ sköpun fullkominnar eftirmyndar; í líffræði er endursköpun heillar lífveru hins vegar kölluð „æxlunarklónun“. Löngu áður en reynt var að klóna heila lífveru lærðu vísindamenn hvernig á að fjölfalda æskileg svæði eða búta af erfðamenginu, ferli sem kallast sameindaklónun. Tæknin bauð upp á aðferðir til að búa til ný lyf og sigrast á erfiðleikum með þau sem fyrir voru. Þegar Lydia Villa-Komaroff, sem starfaði í Gilbert-rannsóknarstofunni við Harvard, birti fyrstu greinina sem lýsti tækninni við framleiðslu á tilbúnu insúlíni, fengu sykursýkisrannsakendur og sjúklingar nýja von í baráttunni við sjúkdóminn. Insúlín var á þeim tíma aðeins framleitt úr brisi svína og kúa og lífsnauðsynlega efnið var oft af skornum skammti. Tilbúið insúlín, þegar fjöldaframleiðsla hófst, myndi leysa það vandamál fyrir marga sjúklinga. Þessar fyrstu uppgötvanir leiddu til „líftæknibyltingarinnar“ og hvöttu til áframhaldandi rannsókna og fjármögnunar fyrir nýjar og betri leiðir til að bæta heilsu.

Klónun lítilla erfðamengisbúta gerir vísindamönnum kleift að breyta og rannsaka tiltekin gen (og prótínafurðir þeirra) eða svæði sem ekki kóða, í einangrun. Plasmíð, eða ferja, er lítil hringlaga DNA-sameind sem eftirmyndast óháð litnings-DNA. Við klónun geta vísindamenn notað plasmíðsameindirnar til að búa til „ferju“ til að setja inn æskilegan DNA-bút. Plasmíðum er venjulega komið fyrir í bakteríuhýsli til fjölgunar. Í bakteríusamhenginu kalla vísindamenn DNA-bútinn úr erfðamengi mannsins (eða erfðamengi annarrar rannsakaðrar lífveru) aðkomu-DNA, eða transgen, til að aðgreina það frá DNA bakteríunnar, eða hýsil-DNA.

Plasmíð finnast náttúrulega í bakteríustofnum (eins og Escherichia coli) og hafa gen sem geta veitt lífverunni hagstæða eiginleika, svo sem sýklalyfjaónæmi (hæfileikinn til að verða ekki fyrir áhrifum sýklalyfja). Vísindamenn hafa endurnýtt og breytt plasmíðum sem ferjum fyrir sameindaklónun og stórframleiðslu mikilvægra hvarfefna, svo sem insúlíns og vaxtarhormóns manna. Mikilvægur eiginleiki plasmíðferja er hversu auðveldlega vísindamenn geta sett inn aðkomu-DNA-bút í gegnum fjölklónunarsetið (MCS). MCS er stutt DNA-röð sem inniheldur mörg set sem mismunandi algeng skerðiensím geta klippt. Skerðiensím þekkja ákveðnar DNA-raðir og klippa þær á fyrirsjáanlegan hátt. Þau eru náttúrulega framleidd af bakteríum sem varnarvopn gegn aðkomu-DNA. Mörg skerðiensím gera skáhallar klippingar í tvo DNA þræðina, þannig að klipptu endarnir hafa 2 eða 4 basa einþátta yfirhang. Þar sem þessi yfirhöng geta parast við samsvarandi yfirhöng köllum við þau „límaenda“. Með því að bæta við ensíminu DNA-lígasa tengjast DNA-bútarnir varanlega með fosfódíestertengjum. Á þennan hátt geta vísindamenn splæst hvaða DNA-bút sem er, sem myndaður er með skerðiensímklippingu, á milli tveggja enda plasmíðs DNA sem hefur verið klippt með sama skerðiensími (Mynd 17.7).

Raðbrigða DNA-sameindir

Plasmíð með innsettu aðkomu-DNA eru kölluð raðbrigða DNA-sameindir vegna þess að þær eru búnar til á tilbúinn hátt og finnast ekki í náttúrunni. Þær eru einnig kallaðar kímerasameindir vegna þess að uppruna mismunandi hluta sameindanna má rekja til mismunandi tegunda lífvera eða jafnvel til efnafræðilegrar nýmyndunar. Við köllum prótín sem eru tjáð frá raðbrigða DNA-sameindum raðbrigðaprótín. Ekki eru öll raðbrigðaplasmíð fær um að tjá gen. Raðbrigða DNA gæti þurft að flytja í aðra ferju (eða hýsil) sem er betur hönnuð fyrir genatjáningu. Vísindamenn geta einnig breytt plasmíðum til að tjá prótín aðeins þegar ákveðnir umhverfisþættir örva þau, svo þeir geti stjórnað tjáningu raðbrigðaprótínanna.

Sjónræn tenging

This figure illustrates the steps in molecular cloning into a plasmid called a cloning vector. The vector has a lac Z gene, which is necessary for metabolizing lactose, and a gene for ampicillin resistance. Within the lac Z gene are restriction sites, sequences of D N A cut by a particular restriction enzyme. The D N A to be cloned and the plasmid are both cut by the same restriction enzyme. The restriction enzyme staggers the cuts on the two strands of D N A, such that each strand has an overhanging single-stranded bit of D N A. On one strand, the sequence of the overhang is G A T C, and on the other, the sequence is C T A G. These two sequences are complementary, and allow the fragment of foreign D N A to anneal with the plasmid. An enzyme called ligase joins the two pieces together. The ligated plasmid is then transformed into a bacterial strain that lacks the lac Z gene and is sensitive to the antibiotic ampicillin. The bacteria are plated on media containing ampicillin, so that only bacteria that have taking up the plasmid; which has an ampicillin resistance gene; will grow. The media also contains X gal, a chemical that is metabolized in the same way as lactose. Plasmids lacking the insert are able to metabolize X gal, releasing a dye from X gal that turns the colony blue. Plasmids with the insert have a disrupted lac Z gene and produce white colonies. Thus, colonies containing the cloned D N A can be selected on the basis of color. — **Mynd 17.7.** Þessi skýringarmynd sýnir skrefin sem felast í sameindaklónun.

Þú ert að vinna á rannsóknarstofu í sameindalíffræði og þér að óvörum skildi samstarfsfélagi þinn aðkomu-DNA úr erfðamengi sem þú ætlar að klóna eftir á rannsóknarborðinu yfir nótt í stað þess að geyma það í frysti. Fyrir vikið brotnaði það niður af völdum kjarnsýruklippa (nucleases), en var samt notað í tilrauninni. Plasmíðið er hins vegar í lagi. Hvaða niðurstöðum myndir þú búast við úr sameindaklónunartilrauninni þinni?

Það verða engar þyrpingar á bakteríuskálinni.
Það verða eingöngu bláar þyrpingar.
Það verða bláar og hvítar þyrpingar.
Það verða eingöngu hvítar þyrpingar.

Tengill í námsefni

Skoðaðu hreyfimynd af endurröðun í klónun frá DNA Learning Center.

Frumuklónun

Einfruma lífverur, eins og bakteríur og ger, framleiða náttúrulega klóna af sjálfum sér þegar þær fjölga sér kynlaust með tvískiptingu; þetta er þekkt sem frumuklónun. Kjarna-DNA tvöfaldast með mítósuferlinu, sem skapar nákvæma eftirmynd af erfðaefninu.

Æxlunarklónun

Æxlunarklónun er aðferð sem vísindamenn nota til að klóna eða afrita nákvæmlega heila fjölfruma lífveru. Flestar fjölfruma lífverur fjölga sér með kynæxlun, sem felur í sér erfðablöndun tveggja einstaklinga (foreldra), sem gerir það ómögulegt að búa til nákvæmt afrit eða klón af öðru hvoru foreldrinu. Nýlegar framfarir í líftækni hafa gert það mögulegt að framkalla kynlausa æxlun spendýra á rannsóknarstofu.

Meyfæðing á sér stað þegar fósturvísir vex og þroskast án frjóvgunar eggs. Þetta er form kynlausrar æxlunar. Dæmi um meyfæðingu á sér stað hjá tegundum þar sem kvendýrið verpir eggi og ef eggið er frjóvgað er það tvílitna egg og einstaklingurinn þroskast í kvendýr. Ef eggið er ekki frjóvgað er það áfram einlitna egg og þroskast í karldýr. Ófrjóvgaða eggið er meyfæðingaregg. Sum skordýr og skriðdýr verpa meyfæðingareggjum sem geta þroskast í fullorðin dýr.

Kynæxlun krefst tveggja frumna. Þegar einlitna egg- og sæðisfrumur renna saman verður til tvílitna okfruma. Kjarni okfrumunnar inniheldur erfðaupplýsingarnar til að mynda nýjan einstakling. Hins vegar krefst snemmbúinn fósturþroski umfrymisefnisins sem er í eggfrumunni. Þessi hugmynd myndar grunninn að æxlunarklónun. Þess vegna, ef við skiptum út einlitna kjarna eggfrumunnar fyrir tvílitna kjarna úr frumu hvaða einstaklings sem er af sömu tegund (gjafa), verður hún að okfrumu sem er erfðafræðilega eins og gjafinn. Kjarnaflutningur úr líkamsfrumu (somatic cell nuclear transfer) er tæknin við að flytja tvílitna kjarna í egg sem kjarninn hefur verið fjarlægður úr. Vísindamenn geta notað þetta annaðhvort til lækningaklónunar eða æxlunarklónunar.

Fyrsta klónaða dýrið var Dolly, kind sem fæddist árið 1996. Árangurshlutfall æxlunarklónunar á þeim tíma var mjög lágt. Dolly lifði í sjö ár og dó úr öndunarfærakvillum (Mynd 17.8). Það eru uppi getgátur um að þar sem DNA frumunnar tilheyrir eldri einstaklingi, geti aldur DNA haft áhrif á lífslíkur klónaðs einstaklings. Síðan Dolly kom fram hafa vísindamenn klónað nokkur dýr með góðum árangri, svo sem hesta, naut og geitur, þó að þessi dýr sýni oft frávik í andliti, útlimum og hjarta. Gerðar hafa verið tilraunir til að framleiða klónaða fósturvísa manna sem uppsprettu fósturstofnfrumna í lækningaskyni. Lækningaklónun framleiðir stofnfrumur í tilraun til að lækna alvarlega sjúkdóma eða galla (ólíkt æxlunarklónun, sem miðar að því að fjölfalda lífveru). Þó að sumir hafi mætt tilraunum til lækningaklónunar með mótþróa vegna siðferðislegra sjónarmiða, hafa nýjar uppgötvanir bent á fleiri tækifæri fyrir stofnfrumumeðferðir. Til dæmis uppgötvuðu Freda Miller og Elaine Fuchs, sem störfuðu óháð hvor annarri, stofnfrumur í mismunandi lögum húðarinnar. Þessar frumur hjálpa húðinni að gera við sig sjálf og uppgötvun þeirra gæti haft notagildi við meðferð húðsjúkdóma og hugsanlega annarra kvilla, svo sem taugaskemmda.

Sjónræn tenging

To clone Dolly the sheep, a Scottish Blackface sheep was used as a cytoplasmic donor. Eggs from this sheep were extracted, and the nucleus removed. A Finn Dorset sheep was used as the nuclear donor. Nuclei were extracted from mammary cells, and direct electric current was used to fuse the nuclear D N A with the donor egg. The egg was then allowed to divide to the blastocyst stage, in which a sphere of cells contains a cluster of cells on one side. The blastocyst was implanted in a surrogate mother, resulting in Dolly the sheep. — **Mynd 17.8.** Kindin Dolly var fyrsta spendýrið sem var klónað. Til að búa til Dolly fjarlægðu þeir kjarnann úr eggfrumu gjafa. Þeir settu síðan kjarna úr annarri kind inn í frumuna, sem skipti sér upp í kímblöðrustig áður en þeir græddu hana í staðgöngumóður. (heimild: breyting á verki eftir „Squidonius“/Wikimedia Commons)

Heldurðu að Dolly hafi verið Finn-Dorset eða Scottish Blackface kind?

Erfðatækni

Erfðatækni er breyting á arfgerð lífveru með því að nota tækni með raðbrigðu DNA til að breyta DNA lífveru til að ná fram eftirsóknarverðum eiginleikum. Viðbót á aðkomu-DNA í formi raðbrigða DNA-ferja sem búnar eru til með sameindaklónun er algengasta aðferð erfðatækni. Lífveran sem tekur við hinu raðbrigða DNA-ið er erfðabreytt lífvera. Ef hið aðkomu-DNA kemur frá annarri tegund hefur hýsillífveran aðkomugen. Vísindamenn hafa erfðabreytt bakteríum, plöntum og dýrum síðan snemma á áttunda áratugnum í fræðilegum, læknisfræðilegum, landbúnaðarlegum og iðnaðarlegum tilgangi. Í Bandaríkjunum eru erfðabreyttar lífverur eins og Roundup Ready sojabaunir og maís sem er ónæmur fyrir kornborum hluti af mörgum algengum unnum matvælum.

Genamiðun

Þó að klassískar aðferðir við að rannsaka virkni gena hafi byrjað með tiltekinni svipgerð og ákvarðað erfðafræðilegan grunn hennar, gerir nútímatækni rannsakendum að byrja á stigi DNA-raðarinnar og spyrja: „Hvað gerir þetta gen eða DNA-þáttur?“ Þessi tækni kallast öfug erfðafræði og snýr klassískri erfðafræðilegri aðferðafræði við. Þessi aðferð væri sambærileg við að skemma líkamshluta til að ákvarða virkni hans. Skordýr sem missir væng getur ekki flogið, sem þýðir að hlutverk vængsins er flug. Klassíska erfðafræðilega aðferðin myndi bera saman skordýr sem geta ekki flogið við skordýr sem geta flogið, og fylgjast með því að ófleygu skordýrin hafa tapað vængjum. Á svipaðan hátt veitir það rannsakendum vísbendingar um virkni gena að stökkbreyta eða eyða genum. Við köllum þær aðferðir sem þeir nota til að óvirkja starfsemi gena sameiginlega genamiðun. Genamiðun er notkun á raðbrigða DNA-ferjum til að breyta tjáningu tiltekins gens, annaðhvort með því að kynna stökkbreytingar í geni, eða með því að útrýma tjáningu ákveðins gens með því að eyða hluta eða allri genaröðinni úr erfðamengi lífverunnar.

Líftækni í læknisfræði og landbúnaði

Auðvelt er að sjá hvernig hægt er að nota líftækni í læknisfræðilegum tilgangi. Þekking á erfðasamsetningu tegundar okkar, erfðafræðilegum grunni arfgengra sjúkdóma og uppfinning tækni til að breyta og laga stökkbreytt gen hefur skapað leiðir til að meðhöndla sjúkdóma. Líftækni í landbúnaði getur aukið viðnám gegn sjúkdómum, meindýrum og umhverfisálagi, og bætt bæði uppskeru og gæði.

Erfðagreining og genalækning

Vísindamenn kalla ferlið við að prófa fyrir grunuðum erfðagöllum áður en meðferð er beitt erfðagreiningu. Eftir erfðamynstri sjúkdómsvaldandi gens er fjölskyldumeðlimum oft ráðlagt að gangast undir erfðapróf. Til dæmis ráðleggja læknar yfirleitt fólki sem greinist með brjóstakrabbamein að fara í vefjasýni svo læknateymið geti ákvarðað erfðafræðilegan grunn krabbameinsþróunarinnar. Læknar byggja meðferðaráætlanir á niðurstöðum erfðaprófa sem ákvarða tegund krabbameins. Ef arfgengar genastökkbreytingar valda krabbameininu ráðleggja læknar einnig öðrum kvenkyns ættingjum að gangast undir erfðapróf og reglubundna skimun fyrir brjóstakrabbameini. Læknar bjóða einnig upp á erfðapróf fyrir fóstur (eða fósturvísa við glasafrjóvgun) til að ákvarða tilvist eða fjarveru sjúkdómsvaldandi gena í fjölskyldum með sértæka lamandi sjúkdóma.

Genalækning er erfðatækniaðferð sem notuð er til að lækna sjúkdóma. Í sinni einföldustu mynd felur hún í sér innleiðingu á heilbrigðu geni á handahófskenndan stað í erfðamenginu til að stuðla að lækningu sjúkdóms sem orsakast af stökkbreyttu geni. Heilbrigða genið er venjulega kynnt inn í sjúkar frumur sem hluti af ferju sem borin er með veiru sem getur sýkt hýsilfrumuna og skilað hinu aðkomu-DNA (Mynd 17.9). Þróaðri form genalækninga reyna að leiðrétta stökkbreytinguna á upprunalega staðnum í erfðamenginu, eins og á við um meðferð á alvarlegum samsettum ónæmisbresti (SCID).

To cure disease using an adenovirus vector, a new gene intended to replace a defective one is packaged with the adenovirus genome. The genes that make the virus pathogenic are removed. The modified D N A is put inside the virus' capsid, or protein coat. The person to be cured is infected with the modified virus. Viral D N A enters the nucleus, where the modified gene can replace the defective one. — **Mynd 17.9.** Hægt er að nota genalækningu með adenóveiruferju til að lækna ákveðna erfðasjúkdóma þar sem einstaklingur hefur gallað gen. (mynd: NIH)

Framleiðsla bóluefna, sýklalyfja og hormóna

Hefðbundnar bólusetningaraðferðir nota veikluð eða óvirk form örvera til að koma af stað upphaflegu ónæmissvari. Nútímaaðferðir nota gen örvera sem eru einræktuð í ferjum til að fjöldaframleiða hið óskaða mótefnavaka. Læknar kynna síðan mótefnavakann í líkamann til að örva frumónæmissvarið og kveikja á ónæmisminni. Læknisfræðin hefur notað gen einræktuð úr inflúensuveirunni til að berjast gegn stöðugt breytilegum stofnum þessarar veiru.

Sýklalyf eru líftækniafurð. Örverur, eins og sveppir, framleiða þau náttúrulega til að ná forskoti á bakteríustofna. Ræktun og meðhöndlun sveppafrumna framleiðir sýklalyf.

Vísindamenn notuðu raðbrigða DNA-tækni til að framleiða mikið magn af mannainsúlíni í E. coli strax árið 1978. Áður var aðeins hægt að meðhöndla sykursýki með insúlíni úr svínum, sem olli ofnæmisviðbrögðum hjá mönnum vegna mismunar á genaafurðinni. Að auki nota læknar vaxtarhormón manna (HGH) til að meðhöndla vaxtarvandamál hjá börnum. Rannsakendur einræktuðu HGH-genið úr cDNA-safni og settu það inn í E. coli frumur með því að einrækta það í bakteríuferju.

Erfðabreytt dýr

Þó að nokkur raðbrigða prótín í læknisfræði séu framleidd með góðum árangri í bakteríum, krefjast sum prótín heilkjörnungadýrs sem hýsils fyrir rétta vinnslu. Af þessum sökum eru hin æskilegu gen einræktuð og tjáð í dýrum, svo sem kindum, geitum, kjúklingum og músum. Dýr sem hefur verið breytt til að tjá raðbrigða DNA kallast dýr með aðkomugen. Nokkur mannleg prótín eru tjáð í mjólk kinda og geita með aðkomugen, og sum eru tjáð í hænueggjum. Vísindamenn hafa notað mýs mikið til að tjá og rannsaka áhrif raðbrigða gena og stökkbreytinga.

Erfðabreyttar plöntur

Að breyta DNA plantna (þ.e. að búa til erfðabreyttar lífverur) hefur hjálpað til við að skapa eftirsóknarverða eiginleika, svo sem viðnám gegn sjúkdómum, þol gegn illgresiseyði og skordýraeitri, betra næringargildi og betra geymsluþol (Mynd 17.10). Plöntur eru mikilvægasta uppspretta fæðu fyrir mannkynið. Bændur þróuðu leiðir til að velja plöntuafbrigði með eftirsóknarverða eiginleika löngu áður en nútíma líftækniaðferðir voru komnar til sögunnar.

Photo shows corn cobs with different colors, including yellow, white, red, and a mixture of these colors. — **Mynd 17.10.** Maís, mikilvæg landbúnaðaruppskera sem notuð er til að búa til vörur fyrir ýmsar atvinnugreinar, er oft breytt með plöntulíftækni. (mynd: Keith Weller, USDA)

Plöntur sem hafa fengið raðbrigða DNA frá öðrum tegundum kallast plöntur með aðkomugen. Vegna þess að þær eru ekki náttúrulegar fylgjast ríkisstofnanir náið með plöntum með aðkomugen og öðrum erfðabreyttum lífverum til að tryggja að þær séu hæfar til manneldis og stofni ekki öðru plöntu- og dýralífi í hættu. Þar sem framandi gen geta dreifst til annarra tegunda í umhverfinu er krafist umfangsmikilla prófana til að tryggja vistfræðilegan stöðugleika. Grunnfæða eins og maís, kartöflur og tómatar voru fyrstu nytjaplönturnar sem vísindamenn erfðabreyttu.

Umbreyting plantna með Agrobacterium tumefaciens

Genaflutningur á sér stað náttúrulega milli tegunda í örverustofnum. Margar veirur sem valda sjúkdómum í mönnum, svo sem krabbameini, virka með því að innlima DNA sitt í erfðamengi mannsins. Í plöntum verða æxli af völdum bakteríunnar Agrobacterium tumefaciens til við DNA-flutning frá bakteríunni til plöntunnar. Þó að æxlin drepi ekki plönturnar, hamla þau vexti plantnanna og þær verða næmari fyrir erfiðum umhverfisaðstæðum. A. tumefaciens hefur áhrif á margar plöntur eins og valhnetur, vínber, hnetutré og rófur. Að koma DNA tilbúið inn í plöntufrumur er meira krefjandi en í dýrafrumum vegna þykks frumuveggjar plöntunnar.

Rannsakendur notuðu náttúrulegan flutning DNA frá Agrobacterium til plöntuhýsils til að kynna DNA-búta að eigin vali inn í plöntuhýsla. Í náttúrunni hefur hin sjúkdómsvaldandi A. tumefaciens sett af plasmíðum, Ti-plasmíð (æxlisvaldandi plasmíð), sem innihalda gen til að mynda æxli í plöntum. DNA úr Ti-plasmíðinu innlimast í erfðamengi sýktu plöntufrumunnar. Rannsakendur breyta Ti-plasmíðunum til að fjarlægja æxlisvaldandi genin og setja inn hinn óskaða DNA-bút til flutnings inn í erfðamengi plöntunnar. Ti-plasmíðin bera sýklalyfjaónæmisgen til að auðvelda val og rannsakendur geta einnig fjölgað þeim í E. coli frumum.

Lífræna skordýraeitrið Bacillus thuringiensis

Bacillus thuringiensis (Bt) er baktería sem framleiðir prótínkristalla við grómyndun sem eru eitruð mörgum skordýrategundum sem herja á plöntur. Skordýr þurfa að innbyrða Bt-eitur til að virkja eitrið. Skordýr sem hafa étið Bt-eitur hætta að nærast á plöntunum innan fárra klukkustunda. Eftir að eitrið virkjast í þörmum skordýranna deyja þau innan nokkurra daga. Nútíma líftækni hefur gert plöntum kleift að kóða fyrir eigin Bt-kristaleitri sem virkar gegn skordýrum. Vísindamenn hafa einræktað Bt-kristaleitursgenin úr Bt og kynnt þau í plöntur. Bt-eitur er öruggt fyrir umhverfið, ekki eitrað mönnum og öðrum spendýrum, og lífrænir ræktendur hafa samþykkt það sem náttúrulegt skordýraeitur.

Flavr Savr tómaturinn

Fyrsta erfðabreytta nytjaplantan á markaði var Flavr Savr tómaturinn árið 1994. Vísindamenn notuðu andskyns-RNA-tækni til að hægja á mýkingar- og rotnunarferlinu sem orsakast af sveppasýkingum, sem leiddi til aukins geymsluþols erfðabreyttu tómatanna. Frekari erfðabreytingar bættu bragð tómatanna. Flavr Savr tómaturinn náði ekki að halda velli á markaði vegna vandamála við meðhöndlun og flutning uppskerunnar.