Biotechnologia
Kod grupy: 1, 2, 4, 5, 6, 7
Genetyka jako narzędzie• Biotechnologia
• “zielona” – rolnictwo • “czerwona” – farmacja i medycyna • “biała” - przemysł
• Antropologia molekularna i archeologia • Medycyna • Ochrona przyrody • Bioetyka - zagadnienia etyczne związane ze wszystkimi zastosowaniami
biologii
1, 2, 4, 5, 6, 7
GMO?• Modyfikacja informacji genetycznej w genomach roślin, zwierząt i
mikroorganizmów • Kierowana przez człowieka dla uzyskania przydatnych dla niego
cech !
• Taka definicja obejmuje modyfikacje, które człowiek wprowadzał do genomów roślin i zwierząt od zarania cywilizacji rolniczej
• Zmieniają się metody modyfikowania genomów
1, 2, 4, 5, 6, 7
GMO
• Ogromna większość wykorzystywanych gospodarczo odmian to organizmy modyfikowane genetycznie, znacząco różniące się od dzikich
1, 2, 4, 5, 6, 7
Kiedy?
• Udomowianie zwierząt jeszcze w społecznościach zbieracko-łowieckich • początki udomowienia psowatych ~30 000 lat temu, pies domowy ~ 19
000 lat temu
!
• Udomowienie roślin - początki rolnictwa (~10 000 lat temu)
1, 2, 4, 5, 6, 7
1, 2, 4, 5, 6, 7
Początki udomowiania
Decydowały właściwości rodzimych gatunków
1, 2, 4, 5, 6, 7
Początki udomowiania
Decydowały właściwości rodzimych gatunków
1, 2, 4, 5, 6, 7
Jak tego dokonano?• Udomowienie gatunków dzikich • Selekcja korzystnych cech
• “inżynieria ewolucyjna”
• Dalsze udoskonalanie metod • zwiększanie repertuaru naturalnej zmienności • udoskonalanie selekcji • zmiany ukierunkowane na poziomie DNA
1, 2, 4, 5, 6, 7
Dobór sztuczny
Brassica oleracea var. silvestris (brzoskiew) Brassica oleracea odmiany uprawne
Stopniowe zmiany kierowane przez selekcję mogą dać spektakularne efekty
1, 2, 4, 5, 6, 7
Dobór sztuczny1, 2, 4, 5, 6, 7
1, 2, 4, 5, 6, 7
Dobór sztuczny
• Stopniowe zmiany kierowane przez selekcję mogą dać spektakularne efekty
1, 2, 4, 5, 6, 7
Przykłady1, 2, 4, 5, 6, 7
Przykłady1, 2, 4, 5, 6, 7
Krowy rasy Belgian Blue
• uzyskane w wyniku chowu wsobnego od XIX w. do lat 50. XX w.
• mutacja w genie miostatyny (białko hamujące rozwój mięśni)
1, 2, 4, 5, 6, 7
Jakie zmiany genetyczne?1, 2, 4, 5, 6, 7
W przypadku kukurydzy1, 2, 4, 5, 6, 7
W przypadku kukurydzy
• Mutacje, które doprowadziły do przemiany teosinte w kukurydzę zaszły w 5 obszarach genomu (genach?)
1, 2, 4, 5, 6, 7
Historia kukurydzy1, 2, 4, 5, 6, 7
Historia kukurydzy1, 2, 4, 5, 6, 7
Jakie zmiany genetyczne?1, 2, 4, 5, 6, 7
Zmiany genetyczne 1, 2, 4, 5, 6, 7
Jakie zmiany?
• W przypadku psów zmiany genetyczne dotyczą wielu (kilkudziesięciu) genów, odpowiadających za cechy morfologiczne i behawioralne
1, 2, 4, 5, 6, 7
Gen HAS2 i pomarszczona skóra Shar-Pei
Akey J M et al. PNAS 2010;107:1160-1165
1, 2, 4, 5, 6, 7
Zmiany genetyczne• Dopiero od niedawna genetyka dysponuje narzędziami
pozwalającymi na identyfikację zmian, które człowiek przez tysiące lat wprowadzał do genomów roślin i zwierząt !
• Zmian takich nie da się przewidzieć ani zaplanować
???
1, 2, 4, 5, 6, 7
Efekty uboczne
• Selekcja jednej cechy może doprowadzić do zmian innych cech
• Eksperyment Biełajewa - lisy • selekcja osobników łagodnych • efekty uboczne: zmany morfologii,
fizjologii, barwy futra
1, 2, 4, 5, 6, 7
Efekty uboczne• Udomowienie często wiąże się z utratą cech korzystnych dla
organizmów żyjących dziko • zboża - nasiona nie wysypują się same z kłosów
!
• U wielu udomowionych zwierząt słabiej rozwinięte zmysły i mniejszy mózg • np. świnia - osłabiony zmysł smaku • pstrąg tęczowy - mniejszy mózg
1, 2, 4, 5, 6, 7
Rozwój technik modyfikacji
• Zwiększenie repertuaru zmienności • Hybrydy międzygatunkowe • Mutageneza chemiczna i fizyczna • Ukierunkowane zmiany w DNA (“inżynieria genetyczna”)
1, 2, 4, 5, 6, 7
Hybrydy
• Krzyżowanie organizmów należących do różnych gatunków • Rzadko daje dobre efekty u zwierząt, ale powszechnie stosowane u
roślin • często wiąże się ze zmianami liczby chromosomów
• Przełamywanie bariery reprodukcyjnej - hybrydyzacja somatyczna
1, 2, 4, 5, 6, 7
Pszenica
• Wielokrotne hybrydyzacje różnych gatunków traw
• Współczesne odmiany heksaploidalne (3 x 2 zestawy chromosomów) lub tetraploidalne (2 x 2 zestawy chromosomów) - odm. durum
samopsza
płaskurka
1, 2, 4, 5, 6, 7
Nieprzewidywalność hybrydyzacjiRaphanobrassica - hybryda kapusty i rzodkwi
1, 2, 4, 5, 6, 7
Mutageneza
• Działanie mutagenami chemicznymi lub promieniowaniem • Następnie selekcja pożądanych cech przez dalsze krzyżówki • Zgodnie z prawem odmiany uzyskane przez losową mutagenezę
nie są GMO i nie podlegają ograniczeniom
1, 2, 4, 5, 6, 7
Mutageneza• L. J. Stadler (1928) - jęczmień,
kukurydza • Obecnie - liczne odmiany
uprawne • jęczmień Golden Promise (1965) • ryż Calrose 76 • grejpfrut Star Ruby • pszenica durum odmiana Creso
1, 2, 4, 5, 6, 7
To nie GMO!1, 2, 4, 5, 6, 7
Mutageneza
Rekombinacja DNA in vitro• Pierwsza technika pozwalająca zaplanować zmiany w genomie
modyfikowanego organizmu • Ograniczona do pojedynczych genów (lub grup kilku genów) • Dostępna dla szerokiej gamy organizmów
• mikroorganizmy • rośliny • zwierzęta
Rekombinacja DNA in vitro
• Pierwsze i wciąż najważniejsze zastosowanie - metoda badawcza! !
!
• Praktycznie całą wiedzę o biologii molekularnej Eukaryota (i znaczną część całej biologii molekularnej) zdobyto wykorzystując techniki rekombinacji DNA in vitro
Rośliny GMO• Transgeny wprowadzane dla:
• zmiany własności użytkowych (np. odżywczych)
• zwiększenia odporności na warunki środowiska (chłód, suszę, zanieczyszczenia)
• nadania odporności na środki ochrony roślin
• nadania odporności na szkodniki
http://www.greenfacts.org/
Złoty ryż
• Ryż GMO ze zwiększoną zawartością prowitaminy A
• Ryż syntetyzuje β-karoten w częściach zielonych, ale nie w nasionach • brak 2 enzymów (trzeci potrzebny
do zwiększenia wydajności
http://www.goldenrice.org/
Złoty ryż• I generacja (1999)
• transgeny bakteryjne • 6 μg/g β-karotenu
• II generacja (2005) • transgeny roślinne (kukurydza i ryż) • 31 μg/g β-karotenu • 70-80 g wystarczy by pokryć dzienne
zapotrzebowania na witaminę A • Większość krytyk dotyczy I
generacji http://www.goldenrice.org/
Złoty ryż
• W krajach rozwiniętych – sprzedaż (własności antyoksydacyjne) • W krajach rozwijających się – pomoc humanitarna
Kukurydza Starlink™
• Gen Bt z Bacillus thuringensis • Białko toksyczne dla owadów (omacnica prosowianka) • W USA dopuszczona do uprawy dla celów przemysłowych i na
pasze • sprawa Taco Bell – wpływ na zdrowie • wpływ na bioróżnorodność owadów
Badania nad kukurydzą Bt
• W laboratorium – 40% spadek przeżywalności larw motyla monarcha
• W badaniach terenowych – brak wpływu
Rośliny oporne na herbicydy
• Niejednoznaczne wynki badań na skalę gospodarstwa
• Ważniejsze kwestie ekonomiczne i społeczne
B. Mepham, “Bioetyka”, PWN 2008
GMO na świecie
• USA (2003) • 81% soi; 40% kukurydzy; 84% rzepaku • USA, Kanada, Argentyna, Chiny, > 90% areału GMO na świecie
• Europa – niewielki wzrost, dyskusje
Kwestie sporne• Bezpieczeństwo konsumentów
• brak jednoznacznych wyników wskazujących szkodliwość • Na kim spoczywa ciężar dowodu
• Bezpieczeństwo środowiska i bioróżnorodność • wyniki na skalę gospodarstwa niejednoznaczne
• Ekonomia • sprzeczne raporty, zależy od specyfiki kraju
• Etyka • czy rośliny mają godność? • Konstytucja Szwajcarii: “Die Würde der Kreatur”
“Nie chcemy jeść genów”
Eurobarometr 2005
Neoluddyzm• Luddyci – w XIX wieku walczyli z rewolucją przemysłową • Współcześni naśladowcy walczą z
• GMO • klonowaniem • wykorzystywaniem komórek macierzystych • nauczaniem o ewolucji • telefonami komórkowymi • ...
Kwestia “naturalności”
• Tendencja do utożsamiania “naturalnego” z “dobrym”, “zdrowym”
• Przeciwstawianie kultury i cywilizacji naturze
• Na ile uzasadnione?
Co jest naturalne dla człowieka?• “Natura” dla ewolucjonisty to ukształtowana przez ewolucję nisza
ekologiczna gatunku - jego swoisty sposób na przetrwanie, odróżniający go od innych !
• Swoistą właściwością człowieka jest tworzenie cywilizacji - przekształcanie środowiska (Homo faber) !
• Kultura jest naturą naszego gatunku - nie ma konfliktu
Biologia systemów - wyzwaniePrzejście od opisu genów (i ich produktów) do opisu działania całych
systemów - genomów i komórek
A w biotechnologii?
• Współczesna biotechnologia molekularna bardzo sprawnie manipuluje pojedynczymi genami • ekspresja heterologiczna • transgeneza roślin
!
• A co z bardziej złożonymi, wieloczynnikowymi cechami?
Biologia syntetyczna
• Współczesna inżynieria genetyczna ograniczona jest do prostych systemów, gdzie za pożądaną funkcję odpowiada jeden lub kilka genów !
!
• Biologia syntetyczna - projektowanie nowych systemowych właściwości ogranizmów żywych
Podejścia biologii syntetycznej
• “od góry” (top-down) - głęboka modyfikacja istniejących systemów • minimalne genomy • syntetyczne genomy • przeprojektowane genomy
!
• Przykład - ortogonalny kod genetyczny
Inżynieria kodu genetycznego
• Zmiana kodonu stop na sensowny (może kodować niestandardowy aminokwas) !
• Wprowadzenie równoległego kodu, np. czwórkowego, kodującego niestandradowe aminokwasy
Lajoie et al., 2013, Science 342: 357-342
Davis, L., and Chin, J.W. (2012). Nat Rev Mol Cell Biol 13, 168–182.
Podejście “od dołu” (bottom-up)
• Repertuar elementów i podstawowych obwodów
• Matematyczny model elementów • Projektowanie i składanie
systemów z elementów (cegiełek)
Metafora obwodu
Przykład - prosty obwód zegara
– Richard Feynman
“What I cannot build I cannot understand”