trideset godina genetičkog inženjerstva: kako je došlo do ... · dificirani organizmi (gmo),...

6
42 siječanj 2004. PRIRODA GENETIKA Prošlo je 30 godina od kada je objavljen prvi rad o spajanju in vitro dviju molekula DNA, koje su potjecale od različitih organizama, u jednu jedinstvenu molekulu. Tehnike koje su omogućile spajanje dijelova DNA iz različitih organizama i njihovo unošenje u različite domaćine nazvane su tehnologija rekombinantne DNA ili popularno - genetičko inženjerstvo. Da bi se to ostvarilo bile su potrebne brojne spoznaje i otkrića iz molekularne genetike, biokemije i mikrobiologije. Genetičko inženjerstvo primjenjivano je u proteklih 30 godina u različitim područjima prirodnih znanosti da bi se riješila neka temeljna pitanja naročito u području genetike i molekularne biologije živih bića, te dobile nove spoznaje o tome kako su regulirane i kako djeluju nasljedne osnove. Te tehnike ubrzo su pokazale rezultate i u praktičnoj primjeni dajući rješenja bitna za živi svijet na Zemlji. Trideset godina genetičkog inženjerstva: kako je došlo do otkrića mogućnosti rekombiniranja DNA molekula in vitro Prof. dr. sc. Vladimir DELIĆ, Zavod za molekularnu biologiju, Prirodoslovno-matematički fakultet, Zagreb T ehnike rekombinantne DNA ili popularnijeg naziva ge- netičko inženjerstvo su najrevolucionarnije dostignuće u području prirodnih znanosti poslije otkrića i primjene mikroskopa u biološkim istraživanjima. Te tehnike uzrokovale su i izazvale pravu revoluciju u biologiji i to naročito u onom dijelu koji se odnosi na proučavanje naslijednih osnova (gena) i funkcioniranja živih organizama. Zbog mogućnosti široke primjene u gotovo svim područjima prirodnih znanosti kao što su biologija, medicina, agronomija, biotehnologija i druge, te tehnologije postale su naša svakodnevnica. Samo jedan manji broj primjera rezultata genetičkog inženjerstva bit će prikazan u ovom broju PRIRODE, a brojni drugi primjeri mogu sa pronaći u opsežnoj znanstvenoj i stručnoj literaturi. Iako je u časopisu PRIRODA u nekoliko navrata do sada pisano o tehnologiji rekombinantne DNA (tehnologija rDNA) ili kolokvijalnog naziva genetičkom inženjerstvu, potrebno je navesti još podataka radi brzog razvoja te grane molekularne genetike kao i nekih naročito u javnosti negativnih napisa o dostignućima te grane biologije. Ti podaci pokazat će i ob- jasniti što je to genetičko inženjerstvo, kako je nastalo i kako je došlo do mogućnosti da se in vitro može spajati DNA od različitih organizama te općenito raditi s molekulama DNA odnosno njezinim manjim fragmentima. Naročito se za to ukazuje potreba u današnje vrijeme, kada je putem javnih glasila stvorena uglavnom negativna slika o dostignućima u području prirodnih znanosti dobivenih putem tehnologije rDNA odnosno genetičkog inženjerstva. S druge pak strane, razvijeni svijet koristeći spoznaje dobivene tehnologijom rDNA kroči krupnim koracima naprijed zahvaljujući upravo zasadama temeljenim na tim tehnologijama. Definicije i pojmovi Kako je percepcija javnosti o genetičkom inženjerstvu naj- češće nejasna i nedefinirana potrebno je, prije nego se uopće počinje govoriti i pisati o toj problematici, razjasniti neke temeljne pojmove i definirati ih kako ne bi u tekstovima i kod čitatelja izazvali nedoumice i zabune. Tim više, jer se često u javnosti različiti pojmovi kao što su: genetičko inženjerstvo, manipuliranje genima, kloniranje, genetički mo- dificirani organizmi (GMO), genetički modificirana hrana i sl., koriste krivo. Budući da se u svakodnevnom komuniciranju često puta koriste različiti termini za iste ili različite pojmove u ovom će tekstu najčešći pojmovi iz genetičkog inženjerstva biti točno definirani. Za druge termine i pojmove, a koji se odnose na ovu temu, čitatelji se upućuju na časopis PRIRO- DA, 1998., 88. Genetičko inženjerstvo (ili tehnologija rekombinantna DNA) je dobivanje novih hibridnih nasljednih materijala izvan stanice i njihovo spajanje s prenositeljem (virusom, plazmidom ili drugim ), čime se omogućava njegovo unašanje u organizam domaćina u kojem one prirodno ne postoje, ali u kojem se mogu umnožavati. Ovdje valja napomenuti da se prenositelje često naziva i vector(i), a umnožavanje kombinirane (hibridne) molekule DNA unesene u domaćina često se naziva i kloniranje. Kako se ovim tehnikama dobiva rekombinirana (rekombi- nantna) molekula DNA kao i u klasičnim rekombinacijama DNA, tehnologija se naziva i tehnologija rekombinantne DNA ili skraćeno tehnologija rDNA. Transgena biljka ili životinja je organizam koji u svom genomu ima ugrađenu rekombinantnu molekulu DNA, a koja se nasljeđuje u tom organizmu prema Mendelovim zakonitosti- ma kao dominantna. Transgeneza je metoda i postupak ko- jom se postiže transgena jedinka. Organizam s ugrađenim stranim genom u svom genomu naziva se genetski modi- ficirani organizam (GMO), termin koji se često pogrešno pripisuje hrani koja se dobiva iz genetski modificiranih biljaka ili životinja. Klon (grčki klon, grana, ogranak, cijepika, kalem, podm- ladak) označava skupinu jedinki ili pojedinih organizama, nas- Trideset godina genetičkog inženjerstva: kako je došlo do otkrića mogućnosti rekombiniranja DNA molekula in vitro

Upload: others

Post on 05-Sep-2019

5 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Trideset godina genetičkog inženjerstva: kako je došlo do ... · dificirani organizmi (GMO), genetički modificirana hrana i sl., koriste krivo. Budući da se u svakodnevnom komuniciranju

42 siječanj 2004. PRIRODA

GENETIKA

Prošlo je 30 godina od kada je objavljen prvi rad o spajanju in vitro dviju molekula DNA, koje

su potjecale od različitih organizama, u jednu jedinstvenu molekulu. Tehnike koje su omogućile

spajanje dijelova DNA iz različitih organizama i njihovo unošenje u različite domaćine nazvane

su tehnologija rekombinantne DNA ili popularno - genetičko inženjerstvo. Da bi se to ostvarilo

bile su potrebne brojne spoznaje i otkrića iz molekularne genetike, biokemije i

mikrobiologije. Genetičko inženjerstvo primjenjivano je u proteklih 30 godina u različitim

područjima prirodnih znanosti da bi se riješila neka temeljna pitanja naročito u području

genetike i molekularne biologije živih bića, te dobile nove spoznaje o tome kako su regulirane i

kako djeluju nasljedne osnove. Te tehnike ubrzo su pokazale rezultate i u praktičnoj primjeni

dajući rješenja bitna za živi svijet na Zemlji.

Trideset godina genetičkog inženjerstva:kako je došlo do otkrića mogućnosti

rekombiniranja DNA molekula in vitroProf. dr. sc. Vladimir DELIĆ,

Zavod za molekularnu biologiju, Prirodoslovno-matematički fakultet, Zagreb

Tehnike rekombinantne DNA ili popularnijeg naziva ge-

netičko inženjerstvo su najrevolucionarnije dostignuće u

području prirodnih znanosti poslije otkrića i primjene

mikroskopa u biološkim istraživanjima. Te tehnike uzrokovale

su i izazvale pravu revoluciju u biologiji i to naročito u onom

dijelu koji se odnosi na proučavanje naslijednih osnova

(gena) i funkcioniranja živih organizama. Zbog mogućnosti

široke primjene u gotovo svim područjima prirodnih znanosti

kao što su biologija, medicina, agronomija, biotehnologija i

druge, te tehnologije postale su naša svakodnevnica. Samo

jedan manji broj primjera rezultata genetičkog inženjerstva bit

će prikazan u ovom broju PRIRODE, a brojni drugi primjeri

mogu sa pronaći u opsežnoj znanstvenoj i stručnoj literaturi.

Iako je u časopisu PRIRODA u nekoliko navrata do sada

pisano o tehnologiji rekombinantne DNA (tehnologija rDNA) ili

kolokvijalnog naziva genetičkom inženjerstvu, potrebno je

navesti još podataka radi brzog razvoja te grane molekularne

genetike kao i nekih naročito u javnosti negativnih napisa o

dostignućima te grane biologije. Ti podaci pokazat će i ob-

jasniti što je to genetičko inženjerstvo, kako je nastalo i kako

je došlo do mogućnosti da se in vitro može spajati DNA od

različitih organizama te općenito raditi s molekulama DNA

odnosno njezinim manjim fragmentima. Naročito se za to

ukazuje potreba u današnje vrijeme, kada je putem javnih

glasila stvorena uglavnom negativna slika o dostignućima u

području prirodnih znanosti dobivenih putem tehnologije

rDNA odnosno genetičkog inženjerstva. S druge pak strane,

razvijeni svijet koristeći spoznaje dobivene tehnologijom

rDNA kroči krupnim koracima naprijed zahvaljujući upravo

zasadama temeljenim na tim tehnologijama.

Definicije i pojmovi

Kako je percepcija javnosti o genetičkom inženjerstvu naj-

češće nejasna i nedefinirana potrebno je, prije nego se

uopće počinje govoriti i pisati o toj problematici, razjasniti

neke temeljne pojmove i definirati ih kako ne bi u tekstovima i

kod čitatelja izazvali nedoumice i zabune. Tim više, jer se

često u javnosti različiti pojmovi kao što su: genetičko

inženjerstvo, manipuliranje genima, kloniranje, genetički mo-

dificirani organizmi (GMO), genetički modificirana hrana i sl.,

koriste krivo. Budući da se u svakodnevnom komuniciranju

često puta koriste različiti termini za iste ili različite pojmove u

ovom će tekstu najčešći pojmovi iz genetičkog inženjerstva

biti točno definirani. Za druge termine i pojmove, a koji se

odnose na ovu temu, čitatelji se upućuju na časopis PRIRO-

DA, 1998., 88.

Genetičko inženjerstvo (ili tehnologija rekombinantna DNA)

je dobivanje novih hibridnih nasljednih materijala izvan stanice i

njihovo spajanje s prenositeljem (virusom, plazmidom ili drugim

), čime se omogućava njegovo unašanje u organizam domaćina

u kojem one prirodno ne postoje, ali u kojem se mogu

umnožavati.

Ovdje valja napomenuti da se prenositelje često naziva i

vector(i), a umnožavanje kombinirane (hibridne) molekule

DNA unesene u domaćina često se naziva i kloniranje.

Kako se ovim tehnikama dobiva rekombinirana (rekombi-

nantna) molekula DNA kao i u klasičnim rekombinacijama

DNA, tehnologija se naziva i tehnologija rekombinantne DNA

ili skraćeno tehnologija rDNA.

Transgena biljka ili životinja je organizam koji u svom

genomu ima ugrađenu rekombinantnu molekulu DNA, a koja

se nasljeđuje u tom organizmu prema Mendelovim zakonitosti-

ma kao dominantna. Transgeneza je metoda i postupak ko-

jom se postiže transgena jedinka. Organizam s ugrađenim

stranim genom u svom genomu naziva se genetski modi-

ficirani organizam (GMO), termin koji se često pogrešno

pripisuje hrani koja se dobiva iz genetski modificiranih biljaka

ili životinja.

Klon (grčki klon, grana, ogranak, cijepika, kalem, podm-

ladak) označava skupinu jedinki ili pojedinih organizama, nas-

Trideset godina genetičkog inženjerstva:kako je došlo do otkrića mogućnosti

rekombiniranja DNA molekula in vitro

Page 2: Trideset godina genetičkog inženjerstva: kako je došlo do ... · dificirani organizmi (GMO), genetički modificirana hrana i sl., koriste krivo. Budući da se u svakodnevnom komuniciranju

PRIRODA siječanj 2004. 43

talih aseksualnim razmnožavanjem, iz jedne seksualnim nači-

nom dobivene jedinke. Kloniranje je postupak dobivanja

populacije klonskih jedinki.

Ovaj način umnožavanja molekula ili jedinki ne znači nužno i

rekombinantnu DNA, posebno kada se razmatra kloniranje u

sisavaca (vidi: PRIRODA, 1997., 838). Budući da se i hibridna

molekula najčešće unošenjem u domaćina umnoži aseksu-

alnim načinom taj dio se također ponekad naziva kloniranjem

(molekulsko kloniranje). Kloniranje je kao postupak dobro

poznat način dobivanja populacije jedinki naročito u biljnih

organizama kao npr. razmnožavanje jagoda i sl.

Molekularne osnove genetičkog inženjerstva

Brojna znanstvena otkrića i spoznaje na području moleku-

larne biologije, (vidi: PRIRODA, 1999., 89) koja se odnose na

nasljeđivanje u živih bića, a bila su poznata do 1970. godine,

omogućila su da se počne razmišljati o mogućnosti spajanja

in vitro dviju molekula DNA dobivenih iz različitih organizama,

odnosno spojiti ih u epruveti te unijeti u određeni organizam

domaćin gdje bi ta hibridna molekula DNA izrazila svoje

svojstvo. Jedno od temeljnih spoznaja bilo je razjašnjenje

strukture DNA i njezine uloge u nasljeđivanju, što zahva-

ljujemo J. Watsonu i F. Cricku (slika 1.), koji su zajedno s M.

Wilkinsom dobitnici Nobelove nagrade 1962. god. Oni su

No, da se ne radi samo o neprekinutom nizu purinskih i pirimi-

dinskih baza koje kodiraju pojedine aminokiseline, već da je

molekula DNA organizirana prema rasporedu kodirajuće i

nekodirajuće regije pokazali su F. Jacob (slika 2.), A. Lwoff i

J. Monod, koji su 1965. godine za svoje otkriće dobili Nobelo-

vu nagradu. Oni su dokazali da redoslijed purinskih i pirimi-

dinskih baza u molekuli DNA nije neprekinuti niz već da se

kodirajuće regije nalaze organizirane u jedinice koje su autori

nazvali operonima. Operon čine regulacijska regija u DNA i

strukturna ili kodirajuća regija. U regulacijskoj regiji jednog

operona nalaze se promotorska i operatorska regija od neko-

liko desetaka do stotinjak baza koje služe kao mjesto za

početak (ili prestanak) prepisivanja i prevođenja genetičke in-

formacije iz DNA u bjelančevinu. Naravno da postoje razlike u

građi i funkciji regulacijskih i kodirajućih dijelova operona

između nižih i viših organizama, ali princip građe i funkcioni-

ranja DNA kao nasljednih osnova koje reguliraju svojstva svih

živih bića je u suštini isti (izuzetak čine neki virusi u kojima je

RNA odrednica nasljednih svojstava).

Slika 2. Francois Jacob

Proučavanje uloge molekule DNA u nasljeđivanju metodama

klasične genetike nije uvijek bilo jednostavno i lako. Osnovni

problem bio je u veličini molekula DNA kao sastavnog dijela

kromosoma, pa ju je teško proučavati na molekularnoj razini.

Stoga se postavilo pitanje kako i na koji način dobiti manje

dijelove ili fragmente DNA koji bi poslužili za proučavanje, a

da se pri tome ne izgubi njezina funkcija.

Taj problem je riješen biološkim fenomenom nazvanim re-

strikcijsko-modifikacijski sustav koji je pronađen u bakteriji E.

coli i njezinom fagu lambda, a kasnije otkriven i u brojnim

drugim mikroorganizmima. Proučavanje tog sustava dovelo

je do otkrića posebnih enzima nazvanih restrikcijskim en-

donukleazama, a koji su imali ključnu ulogu u tehnologiji

rDNA.

Pojavu restrikcije i modifikacije otkrio je Werner Arber (slika 3.)

švicarski znanstvenik, koji je za to otkriće podijelio Nobelovu

nagradu za medicinu i fiziologiju 1978. godine s Amerikanci-

ma D. Nathansom i H. Smithom. Samo objašnjenje Nobelova

komiteta koje u obrazloženju za dodjelu nagrade kaže “ ... za

cijepanje genetičkog materijala ...” dovoljno jasno pokazuje

Slika 1. James Watsom i Francis Crick

pokazali da se molekula DNA sastoji od šećera deoksiriboze

povezanih fosfodiesterskim vezom u okosnicu. Takve dvije

polimerne molekule spojene su preko šećera parovima baza

i to: adeninom iz jednog lanca i timinom iz drugog, te gvani-

nom iz jednog lanca sa citozinom iz drugog, tvoreći na taj

način dvostruku zavojnicu DNA povezanu vodikovim vezama

preko tih parova purinskih i pirimidinskih baza. Daljnja

istraživanja pokazala su da po tri baze iz jednog lanca DNA

kodiraju jednu aminokiselinu, prema tome niz nukleotida ili

odsječak lanca DNA može kodirati određenu polipeptidnu

molekulu.

Page 3: Trideset godina genetičkog inženjerstva: kako je došlo do ... · dificirani organizmi (GMO), genetički modificirana hrana i sl., koriste krivo. Budući da se u svakodnevnom komuniciranju

44 siječanj 2004. PRIRODA

da je metodom moguće cijepati molekulu DNA. No, kako to

zapravo rade restrikcijske endonukleaze? Proučavanje

svojstava i načina djelovanja restrikcijskih endonukleaza, koje

su pronađene i karakterizirane kod brojnih mikroorganizama,

pokazalo je da ti enzimi prepoznaju određeni redosljed baza

u lancima DNA. To su tzv. palindromski rasporedi nukleotida

u lancima molekule DNA, koji su istog redosljeda nukleotida

čitani u jednom i drugom lancu, ali obrnutim smjerom (streli-

ce) kao npr. na slici 4.a.

Općenito, restrikcijski enzimi cijepaju dvolančanu molekulu ili

u osi simetrije palindroma (RsaI) ili lijevo (EcoRI) ili desno

(PstI) od osi simetrije. Cijepanje oba lanca u osi simetrije daje

molekulu koja ima obzirom na nastale krajeve tzv. tupe kra-

jeve. Ako restrikcijski enzim cijepa palindrom izvan osi simetri-

je onda najčešće ostaju u jednom ili drugom lancu palindro-

ma jednostruki tzv. izduženi krajevi nazvani i ljepljivi krajevi, jer

se lako spajaju s isto takvim izduženim krajevima, ako im je

redosljed baza komplementaran (slika 4.b.). Kako je redo-

sljed purinskih i pirimdinskih baza u DNA stalan (određen)

(ovdje valja zanemariti različite mutacije koje mogu promjeniti

taj redoslijed), tako će i jedan restrikcijski enzim uvijek naći

svoj palindrom i na tom mjestu pocijepati dvolančanu mole-

kulu DNA što će davati fragmente DNA uvijek iste veličine. Do

danas je nađeno i proučeno preko 500 različitih restrikcijskih

enzima, koji cijepaju DNA na različite načine, obzirom na pa-

Slika 3. Werner Arber

Slika 4. Način cijepanja molekule DNA pomoću restrikcijskih enzima. a) Palindromski rasporedi baza u DNA b) Nastajanje manjih

fragmenata DNA i mogućnost spajanja.

a)

b)

Page 4: Trideset godina genetičkog inženjerstva: kako je došlo do ... · dificirani organizmi (GMO), genetički modificirana hrana i sl., koriste krivo. Budući da se u svakodnevnom komuniciranju

PRIRODA siječanj 2004. 45

lindromski raspored nukleotida u molekuli DNA. Izolirani su

uglavnom iz različith mikroorganizama po kojima su dobili

imena kao npr. EcoRI (iz Escherichia coli soj RI), BamHI (iz

Bacillus amyloliquefaciens HI), Sau3A (iz Streptomyces albus

G) itd.

Prirodna uloga restrikcijskih enzima u samim stanicama je da

ju štiti od unošenja strane DNA cijepajući tu DNA na male

fragmente. Pri tome posebni modifikacijski enzimi u stanica-

ma promijene vlastitu DNA tako da ju restrikcijski enzimi ne

mogu cijepati.

Otkriće restrikcijskih enzima značajno je unaprijedilo

istraživanja na području molekularne genetike, jer je bilo mo-

guće proučavati strukturu i funkcije malih fragmenata

(odsječaka) DNA mnogo jednostavnije nego metodama

klasične genetike.

Sljedeći važan događaj za genetičko inženjerstvo bilo je ot-

kriće enzima (u 1967. god.), koji mogu spajati usjeke nastale

u jednom lancu molekule DNA i to između susjednih nukleoti-

da u dvolančanoj molekuli DNA. Ti enzimi, otkriveni istovre-

meno u pet istraživačkih laboratorija neovisno, nazvani ligaze

dobiveni su ili iz bakterije E. coli ili od bakterijskog faga T4.

Osim toga 1970. god. Gobind Khorana sa Sveučilišta u Wis-

consinu, SAD, je pokazao da T4DNA ligaza može spajati i

potpuno odvojene dvolančane molekule DNA, a ne samo

prekide u jednom lancu dvostruke zavojnice DNA.

Slika 5. Paul Berg

Sve te spoznaje i fenomeni bili su preduvjet za mogućnost

spajanja in vitro dviju molekula DNA od različitih organizama

u jednu hibridnu molekulu. Prva osoba kojoj je to uspjelo bio

je biokemičar Paul Berg (slika 5.), koji je zajedno s W. Gilber-

tom i F. Sengerom dobio Nobelovu nagradu 1980. godine za

rad na biokemiji nukleinskih kiselina.

Kako su spojene dvije molekule DNA iz različitih

organizama

Kakav pokus je zamislio i uspješno ostvario P. Berg? Skupina

istraživača iz Stanforda, SAD, pod vodstvom P. Berga znala je

da enzim terminalna transferaza katalizira postepeno doda-

vanje identičnih nukleotida na 3'-kraju jednostrukog lanca

DNA (slika 6). Ako se na jednu populaciju molekula DNA

doda, pomoću enzima terminalne transferaze, blok identičnih

nukleotida npr. AAAAAA (poliA), a na drugu populaciju mole-

kula DNA blok komplementarnih nukleotida npr. TTTTTT

(poliT), tada se te dvije populacije molekula na temelju kom-

plementarnosti baza A-T mogu spojiti, a DNA ligazom pove-

zati fosfodiesterski lanac. Za spajanje dviju populacija mole-

kula P. Berg se odlučio za kružnu molekulu životinjskog virusa

nazvanog SV40 i isto takvu kružnu molekulu DNA bakerijskog

virusa lambda, koja je u sebi sadržavala i bakterijski gen za

metabolizam galaktoze (λdvgal). Da bi spojio te dvije mole-

kule dobivene iz potpuno različitih organizama trebalo ih je

najprije otvoriti ili linearizirati. Berg i suradnici upotrijebili su

enzim endonukleazu RI i doista su imali sreću kako se kasnije

pokazalo. Naime, u to vrijeme nije se znalo specifično djelo-

vanje tog enzima tj. da daje jednostruke izdužene krajeve,

kasnije nazvanog EcoRI . Taj je enzim cijepao DNA virusa

SV40 na samo jednom mjestu i linearizirao je kružnu molekulu

tog virusa. DNA bakterijskog virusa λdvgal taj je isti enzim

cijepao na dva mjesta dajući fragmente otprilike iste veličine.

Da bi dobio izdužene krajeve, Berg i suradnici su linearizirane

molekule obradili egzonukleazom iz faga lambda, koja odcje-

pljuje nukleotide s 5'-kraja dvolančane molekule DNA i na taj

način ostaju izduženi 3'-krajevi. Nakon dodavanja blokova

poliA, pomoću terminalne transferaze na krajeve DNA virusa

SV40 i poliT na krajeve fragmenata bakterijskog virusa λdvgal,

dvije skupine molekula su spojene uz dodatak egzonukleaze

III, DNA polimeraze te deoksiribonukleotida da se spare ne-

sparene baze. Dodatak enzima DNA ligaze spojio je usjeke

između susjednih nespojenih nukleotida u lancu DNA dviju

molekula. Nakon inkubacije rezultati su anlizirani u gradientu

saharoze, a pokazali su da je došlo do spajanja molekule

DNA SV40 i molekule DNA faga lambda. Mjerenje dužine

dobivenih molekula pod elektronskim mikroskopom potvrdilo

je da je novo nastala hibridna kovalentno kružno zatvorena

molekula sastavljena od DNA virusa SV40 i jednog fragmenta

DNA faga lambda. Svi biokemijski dokazi pokazali su da je

metodologijom koju je primjenio P. Berg moguće spajati in

vitro DNA molekule dobivene od različitih organizama.

P. Berg je bio prva osoba koja je in vitro uspješno spojila dvije

molekule DNA iz različitih organizama i time otvorio novo

razdoblje u molekularnoj biologiji. On je utro putove za proboj

znanstvenih dostignuća u različita područja prirodnih znanos-

ti pa ga s pravom zovemo ocem genetičkog inženjerstva.

Takve hibridne molekule, kako se kasnije pokazalo, mogu biti

pogodne za istraživanja aktivnosti pojedinih gena bilo da se

sastoje od prokariotskih ili eukariotskih fragmenata DNA.

Međutim, osnovno je pitanje bilo mogu li se takve molekule

unijeti u aktivne stanice i tamo iskazati svoja svojstva.

No, da bi se dobili odgovori na ta pitanja bile su potrebne još

određene spoznaje i tehnike molekularne biologije koje su

omogućile tehnologiju rDNA.

Prva je bila potreba za vektorima koji bi imali svojstvo prenosi-

oca fragmenta DNA i samostalne replikacije u određenom

domaćinu. Takvim su se pokazali plazmidi (i virusi), ekstrakro-

mosomski elementi dvolančane DNA, koji imaju različita

Page 5: Trideset godina genetičkog inženjerstva: kako je došlo do ... · dificirani organizmi (GMO), genetički modificirana hrana i sl., koriste krivo. Budući da se u svakodnevnom komuniciranju

46 siječanj 2004. PRIRODA

svojstva i široko su rasprostranjeni u brojnim prokariotima.

Jedno od bitnih osobina plazmida je da su samostalni rep-

likoni, što znači da se mogu umnažati neovisno od kromo-

soma svog domaćina. Pokazalo se da i plazmidi u svojoj

DNA imaju palindromske raspodjele baza pa se mogu otvoriti

odnosno linearizirati, kako je to već ranije pokazao P. Berg na

primjeru virusa SV40. Osim toga, neka od svojstava plazmida

kodirana njihovom DNA, kao što je otpornost prema anti-

bioticima ili teškim metalima, mogu uspješno poslužiti za pro-

biranje jedinke domaćina u koju je rekombinantna molekula

DNA unesena. Ta svojstva (samostalna replikacija, rezistenci-

ja na antibiotike, restrikcijska mjesta) bila su bitna svojstva

plazmida kao vektora.

Budući da većina mikroorganizama, koji bi mogli poslužiti kao

domaćini, ne dozvoljavaju unošenje strane hibridne molekule

DNA u svoju citoplazmu to je predstavljalo ozbiljnu

poteškoću. Taj problem riješili su 1970. god. M. Mandel i A.

Higa sa Sveučilišta na Hawaima, SAD, koji su pokazali da

stanice bakterije E. coli koje su obrađene otopinom kalcijeva

klorida mnogo djelotvornije primaju DNA faga lambda.

Odmah nakon tog otkrića Stanley Cohen i Annie Chang sa

Sveučilišta u Stanfordu, SAD, pronalaze 1973. god. da se i

molekule plazmida mogu mnogo djelotvornije unijeti u stanicu

bakterije E. coli i time je transformirati, ako se prethodno

obrade kalcijevim kloridom. Oni su zajedno s H. Boyerom i R.

Hellingom sa Sveučilišta u San Francisku odmah i konstruirali

in vitro hibridnu molekulu DNA, koja se sastojala od fragme-

nata DNA plazmida iz E. coli i plazmida iz Staphylococcus au-

reus. Hibridni plazmid unesen je u E. coli, gdje je pokazivao

biološko svojstvo iz S. aureus sadržano u hibridnom

plazmidu. Ono što je bilo još važnije bio je podatak da kada

se takvom hibridnom molekulom transformirana stanica jed-

nom razmnoži u njezinoj se citoplazmi dobiju točne kopije

molekula kojim je stanica transformirana. To je bilo prvi puta

Slika 6. Shematski prikaz

prvog spajanja in vitro

molekula DNA iz dva raz-

ličita organizma.

Faksimil rada P. Berga

Page 6: Trideset godina genetičkog inženjerstva: kako je došlo do ... · dificirani organizmi (GMO), genetički modificirana hrana i sl., koriste krivo. Budući da se u svakodnevnom komuniciranju

PRIRODA siječanj 2004. 47

da je genetičkim inženjerstvom dobivena in vitro hibridna

molekula DNA od dva različita organizma unesena u domaći-

na u kojem je ta molekula eksprimirala (izrazila) svojstvo iz

drugog organizma.

Naravno da se ubrzo postavilo pitanje može li se konstruirati

hibridni plazmid koji bi sadržavao gene od bakterija i od viših

organizama i da li se takav gen može izraziti (eksprimirati) u

novom domaćinu. Da bi odgovorili na to pitanje znanstvenici

sa Sveučilišta u Stanfordu i San Francisku, SAD, 1973. god.

konstruirali su hibridne plazmidne molekule DNA koje su se

sastojale od dijelova bakterijskog plazmida i fragmenta DNA

iz žabe Xenopus leavis. Takvim molekulama, koje su nazvali

Himerama (prema mitskom čudovištu koje se sastojalo od

glave lava, tijela jarca i repa zmaja), proveli su uspješno trans-

formaciju bakterijskih stanica u kojima se uneseno svojstvo

eksprimiralo i trajno održavalo. Time su dokazali da meto-

dologija koju je otkrio P. Berg može poslužiti za konstrukciju

hibridnih molekula DNA, koje kada se unesu u različite doma-

ćine tim domaćinima donašaju nova svojstva.

Navedenim eksperimentalnim rezultatima i spoznajama

započela je era novih otkrića i primjene dostignuća teh-

nologije rekombinantne DNA ili popularnijeg naziva ge-

netičkog inženjerstva. Danas praktički nema područja prirod-

nih znanosti u najširem smislu riječi u kojem tehnologija rDNA

nema svog udjela. Tako se koristi za rješavanje temeljnih pi-

tanja iz domene molekularne biologije ili daje praktična rje-

šenja u biologiji, medicini, agronomiji, veterini, kriminalistici i

drugdje.

Obzirom na klasično križanje genetičkog materijala u cilju

oplemenjivanja mikroorganizama, biljaka i životinja sa ciljem

odabira jednog željenog svojstva (pri čemu su isključena os-

tala svojstva iz reprodukcije) tehnologija rDNA omogućuje da

se selekcionira vrijedno genetičko svojstvo iz različitih orga-

nizama na molekularnoj razini uz upotrebu mnogo preciznije

tehnike genetičkog inženjerstva. U osnovi obje tehnike su

slična jedna drugoj jer rekombiniraju genetički materijal ali uz

bitne razlike. Tehnika rDNA nam omogućuje korištenje i

prenošenje jednog gena čija je funkcija dobro poznata iz jed-

nog u drugi organizam. U selekcijskom oplemenjivanju velika

garnitura gena nepoznatih funkcija prenosi se između srodnih

organizama. Genetičko inženjerstvo omogućuje zbog veće

točnosti manipulacije da se izbjegne rizik dobivanja organiz-

ma s neočekivanim svojstvima te da se izbjegne dugotrajno

testiranje, pokušaja i pogreške selekcijskim oplemenjivanjem.

Osim u otkrivanju novih funadamentalnih spoznaja u kojima

danas imaju nezamjenjivu ulogu, tehnike rDNA se koriste za

proizvodnju novih medikamenata (lijekova, dijagnostičih

sredstava) i sigurnih vakcina, kontrolu virusima uzrokovanih

oboljenja, liječenju nekih genetskih oboljenja i sl. U poljo-

privredi se genetičko inženjerstvo koristi za povećanje uroda i

smanjenja troškova proizvodnje, smanjena količine alergena

u nekim namirnicama, povećanju hranidbene vrijednosti

nekih živežnih namirnica i dr. U ekologiji se koristi za razvoj

biorazgradivih materijala, za smanjenje zagađenja zraka i

vode, proizvodnju proteina za opću upotrebu (enzimi, pro-

tutijela, stanični receptori i sl.), biosenzora i sl. Gotovo da

nema područja prirodnih znanosti u kojima se ne koriste teh-

nologije rDNA s ciljem rješavanja temeljnih pitanja ili mo-

gućnosti praktične primjene.

Stoga se predviđanja, da će ovo stoljeće biti biti stoljeće nove

biotehnologije u kojoj rDNA ima središnju ulogu, ostvaruju

brže nego što su predviđali i najveći optimisti.

Literatura

Jackson, D. A., Symons, R. H. and Berg, P.: Biochemical

Methods for Inserting New Genetic Information into DNA of

Simian Virus 40: Circular SV40 DNA Molecules Containing

Lambda Phage Genes and the Galactose Operon of Escheri-

chia coli. Proc. Nat. Acad. Sci., USA, 69; 2904-2909, 1972.

Cohen, S. N., Chang, A. C., Boyer, H. W.and Helling, R. B.:

Construction of Biologically Functional Bacterial Plasmids In

Vitro. Proc. Nat. Acad. Sci.,USA, 70; 3240-3244, 1973.

Cohen, S. N.: The Manipulation of Genes. Scientific American,

233; 25-33,1975.

Delić, V.: Što je genska tehnologija i čemu služi ? U: Društveni

značaj genske tehnologije, D. Polšek i K. Pavelić (Ured.), st.

23-39. Institut društvenih znanosti Ivo Pilar, Zagreb, 1999.

Faksimil rada S. Cohena i sur.

MISLI

· PREDNOST SVAKODNEVNE TJELOVJEŽBE JEST DA UMREŠ ZDRAVIJE!

· SRCE SADRŽAVA BOGATSTVO, A LISNICA SAMO NOVAC. (Ruska poslovica)

· BUDEMO LI GOVORILI O PROŠLOSTI, ZANEMARIT ĆEMO SADAŠNJOST, A TIME I

BUDUĆNOST. (Winston Churchill)

· MLADOST PREDLAŽE, STAROST ODLAŽE, A ZRELOST IZVRŠAVA. (Kineska poslovica)