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”