Biologia szkoła ponadgimnazjalna/Modyfikowane genetycznie rośliny i zwierzęta

Modyfikowane genetycznie rośliny i zwierzęta

Zagadnienie z podstawy programowej

„Uczeń: przedstawia potencjalne korzyści i zagrożenia płynące ze stosowania roślin transgenicznych w rolnictwie oraz transgenicznych zwierząt w badaniach laboratoryjnych i dla celów przemysłowych;”

Metody modyfikacji

Agrobacterium tumefaciens przyłączająca się do komórek marchwi.

Ze zmodyfikowanych komórek roślinnych można uzyskać kompletną roślinę w hodowli in vitro

Chimera. Mysz w której cześć komórek zostało zmodyfikowanych genetycznie. Obok potomstwo.

U organizmów tkankowych wprowadzenie nowego genu jest znacznie trudniejsze niż u bakterii, czy grzybów. Dodatkowy gen lub grupa genów musi znaleźć się w każdej komórce organizmu. W przypadku roślin dodatkową barierę stanowi ściana komórkowa. Technika wykorzystywana w modyfikowaniu organizmów jednokomórkowych nie może być zastosowana. Przydatny w inżynierii genetycznej okazał się mechanizm stworzony przez przyrodę. Bakteria glebowa Agrobacterium tumefaciens powodująca chorobę roślin o nazwie guzowatość korzeni wprowadza do komórek roślinnych fragment DNA, z genami, które powodują produkcję przez roślinę związków o nazwie opiny. Związki wykorzystywane są przez bakterie, a nieprzydatne roślinie. Naukowcy usunęli z przenoszonego DNA geny wywołujące chorobę roślin i wstawiają w ich miejsce gen, który koduje nową, korzystną z punktu wiedzenia człowieka cechę. Bakteria jest zdolna do infekowania kilkuset gatunków roślin, w tym wielu uprawnych. Wszystkie te gatunki mogą być modyfikowane genetycznie za pomocą Agrobacterium tumefaciens. Możliwe jest także rozpuszczenie ściany komórkowej komórki roślinnej i wprowadzeni fragmentu DNA bezpośrednio do komórki. Komórka roślinna pozbawiona ściany komórkowej (protoplast) może być hodowana w warunkach laboratoryjnych. Ściana komórkowa zostanie odbudowana, a z komórek można uzyskać kompletną roślinę, dostarczając wszystkich niezbędnych do wzrostu składników w pożywce. Hodowle In vitro (w szkle) stosowane są do rozmnażania roślin także nie poddawanych modyfikacjom genetycznym. Aby móc określić, które komórki roślin uległy modyfikacji i powinny być dalej hodowane do DNA bakterii został wprowadzony gen (gen reporterowy) odpowiedzialny za wytwarzanie lucyferazy, białka powodującego świecenie (bioluminescencję), naturalnie obecny między innymi u świetlików.

Modyfikowanie genetyczne zwierząt (transfekcja) odbywa się na etapie zarodka. DNA z nowym genem może być wprowadzone przez mikroinjekcję (przez cienką igłę), zamknięte w liposomach (lipidowych pęcherzykach), a nawet wstrzeliwanie mikrokulek złota pokrytych DNA. Jeśli nowy gen, transgen zostanie włączony w czasie gdy zarodek składa się z jednej komórki i wprowadzone DNA nie zostanie utracone przy podziałach komórkowych, każda komórka nowego organizmu będzie zawierać nowy gen, a organizm może zostać określony organizmem transgenicznym. Jeśli nowy gen zostanie wprowadzony tylko do niektórych komórek zarodka, organizm który się z innego rozwinie będzie zawierał część komórek zmodyfikowanych. W biologii organizmy składające się z komórek o różnym materiale genetycznym określane są nazwą chimery. Jeśli uda się uzyskać zwierze posiadające w komórkach nowy gen, ważne jest także, aby był on aktywny we wszystkich tkankach lub tych w których ma spełniać jakąś rolę. Nie zawsze się to udaje.

Cele modyfikacji roślin i zwierząt

Kukurydza wytwarzająca białko Bt jest odporna na szkodniki takie jak omacnica prosowianka.

Rośliny i zwierzęta były wykorzystywane przez człowieka jako pokarm od początku jego istnienia. Z czasem człowiek zaczął korzystać z organizmów także wytwarzając ubrania czy budując domy. Wiele gatunków roślin jest uprawianych przez człowieka od wieków. Podobnie jest ze zwierzętami hodowlanymi. Po wielu wiekach dobierania przez człowieka tych roślin i zwierząt, które uznał za najbardziej przydatne, znacznie różnią się one od swoich dzikich odpowiedników. Porównując jabłko z sadu i owoc dzikiej jabłoni, trudno nie zauważyć różnić w wielkości, czy w smaku. Zmiany, które zaszły u gatunków uprawianych i hodowanych są efektem doboru sztucznego. Wybierania przez człowieka osobników, które posiadają geny kodujące korzystne cechy, rozmnażania ich, tak aby cecha była obecna w kolejnych pokoleniach. Uzyskanie nowej wartościowej odmiany lub rasy wiąże się z koniecznością wieloletnich prób, potrzebne jest też trochę szczęścia. W przypadku organizmów modyfikowanych genetycznie cechę poznaną u jednego gatunku można stosunkowo szybko przenieść do organizmu, w którym jest pożądana. Działanie jest zaplanowane, a efekt nie jest dziełem przypadku. Gatunków zmodyfikowanych roślin i zwierząt przybywa, a ich zalety doceniane są przez naukę, medycynę, rolnictwo i przemysł. W przypadku roślin dodawane są nowe cechy ułatwiające uprawę:

1. odporności na herbicydy (chemiczne środki zwalczające chwasty) tak aby można było ich używać mniej lub stosować mniej szkodliwe,
2. odporność na choroby powodujące straty w zbiorach,
3. zwiększenie odporności na suszę, zasolenie i inne czynniki środowiska.

Zmieniane są cechy wpływające na wartość zebranych plonów:

1. zwiększenie zawartości korzystnych dla człowieka składników (witamin, białek itp.),
2. przedłużenie trwałości owoców,
3. obniżenie zawartości związków szkodliwych lub niesmacznych.

Zwierzęta modyfikowane są w celu:

1. szybszego przyrostu masy,
2. zmniejszenia ilości zanieczyszczeń powstających przy hodowli,
3. uzyskania białek służących jako leki,
4. uodpornienia zwierząt hodowlanych na choroby.

W przyszłości dzięki poznawaniu genomów kolejnych gatunków możliwe będzie zwiększenie zakresu wykorzystania inżynierii genetycznej.

Przykłady i zastosowanie modyfikowanych genetycznie roślin

Pierwsze pomidory zmodyfikowane genetycznie mogły być dłużej przechowywane.

Uprawa transgenicznej soi pozwala na stosowanie herbicydu niszczącego wszystkie chwasty.

Ze zmodyfikowanej genetycznie trzciny cukrowej można uzyskać więcej cukru.

Pierwszą rośliną modyfikowaną genetycznie, wykorzystaną komercyjnie i dostępną w sklepach był pomidor o nazwie FlavrSavr. Został dopuszczony do sprzedaży w roku 1994 i wprowadzony do sprzedaży w Stanach Zjednoczonych. Pomidor ten został wzbogacony w DNA blokujące ujawnienie obecnego naturalnie genu powodującego mięknięcie owoców, co powoduje obniżenie ich wartości handlowej i przyspiesza gnicie. Po kilku latach pomidory zostały wycofane z rynku, nie osiągając zakładanej opłacalności. Kolejne zmodyfikowane genetycznie rośliny okazały się o wiele bardziej konkurencyjne. W różnych krajach uprawiane są obecnie zmodyfikowane odmiany soi, kukurydzy, ziemniaków, bawełny, melonów, tytoniu, rzepaku, buraków cukrowych i inne. W 2007 roku 92% uprawianej w Stanach Zjednoczonych soi stanowiła odmiana genetycznie modyfikowana. Do soi został wprowadzony gen, dzięki któremu stała się ona odporna na działanie glifosatu, substancji będącej składnikiem wielu herbicydów i powodującej zamieranie niemal wszystkich roślin. Na polu opryskanym glifosatem giną wszystkie rośliny z wyjątkiem rośliny uprawnej odpornej na jego działanie. W ten sposób soja transgeniczna może być uprawiana przy zastosowaniu jednego, mało toksycznego herbicydu na polu pozbawionych chwastów (glifosat nie działa jedynie na skrzyp). W przypadku kukurydzy i bawełny do roślin został wprowadzony gen pochodzący z bakterii Bacillus thuringiensis, wytwarzających białko trujące dla owadów. Ponieważ owady, takie jak omacnica prosowianka oraz stonka kukurydziana, powodują znaczne straty w uprawach roślin, rolnicy stosują chemiczne środki w postaci oprysków. Po wprowadzeniu genu kodującego trujące białko rośliny stają się trujące dla zjadających je owadów, białko jest nieszkodliwe dla ludzi i zwierząt hodowlanych. Bakterie Bt lub sama toksyna przez nie wytwarzana mogą być także stosowane jako biologiczna metoda zwalczania szkodników. Jednak w takiej sytuacji zatruciu mogą ulec nie tylko owady zjadające uprawy. Szczególnym przypadkiem zastosowanie inżynierii genetycznej jest odmiana ryżu nazwa złoty ryż. Do roślin ryżu zostały dodane geny, które powodują wytworzenie prowitaminy A (beta-karotenu) i jej gromadzenie w nasionach. Wprowadzone geny pochodzą od bakterii i narcyza w kolejnej wersji kukurydzy. Nasiona ryżu mają żółty kolor, a stworzona odmiana jest efektem projektu humanitarnego. Odmiana została stworzona w celu udostępnia ludności krajów biednych, w których znaczna część dzieci choruje z powodu niedoboru witaminy A. W krajach tych ryż jest podstawą wyżywienia i jego wzbogacenie o prowitaminę może zmniejszyć liczbę chorujących. W krajach europejskich uprawiana jest odmiana ziemniaka o nazwie Amflora, która ma służyć do wytwarzania skrobi przeznaczonej do produkcji papieru i klejów. Powstały również odmiany ziemniaków z genem Bt zapewniającym odporności na szkodniki oraz z genami zapewniającymi odporność na choroby wirusowe. W przypadku trzciny cukrowej, a której w krajach tropikalnych produkuje się cukier, odmiany zmodyfikowane genetycznie są odporne na herbicydy, posiadają zwiększoną zawartość cukru oraz są odporne na choroby wirusowe.

Przykłady i zastosowanie modyfikowanych genetycznie zwierząt

Transgeniczne myszy wykazujące zieloną fluorescencję mogą być przydatne w badaniu ludzkich chorób. Po środku mysz bez dodatkowego genu.

Łososie z dodatkowym genem odpowiedzialnym za produkcję hormonu wzrostu szybciej przybierają na masie.

Kozy z genami odpowiedzialnymi za produkcję białek tworzących pajęczynę miały wytwarzać substancję do produkcji kamizelek kuloodpornych.

Pierwszym genetycznie zmodyfikowanym zwierzęciem była mysz. Powstała poprzez mikroiniekcję DNA do komórki zarodka. Zmodyfikowany zarodek został następnie umieszczony w macicy samicy myszy. Mysz, która urodziła się ze zmodyfikowanego zarodka posiadała szczurzy gen odpowiedzialny za wytwarzanie hormonu wzrostu i była zdecydowanie większa od zwykłej myszy. Wśród gatunków, które poddano modyfikacjom genetycznym, poza myszą są, szczury, króliki, owce, świnie, różne gatunki ryb, komary, muszki owocowe. Cześć zmodyfikowanych zwierząt służy do badan naukowych. Niektóre znalazły zastosowanie komercyjne. Jedną z częściej wykonywanych modyfikacji jest dodanie genu kodującego hormon wzrostu. Zwierzęta po modyfikacji rosną szybciej i osiągają większą masę. Uzyskane w ten sposób karpie, łososie czy tilapie mają wielokrotnie większa masę od naturalnych odpowiedników. Przez kilka lat rozwijany był projekt mający na celu otrzymanie tworzywa o ogromnej wytrzymałości. Wytrzymałość taką wykazują nici pajęczyny zbudowane z dwóch rodzajów białek MaSpI i MaSpII. Geny odpowiedzialne za ich syntezę zostały przeniesione do organizmu kozy. Dzięki temu białka tworzące wytrzymałe nici były obecne w mleku. Firma realizująca projekt zbankrutowała w 2009 roku. Zrealizowany został pomysł mający duże znaczenie dla ochrony środowiska. Enviropig to nazwa zmodyfikowanych świń, które przyswajają większe ilości fosforu, w efekcie ich odchody zawierają znacznie mniej związków odpowiedzialnych za eutrofizację. Do transgenicznych zwierząt zaliczają się też opisane wcześniej ryby zwierające białko o właściwościach fluorescencyjnych.

Pamiętaj

1. Dodatkowe geny mogą być wprowadzane do komórek roślinnych dzięki wykorzystaniu bakterii Agrobacterium tumefaciens lub po pozbawieniu komórki ściany komórkowej.
2. Do komórek zwierzęcych dodatkowe geny prowadzane są między innymi przez mikroinjekcje, zastosowanie liposomów oraz kulek złota pokrytych DNA.
3. Ze zmodyfikowanych komórek konieczne jest uzyskanie dojrzałego organizmu.
4. Rośliny modyfikuje się aby ułatwić ich uprawę lub zwiększyć wartość uzyskiwanych plonów.
5. Zwierzęta modyfikuje się w celu ułatwienia hodowli, zmniejszenia uciążliwości hodowli dla środowiska, łatwiejszego wytwarzania nowych leków lub substancji chemicznych.
6. W niektórych krajach odmiany modyfikowane genetycznie stanowią większość upraw danego gatunku. Najczęściej przeprowadzaną modyfikacją organizmów roślinnych jest dodanie genu dającego roślinie odporność na glifosat, substancję powodująca obumieranie roślin. Wiele gatunków roślin zostało wzbogaconych w gen Bt odpowiedzialny za wytwarzanie białka toksycznego dla owadów zjadających uprawiane rośliny.
7. Złoty ryż jest przykładem zmodyfikowanej genetycznie rośliny zawierającej dużą ilość prowitaminy A, uzyskanej wyłącznie w celu pomocy humanitarnej.
8. Karpie, łososie i tilapie to ryby z dodatkowym genem kodującym hormon wzrostu. Rasy zmodyfikowane rosną szybciej i maja większa masę.
9. Uzyskano rasę świni, której hodowla wiąże się z mniejszą ilością powstających zanieczyszczeń.
10. Wiele gatunków zwierząt zostało wzbogaconych o gen powodujący fluorescencję. Niektóre z nich to gatunki hodowane hobbystycznie, niektóre mogą posłużyć do badań medycznych.

Zadania

1. Wyjaśnij dlaczego uzyskanie genetycznie modyfikowanych zwierząt jest trudniejsze niż uzyskanie modyfikowanych roślin.
2. Podaj po dwie korzyści wynikające z wykorzystania genetycznie modyfikowanych roślin i zwierząt w rolnictwie.
3. Wymień dwa gatunki roślin modyfikowanych genetycznie i określ jakie właściwości uzyskały w wyniku modyfikacji.
4. Wymień dwa gatunki zwierząt modyfikowanych genetycznie i określ jakie właściwości uzyskały w wyniku modyfikacji.
5. Jedną z obaw osób przeciwnych stosowaniu organizmów modyfikowanych genetycznie jest ograniczenie dostępności do takich odmian poprzez patenty i licencje firm biotechnologicznych. Czy potrafisz wskazać jeden przykład, który łagodziłby obawy takich osób?