Biologia szkoła ponadgimnazjalna/Wykorzystanie badań DNA w nauce

Wykorzystanie badań DNA w nauce

Zagadnienie z podstawy programowej

„uczeń: podaje przykłady wykorzystania badań nad DNA (sądownictwo, medycyna, nauka);„

Biologia molekularna

Wiedza wykorzystywana przy genetycznym modyfikowaniu organizmów, wykrywaniu sprawców przestępstw, wykrywaniu chorób genetycznych pochodzi z badań naukowych. Nauka dostarcza rozwiązań wykorzystywanych następnie w różnych dziedzinach życia. Poznanie budowy DNA oraz mechanizmu syntezy białek doprowadziło do powstania nowej nauki – biologii molekularnej. Ten dział biologii zajmuje się badaniami na poziomie cząsteczek. Techniki opracowane przez biologów molekularnych okazały się użyteczne w innych dziedzinach nauk.

Badania genomów

Rzodkiewnik pospolity to jeden z organizmów modelowych wykorzystywany w badaniach nad genetyką i metabolizmem roślin

Projekt poznania genomu człowieka, opisany wcześniej, był jednym z największych projektów badań DNA. Informacje u kolejności nukleotydów i rozmieszczeniu genów mogą być wykorzystywane nie tylko w medycynie. Badań prowadzących do poznania genomów różnych orgazmów przeprowadzono wiele. W kolejnych latach prawdopodobnie zostaną opisane genomy kolejnych gatunków. W 1976 roku poznano sekwencję nukleotydów bakteriofaga (wirusa bakteryjnego) MS2. W latach 90. XX wieku zbadane zostały genomy przykładowych organizmów należących do bakterii, grzybów, roślin i zwierząt. W badaniach z wykorzystaniem technik biologii molekularnej często wykorzystywane są organizmy modelowe, dla których dostępne są sekwencje nukleotydów oraz mapy genowe, czyli informacje o ułożeniu genów na chromosomach. Organizmem modelowym wśród bakterii jest pałeczka okrężnicy (Escherichia coli), dla grzybów drożdże, zwierząt muszka owocowa (Drosophila melanogaster), a dla roślin rzodkiewnik pospolity (Arabidopsis thaliana). Gatunków, których genom został poznany, jest zdecydowanie więcej. Dzięki znajomości genomu możliwe jest dokładne badanie fizjologii organizmów. Często do takich badań używane są organizmy z mutacją określonego genu. Pomimo tego, że zgodnie z tradycyjną definicją gen odpowiada za jedną cechę, konsekwencje mutacji w obrębie jednego genu mogą mieścić się między śmiercią organizmu a brakiem zmian w jego działaniu.

DNA a ewolucja organizmów

Badania genetyczne pozwalają na określenie pokrewieństwa miedzy gatunkami

Graficzne przedstawienie pokrewieństwa przedstawiane jest w postaci drzew filogenetycznych

Dział biologii, który szczególnie szybko rozwija się w wyniku zastosowania badań DNA w badaniach nad ewolucją, nazywany jest filogenetyką. Dziedzina ta zajmuje się badaniem drogi rozwojowej organizmów, zarówno tych istniejących obecnie, jak i występujących w przeszłości. Przed zastosowaniem badań DNA pokrewieństwo organizmów określano na podstawie podobieństwa w budowie. Obecnie podstawą do określenia pokrewieństwa stały się badania DNA. Im więcej podobieństw w sekwencji nukleotydów, tym bliżej spokrewnione są badane gatunki. Zasada, że im dłużej grupy organizmów rozwijają się bez możliwości krzyżowania, tym więcej będzie różnic w ich DNA pozwala określić wspólnego przodka i okres w którym żył. Metoda opracowana w myśl podanej zasady została nazwana zegarem molekularnym. Metoda zegara molekularnego pozwala na tworzenie drzew filogenetycznych, czyli graficznej prezentacji pokrewieństwa poszczególnych gatunków i całych grup organizmów z określeniem miejsc i czasu kiedy rozdzielały się w wyniku ewolucji. Drzewa filogenetyczne mogą obejmować grupy gatunków, może też stworzyć drzewo filogenetyczne obejmujące wszystkie organizmy żyjące na Ziemi. W wyniku badań DNA drzewa filogenetyczne, które zostały opracowane na podstawie podobieństwa organizmów są weryfikowane i dość często konieczna jest ich korekta.

Ewolucja człowieka

Naukowcy w Instytucie Maxa Planca badają DNA z kopalnych szczątków neandertalczyków

Badania DNA okazały się przydatne w poznaniu ewolucji i pochodzenia gatunku ludzkiego. Danych do stworzenia wyjątkowej hipotezy dostarczyły badania mitochndrialnego DNA. W przeciwieństwie do genów jądra komórkowego geny w mitochondriach w całości są dziedziczone po matce. Mitochondria plemnika posiadają DNA, jednak nie jest ono przekazywane potomstwu. Na podstawie analizy mitochondrialnego DNA pobranego od kobiet z różnych ras, żyjących na różnych kontynentach powstała hipoteza mitochondrialnej Ewy. Wszyscy ludzie współcześnie żyjący pochodzą od jednej kobiety, żyjącej około 140-280 tys. lat temu w Afryce. Podobne badania, przeprowadzone na DNA pochodzącym z chromosomu Y, który dziedziczony jest przez mężczyzn, wskazywały że mężczyzna będący wspólnym przodkiem wszystkich współcześnie żyjących żył około 60 tys. lat temu. W kolejnych badaniach skorygowano czas występowania wspólnego przodka na około 142 tys. lat temu. Mitochondrialna Ewa oraz Y-chromosomowy Adam mogli żyć w tym samym okresie. Badania DNA zostały wykorzystane do określenia pokrewieństwa człowieka rozumnego (Homo sapiens) i człowieka neandertalskiego. Neandertalczyk jest według różnych naukowców klasyfikowany jako podgatunek człowiek rozumnego lub jako oddzielny gatunek. Badania DNA ze szczątków kopalnych pozwoliły porównać geny neandertalczyka i ludzi żyjących obecnie. Porównanie mitochondrialnego DNA wyklucza możliwość krzyżowania się człowiek rozumnego i neandertalczyka. Prowadzi to do wniosku, że są to dwa oddzielenie gatunki. Instytut Maxa Planca w Niemczech realizuje projekt badania genomu neandertalczyka. Dzięki próbkom z wielu szczątków kopalnych genom wymarłego gatunku został poznany w 70%. Podobieństwo genomów obu gatunków naukowcy określili na co najmniej 99,5%. Nie znaleziono dowodów na krzyżowanie się męskich osobników człowieka współczesnego i kobiet neandertalskich. Część dowodów wskazuje na możliwość krzyżowania się męskich osobników neandertalczyków z kobietami człowieka współczesnego.

Badania gatunków wymarłych

Niektóre szczątki mamutów włochatych zachowały się w bardzo dobrym stanie

Badania nad DNA ze szczątków kopalnych to nie tylko ustalanie pokrewieństwa. Szacuje się, że DNA jest w stanie przetrwać około 1 miliona lat. Materiał genetyczny ulega stopniowemu niszczeniu. W większości przypadków jest możliwe poznanie tylko jego fragmentów. Pomimo to prowadzone są liczne badania DNA organizmów występujących w przeszłości. Wyniki badań mogą być wykorzystywane zarówno przez biologów, jak i archeologów, dostarczać informacji o uprawianych przed tysiącami lat roślinach lub patogenach, które były przyczyną chorób naszych przodków.

Wymarłym zwierzęciem, którego liczne szczątki kopalne pozwoliły na przeprowadzenie dokładnych badań genetycznych jest mamut włochaty. W 2008 roku naukowcy ustalili sekwencję nukleotydów genomu tego gatunku. Spośród obecnie występujących gatunków największe podobieństwo genetyczne wykazuje słoń indyjskich. Próbę odtworzenie wymarłego gatunku podjęli naukowcy Uniwersytetu w Kioto w roku 2011. Czy badania zakończa się sukcesem, jeszcze nie wiadomo.

Prace naukowców mogą doprowadzić do odtworzenia wymarłych mamutów

Pamiętaj

1. Genom wielu gatunków został dokładnie poznany.
2. Znajomość kompletnego genomu pozwala prowadzić dokładne badania nad metabolizmem organizmów.
3. Porównywanie DNA gatunków współczesnych pozwala określić pokrewieństwo i czas, w którym powstały w wyniku ewolucji.
4. Badania DNA pozwalają poznać proces ewolucji człowieka.
5. DNA ze szczątków kopalnych dostarcza danych przydanych biologom i archeologom..

Poprzez takie padania możliwa jest identyfikacja osób np. ustalenie rodzicielstwa, badanie pokrewieństwa, rozpoznanie osób zaginionych oraz identyfikacja zwłok i szczątków ludzkich.

Zadania

1. Wyszukaj w mediach i Internecie informacje o tym genom jakich gatunków roślin i zwierząt został poznany w całości.
2. Drzewo filogenetyczne wszystkich organizmów powinno mieć korzeń. Ostatni uniwersalny wspólny przodek to hipotetyczny organizm, od którego pochodzą wszystkie organizmy żyjące na Ziemi. Znajdź informacje jak mógł wyglądać taki przodek i kiedy występował na naszej planecie.
3. Powstało wiele filmów, których twórcy przedstawiają odtworzone przez naukowców dinozaury. Na podstawie informacji z podręcznika oceń, czy jest możliwe odtworzenie dinozaurów, które szczątki pochodzą z przed 60 mln lat.