Jak robi się rośliny GM?(1)

Dyskusja na temat GMO jest zawsze bardzo gorąca. Zwolennicy i przeciwnicy ścierają się przy użyciu całego arsenału argumentów. Argumentacja na temat jakości, zagrożeń i szans związanych z tą technologią to temat na cały artykuł, ale dzisiaj postanowiłem zrobić prostą notkę technologiczną o tym jak robi się rośliny GM. Solidna, ale nie koniecznie dogłębna  wiedza na temat technologii GM jest bowiem - przynajmniej moim zdaniem - rzadkością wśród osób podejmujących tą debatę.

 

Geny, geny, geny.

 

O modyfikacji genetycznej nie sposób rozmawiać bez rozważenia tego czym są geny. DNA każdej żywej istoty jaką znamy składa się z genów. Geny to jednostki dziedziczności, dłuższe fragmenty DNA, które są przekazywane z pokolenia na pokolenie w całości. Każda komórka to efekt współgrania tysięcy białek. Enzymów, które przyspieszają reakcje chemiczne, białek odpowiedzialnych za transport, białek regulujących produkcję innych białek, etc. Jednak białka są niezbyt trwałe. Żeby komórka była w stanie operować, muszą być one ciągle uzupełniane. Właśnie od tego są geny, a przynajmniej większość z nich. Geny zabezpieczają trwały zakodowany zapis receptur naszych białek. Gen zawiera instrukcję, jak wygląda białko, kiedy i gdzie powinno być produkowane, gdzie w komórce powinno się ono znajdować.  Pobieżny schemat tego jak produkowane jest białko można znaleźć poniżej:

 

 

Rys. 1: „Centralny dogmat” biologii: DNA=>mRNA=>białko. W telegraficznym skrócie; promoter koduje informację o tym kiedy i gdzie dane białko powinno być produkowane; enhancer to sekwencja, która może wzmacniać albo osłabiać intensywność produkcji danego białka; transkrypcja to proces tłumaczenia z języka DNA na język RNA (DNA jest zamknięte w jądrze komórkowym, białka są produkowane w cytoplazmie, mniejsze cząsteczki RNA są wysyłane poza jądro komórkowe); Splicing to składanie ostatecznej wersji mRNA z prekursora; translacja to tłumaczenie z języka nukleotydów (z nich składa się zarówno DNA jak i RNA) na język aminokwasów, z których składają się białka. Źr. wikipedia

 

Istnieją miliony różnorodnych genów. Niektóre z nich są uniwersalne dla wszystkich organizmów żywych, niektóre z nich występują tylko w niektórych gromadach, rodzinach, domenach. Mówiąc uniwersalne – nie mam na myśli identyczne. Po prostu podobieństwo sekwencji i funkcji w wypadku takich genów występuje za całej rozciągłości znanego nam życia. Wszystkie geny są w stanie działać w dowolnym organizmie (o ile nie są dla niego toksyczne), bo kod zapisu białek (kod genetyczny) jest dla życia uniwersalny. Oczywiście nie automatycznie. Żeby geny działały prawidłowo w obcym organizmie, musimy im często racjonalnie pomóc.

 

Inżynier od kartofli

 

I tu wkracza inżynieria genetyczna. Istnieje kilka poważnych przeszkód dzięki którym geny nie działają w innych organizmach. Przykładowo – promotor z jednego organizmu nie koniecznie działa w drugim. Albo działa nie tak jakbyśmy sobie tego życzyli. Istnieje kilka sposobów w jakie można wstawić obcy gen do rośliny. Nie jest to łatwy proces (jak w wypadku np. bakterii) ale jak najbardziej możliwy. Ponieważ pisanie o tym może być niezbyt strawne przygotowałem kilka obrazków, które pokazują jak wstawia się geny i jak sprawdza się czy osiągnęliśmy zamierzony cel. Żeby sprawa była jeszcze bardziej jasna – zrobiłem to na przykładzie konkretnego genu, kodującego GFP (green fluorescent protein), białko wyizolowane oryginalnie z meduzy, które w ciemnościach jest w stanie świecić. Dzięki temu bardzo łatwo widać efekty jego działania a także lokalizację w roślinie. GFP to bardzo przydatne narzędzie w biologii molekularnej a o tym, że jest również bardzo ważne świadczy chociażby nagroda Nobla z 2008 dla odkrywców i pionierów pracy nad tym białkiem.

 

 

Rys 2. Izolujemy DNA meduzy i z jej genomu wycinamy kodujący fragment genu odpowiedzialnego za GFP. Te genetyczne nożyczki tną w taki sposób, że po obu stronach pozostaje zakładka – jednoniciowy nawis (tzw. lepkie końce), który ułatwia wklejenie naszego genu (pomarańczowe cóś) do bakterii. Istnieją setki rodzajów takich nożyczek (enzymów restrykcyjnych – Nobel w 1978), każde z nich są specyficzne dla zdefiniowanej sekwencji DNA, stąd wiemy gdzie tniemy. Uzyskany w ten sposób gen możemy namnożyć z nadmiarze dzięki PCR – procesowi in vitro który amplifikuje DNA (za to też Nobel w 1993).

 

 

Rys 3. Za pomocą tych samych nożyczek rozcinamy plazmid – kolistą cząsteczkę DNA obecną w setkach wariantów w bakteriach (lista po prawej stronie schematu to lista nożyczek, które przecinają ten fragment). Plazmidy często zawierają gen odporności na laboratoryjne antybiotyki – dzięki temu można selekcjonować bakterie, które zawierają plazmid hodując je na pożywce z antybiotykiem. Przecięty plazmid jest liniowy (zielone cóś). Ponieważ nasz fragment i plazmid mają komplementarne lepkie końce, możemy wkleić nasz gen do plazmidu (są odpowiednie enzymy, które świetnie to robią).

 

 

Rys 4. Bakterie są w stanie pobierać plazmidy z pożywki pod wpływem np. impulsu elektrycznego albo innego szoku. Po potraktowaniu mieszaniny bakterii i plazmidów w ten sposób, na pożywce z antybiotykiem, na który plazmid daje odporność, możemy wyselekcjonować bakterie, które pobrały plazmid (a jest to ułamek ułamka procenta). Takie bakterie (nadal w obecności antybiotyku, inaczej tracą plazmid) możemy mnożyć, dzięki czemu mnożymy również plazmid do dalszej pracy.

 

 

Rys 5. „Nasz” gen nie będzie działał poprawnie w roślinie, jeżeli nie będzie miał odpowiedniego promotora. Dlatego do plazmidu wkejamy w taki sam sposób jak poprzednio promotor, najchętniej z rośliny, którą będziemy używać, najchętniej taki promotor, który daje instrukcję do aktywacji naszego genu w tkance która nas interesuje (liść, pyłek, korzeń, etc.). promotor wklejamy bezpośrednio przed genem. W tym momencie możemy zacząć się przygotowywać do produkcji transgenicznej rośliny. Wycinamy nasz gen z promotorem, tym razem enzymatycznymi nożyczkami, które nie tną na zakładkę (mamy tzw. tępe końce).

 

 

Rys. 6. Jedną z technologii wprowadzania genów do roślin jest działo genowe. Nasz fragment DNA jest wstrzeliwany do komórek roślinnych na cząsteczkach złota (brzmi lepiej niż wygląda). Jedna cząsteczka na miliony wmontowuje się do genomu rośliny, ale to zdecydowanie wystarczająco do naszych potrzeb. Biały kryształopodobny twór na obrazku to zlepek komórek roślinnych z hodowli tkankowej. W ten sposób można hodować niezróżnicowane i szybko dzielące się komórki roślinne. Po podaniu odpowiedniego hormonu, lub mieszanki hormonów z takiej bezkształtnej masy wyrasta cała roślina (w taki sposób m. in. otrzymuje się znaczną ilość ciętych kwiatów, wszystkie są klonami jednego idealnego egzemplarza, którego fragment liścia kosztuje tysiące dolarów). Po przeprowadzeniu całej procedury zostajemy z setkami roślin GMO, z których każda ma gen GFP wbudowany w losowe miejsce w jej genomie.