PIRMĀ SEMESTRA NOSLĒGUMA TESTI
DNS kods visos organismos ir universāls, tāpēc iespējams noteikt DNS fragmentu (gēnu) un pārnest no viena organisma uz citu.
Gēnu inženierija ir biotehnoloģijas metode, ar kuras palīdzību atrod un izolē nepieciešamo gēnu vienā organismā un ievieto cita organisma DNS molekulā, rezultātā iegūstot pārveidotu DNS molekulu.
Gēnu inženierijas metode pārvar dabiskās sugu ģenētiskās izolācijas robežas. Tā, piemēram, zivs gēnu, kas nosaka aukstumizturību, var ievadīt tomātā un padarīt to izturīgu pret zemākām gaisa temperatūrām.
Gēnu inženierijas pamats ir rekombinētās jeb pārveidotās DNS molekulas. Rekombinētā DNS molekula ir izveidota no divu dažādu organismu DNS fragmentiem.
Lai varētu iegūt rekombinētu DNS molekulu, vispirms ar konkrētu enzīmu (restriktāzi), sašķeļ abas DNS molekulas konkrētā vietā (ar noteiktu slāpekļa bāzu secību). Sašķeļot dažādu organismu DNS ar vienu un to pašu restriktāzi, iegūst savstarpēji saderīgus jeb komplementārus DNS galus. Tas nozīmē, ka tie var brīvi savienoties. Ja zivs un tomāta DNS šķeļ viena un tā pati restriktāze, abi DNS fragmenti var savienoties.
Mūsdienās no baktērijām ir izolēti vairāk nekā 3000 dažādu restriktāžu veidu. Katra no tām šķeļ DNS tikai noteiktā vietā, piemēram, restriktāze Eco RI vienmēr sašķeļ DNS dubultspirāli vietā, kur nukleotīdu secība ir AATT. Restriktāzēm lieto īpašus burtu un ciparu apzīmējumus, lai tās atpazītu.
Lai sašķeltās DNS varētu veiksmīgi savienoties, izmanto citu enzīmu – ligāzi. Lai pārvietotu vai ievietotu nepieciešamo gēnu no viena organisma otrā, ir nepieciešams gēnu pārnesējs – vektors. Tam tiek izmantotas baktērijas vai to sastāvdaļa plazmīda, kā arī vīrusi.
Baktērijām ir divu veidu iedzimtības informācija DNS: hromosomālais DNS, kas nav norobežots no citoplazmas ar kodolapvalku, un gredzenveida DNS – plazmīda. Šo plazmīdu ir iespējams izolēt no baktērijas šūnas, apstrādāt ar restriktāzi un ievietot cita organisma gēnu, atkal ievietojot baktērijā. Baktēriju spēju mitotiski dalīties nodrošina šīs pārveidotās jeb rekombinētās plazmīdas un tajā ietvertās iedzimtības informācijas nodošana meitšūnām. Baktērijas labvēlīgos apstākļos spēj dalīties ik pēc 30 minūtēm.
Gēnu inženierijā tiek izmantoti arī vīrusi kā vajadzīgā gēna pārnesēji. Vīrusi spēj inficēt saimniekšūnas, pateicoties to olbaltumvielu apvalka proteīniem. Pēc pievienošanās tie ievada saimniekšūnās savas nukleīnskābes, lai vairotos. Gēnu inženierijas procesā vīrusa gēni, kas izraisa organisma saslimšanu, tiek aizstāti ar citu interesējošo gēnu. Pārējais vīrusa genoms nemainās. Rekombinētais vīruss iekļūst saimniekšūnā, pateicoties spējai pievienoties šūnai, un ievada tajā vajadzīgo gēnu. Tā kā pārējais genoms nav mainīts, ir saglabājusies vīrusa spēja, izmantojot saimniekšūnas aminoskābes, reproducēt jeb pavairot ienesto gēnu un iekļaut to saimniekšūnas DNS.
Gēnu inženierijas piemērs apskatīts zemāk esošajā attēlā:
Gēnu inženierijas procesa soļi:
1. No baktērijas (vai vīrusa) izolē gēnu pārnesēju, šajā gadījumā plazmīdu.
2. Gēnu pārnesēju apstrādā ar restriktāzi.
3. No organisma šūnas (šajā gadījumā cilvēka šūnas) izolē DNS.
4. Izolēto DNS apstrādā ar restriktāzi, lai iegūtu nepieciešamo gēnu.
5. Izolētais nepieciešamais gēns tiek ievietots apstrādātajā gēnu pārnesējā un "salīmēts" ar ligāzes palīdzību.
6. Gēnu pārnesējs ar nepieciešamo gēnu tiek ievietots (ievadīts) organismā, šajā gadījumā – baktērijā.
7. Organisms, kas satur rekombinētu DNS, vairojas un pavairo nepieciešamo gēnu.
8. Var ievietot rekombinētos mikroorganismus bioreaktorā (ierīce, kurā tiek nodrošināti labvēlīgi apstākļi), un tie ražos bioloģiski aktīvās vielas utml.
Svarīgi!
Gēnu inženierijas metodes izmanto, lai iegūtu ģenētiski modificētus organismus (ĢMO): dzīvniekus un augus, kam piemīt vēlamās īpašības, vai mikroorganismus, kas ražo nepieciešamās vielas, piemēram, medicīniskos preparātus, uztura bagātinātājus u.c. Gēnu inženierijas metodes izmanto arī gēnu terapijā, lai ārstētu cilvēka iedzimtās slimības vai atvieglotu to gaitu.
Pirmo reizi cilvēka gēns baktērijā tika ievadīts 1980. gadā. Amerikāņu ģenētiķis Arturs Rigss (Arthur Riggs, 1939-2022) ievadīja insulīna gēnu zarnu nūjiņas (Esherichia coli) šūnā. Jau pēc diviem gadiem insulīns, kas izstrādāts ar gēnu inženierijas metodi, bija pieejams diabēta slimniekiem. Atšķirībā no sākotnēji ražotā insulīna, ko ieguva no liellopu un cūku aizkuņģa dziedzera sekrēta (lai iegūtu insulīna devu 0,1g vajadzēja 100 dzīvnieku aizkuņģa dziedzeru), šim medikamentam nebija alerģiskas reakcijas un citu blakņu.
Ir arī neveiksmīgi gēnu inženierijas piemēri. 1989. gadā ASV pāršalca t. s. triptofāna skandāls. Tūkstošiem cilvēku, kuri bija lietojuši ar gēnu inženierijas metodi iegūtu pārtikas piedevu, kas saturēja triptofānu, smagi saslima ar miaļģiju (muskuļu sāpēm) un eozinofīliju (augsts eozinofīlo leikocītu skaits asinīs). 37 cilvēki nomira, bet tūkstošiem kļuva invalīdi uz mūžu. Uzskata, ka baktērija, kurā bija ievietots cilvēka triptofāna gēns, genoma pārmaiņu dēļ sintezēja arī ļoti toksiskus blakusproduktus.
Piemērs:
Pētot zarnu nūjiņas (E.coli) genomu, 1987. gadā uzmanības lokā nonāca interesantu sekvenču (nukleotīdu izkārtojums) kopums, kur vienā virknē vienuviet atkārtojās noteikti garāki un īsāki elementi, kurus dēvēja par palindromiem un starpsekvencēm, un saīsināti nosauca par CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats). Būtisks elements ir proteīns Cas9, kas šķeļ "šūnai svešās" (piemēram, vīrusa) DNS vietā, kuru norāda baktērijas sekvences kodēti RNS fragmenti.
Pēc nepilniem desmit gadiem tika izteikta hipotēze, ka šīs sekvences ļauj baktērijām aizstāvēties pret nevēlamiem DNS saturošiem objektiem, piemēram, vīrusiem jeb bakteriofāgiem. 2007. gadā tika eksperimentāli pierādīts, ka šīs sekvences nosaka jogurta baktēriju izturību pret bakteriofāgiem. Baktērijas, pateicoties šīm sekvencēm jeb CRISPR, atpazina vīrusus un atvairīja to uzbrukumus. Nedaudz vēlāk tika pierādīts, ka CRISPR sistēmu var pārcelt no vienas baktērijas uz citu un tā darbojas identiski.
Kopš tā laika CRISPR/Cas9 var tikt izmantots jebkurā organismā, lai šķeltu DNS atbilstoši starpsekvencē norādītajai informācijai. Viens no šīs metodes pielietojumiem ir genomu rediģēšana, piemēram, bojāto vai defektīvo gēnu izgriešana. Tehniski tam ir nepieciešami tikai divi komponenti: jau minētais proteīns un speciāli veidota DNS, kas kodē attiecīgo RNS fragmentu, kurš darbosies kā gids, DNS šķeļošo proteīnu nogādājot vietā, kur jāveic iegriezums.
Šo gēnu rediģēšanas metodi arī sauc par CRISPR/Cas9 sistēmu. Pēc tam, kad 2013. gadā ar šīs metodes palīdzību tika veiksmīgi rediģēts peles un pēc tam arī cilvēka šūnu genoms, šī metode kļuva arvien populārāka. Šī gēnu modificēšanas metode ir vienkāršāka un lētāka, kā arī tās pielietošana paver daudz iespēju medicīnā un zinātnē.