Genetické inženýrství

Prvním krokem při procesu genetického inženýrství je hledání a izolování genu, který má být přenesen do jiného organismu. V současné době většina genů přenášených do rostlin dodává odolnost proti hmyzu nebo herbicidům[16] a do zvířat se většinou přenáší geny pro růstový hormon.[17] Při izolaci genu lze gen zmnožit pomocí polymerázové řetězové reakce (PCR). Jestliže je známá sekvence DNA genu, ale nejsou dostupné žádné jeho kopie, lze ho vyrobit umělou syntézou. Po izolaci se gen vloží do bakteriálního plazmidu.

Aby gen, který má být dopraven do organismu, fungoval správně, je potřeba ho smísit s dalšími sekvencemi DNA. Výsledný konstrukt DNA většinou kromě genu obsahuje ještě promotor, terminátor a selekční marker. Konstrukty se vytvářejí pomocí rekombinantních DNA technologií.[18]

Častější způsob genetického inženýrství zahrnuje přenášení nových genů na náhodné místo v genomu hostitele. Existují ale i techniky umožňující přenášení na konkrétní místo v genomu nebo vytváření mutací na konkrétním lokusu. Této metodě se říká cílení genů.

A. tumefaciens přichycující se na buňku mrkve

Zhruba 1 % bakterií je schopné přirozeně přijmout cizí DNA, ale jiné lze k tomu navést.[19] Například vystavení bakterií tepelnému nebo elektrickému šoku může zapříčinit propustnost vůči DNA, která pak může existovat jako extrachromozomální DNA nebo se začlenit do jejich genomu. Do živočišných buněk se DNA může vnášet např. mikroinjekcí buď přes jadernou membránu přímo do buněčného jádra, nebo přes virální vektory. Do rostlin se většinou vnáší pomocí biolistiky nebo rekombinace zprostředkované bakteriemi rodu Agrobacterium.[20]

Protože se často transformuje pouze jedna buňka s genetickým materiálem, organismus se musí z této buňky regenerovat. Protože bakterie má jen jednu buňku, není u ní regenerace potřeba. V rostlinách se toho dosahuje pomocí rostlinných explantátů. Pokud je regenerace úspěšná, vznikne rostlina s transgenem v každé buňce. U zvířat je nutné zajistit, aby se nová DNA nacházela v kmenových buňkách. Potomci první generace budou vzhledem k novému genu heterozygotní a homozygotní jedinec vznikne až spářením dvou takovýchto jedinců.

V lékařství se genetické inženýrství využívá k hromadné produkci inzulinu, lidského růstového hormonu, urofollitropinu (pro léčbě neplodnosti), albuminu, monoklonálních protilátek, faktoru VIII, vakcín a mnoha dalších léků.[21] Při očkování je většinou do těla pacienta dopravena slabá, mrtvá nebo neaktivní populace viru nebo jeho toxiny.[22] Vyrábějí se geneticky modifikované viry, které vytvářejí imunitu, ale už neobsahují infekční sekvence DNA.[23]

Genetické inženýrství se využívá např. při tvorbě humanizovaných, původně myších monoklonálních protilátek. Přitom se sekvenuje DNA pro příslušný imunoglobulin a jeho variabilní část, která váže antigen, je spojena s DNA pro lidské řetězce IgG a užita ve dvou krocích k transformaci buněk myšího myelomu.[24]

Do buněk lze vložit i větší úseky DNA včetně regulačních sekvencí, například tzv. přenosem umělého lidského chromosomu. Transformací a následným klonováním embryí lze pak vytvořit třeba transgenní krávy, produkující lidské imunoglobuliny typu IgG 1. [25] Imunizací takových zvířat je možno následně získat až několik set gramů lidského polyklonálního imunoglobulinu měsíčně, např. pro léčbu virových infekcí.[26]

Genetické modifikace se také využívají pro simulaci lidských nemocí na zvířatech. Nejčastějšími zvířaty fungujícími jako modelové organismy jsou myši.[27] Studuje se na nich např. rakovina, obezita, srdeční choroby, cukrovka, artritida, zneužívání drog, úzkost, stárnutí a Parkinsonova nemoc.[28] Na těchto modelových zvířatech pak lze testovat potenciální léky. Existují i prasata geneticky modifikovaná za účelem zvýšení úspěšnosti transplantace zvířecích orgánů lidem.[29]

Genová terapie spočívá v nahrazování poškozených lidských genů fungujícími kopiemi. To lze provést např. v somatických tkáních nebo v tkáních zárodečných linií. Jestliže je gen vložen do tkáně zárodečné linie, může být předán do genomu potomků dané osoby.[30] Genová terapie se využívá pro léčení pacientů s imunodeficiencí a jsou testovány i způsoby léčby jiných genetických chorob.[31] Genová terapie se ale mimo smíšených výsledků[32] potýká i s etickými otázkami, jestli by se měla využívat nejen pro léčbu, ale i pro vylepšení a úpravy lidského vzhledu, inteligence nebo chování.[33] Někdy je také těžké rozlišit mezi léčbou a zdokonalováním.[34] Transhumanisté považují zdokonalování lidí pomocí genové terapie za žádoucí.

Knockoutované myši

Genetické modifikace jsou významné pro přírodovědce. Geny a další genetické informace z různých organismů se vnášejí do bakterií, které jsou jednoduché na pěstování, rychle se množí a v teplotách −80 °C je lze skladovat velmi dlouhou dobu. Poté, co je genom určený k sekvenční analýze rozštěpen na fragmenty restrikční endonukleázou, je uchován jako genomová knihovna (genová banka) v bakteriálních klonech transformovaných plasmidem nebo ve formě virových částic. Knihovna cDNA sestává z kódujících úseků DNA, syntetizovaných z příslušných mRNA pomocí reverzní transkriptázy.

Organismy jsou geneticky modifikované za účelem nalezení funkce jednotlivých genů. Zkoumá se např. vliv na fenotyp organismu nebo interakce s ostatními geny. Existuje několik druhů experimentů:

• Experimenty se ztrátou funkce (genový knockout) jsou experimenty, při kterých je organismus modifikovaný tak, aby některé jeho geny nefungovaly. Poté je možné analyzovat změny vyvolané touto mutací a určit tak roli daného genu. Toho se využívá např. ve vývojové biologii.
• Experimenty se získáním funkce jsou logickým protikladem knockoutů. Při procesu se namísto inaktivace genu posiluje jeho funkce např. dodáváním dalších kopií genu.
• Sledovací experimenty mají za cíl zjistil umístění a interakce dané bílkoviny. Toho lze docílit např. dodáním sledovací složky, jakou může být zelený fluorescenční protein (GFP). Manipulace s genem ale může narušit jeho funkci nebo způsobit vedlejší efekty.

Vkládáním genů do bakteriálních plazmidů lze vytvořit biologickou továrnu bílkovin a enzymů.[35] Některé geny v bakteriích nefungují správně, takže lze použít kvasinky.[36] Bakterie a kvasinky se využívají na výrobu inzulinu, lidského růstového hormonu, vakcín, tryptofanu, bílkovin pomáhajících při produkci jídla (např. renninu při výrobě sýrů) a paliv.[37] Probíhá také výzkum bakterií, které by mohly provádět úkoly jako odstraňování ropných skvrn a dalšího toxického odpadu.[38]

Bt-toxiny v listech podzemnice olejné (dole) ji chrání před poškozením larvou zavíječe kukuřičného (nahoře).[39]

Jednou z kontroverzních aplikací genetického inženýrství je výroba geneticky modifikovaných potravin. Existují tři generace geneticky modifikovaných plodin.[40] První generací jsou komercializované rostliny, které jsou odolné proti hmyzu a herbicidům. Ve vývoji jsou i plodiny odolné proti virům a plísním.[41][42]

Cílem druhé generace je zvýšení tolerance proti slanosti, chladu nebo suchu a zvýšení nutriční hodnoty plodin.[43] Třetí generací jsou plodiny obsahující vakcíny a jiné léky.[44] Existují i zemědělská zvířata, kterým byl dodán růstový hormon,[45] nebo byla modifikovaná tak, aby se v jejich mléku nalézala léčiva.[46][47][48]

Genetické modifikace zemědělských plodin mohou zvýšit tempo růstu a odolnost proti různým nemocem způsobených patogeny a parazity.[49] Tím lze omezit používání hnojiv a pesticidů a snížit tak škody způsobené chemickým znečištěním.[49]

Okolo geneticky modifikovaných potravin vyvstaly etické a bezpečnostní otázky.[50] Většina bezpečnostních záležitostí se týká vlivu geneticky modifikovaných potravin na zdraví člověka, a to zejména možnosti toxických nebo alergických reakcí.[51] Životního prostředí se týká vliv na prospěšný hmyz a biodiverzitu.[52] Etické problémy zahrnují náboženský pohled na takovéto potraviny, kontrola přísunu potravin společnostmi a otázka duševního vlastnictví.

Ve vědě o materiálech by se k výrobě ekologičtější lithium-iontové baterie mohl využívat geneticky modifikovaný virus.[53][54] Některé geneticky modifikované bakterie také např. dokáží vytvářet černobílé fotografie.[55] Genetické modifikace slouží také k vytváření bio umění[56] nebo modrých růží[57] a zářících ryb.[58] Spekuluje se také o možnosti využít genetické inženýrství pro znovuoživení vyhynulých druhů, v extrémním případě i organismů z minulých geologických dob (slavnou zápletkou tohoto druhu byl například děj románu a filmu Jurský park).[59][60]

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Genetic engineering na anglické Wikipedii.

• British Medical Association. The Impact of Genetic Modification on Agriculture, Food and Health. [s.l.]: BMJ Books, 1999. ISBN 0-7279-1431-6. (anglicky)Je zde použita šablona {{Cite book}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.
• Donnellan, Craig. Genetic Modification (Issues). [s.l.]: Independence Educational Publishers, 2004. ISBN 1-86168-288-3. (anglicky)Je zde použita šablona {{Cite book}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.
• Morgan, Sally. Superfoods: Genetic Modification of Foods (Science at the Edge). [s.l.]: Heinemann, 2003. ISBN 1-4034-4123-5. (anglicky)Je zde použita šablona {{Cite book}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.
• Smiley, Sophie. Genetic Modification: Study Guide (Exploring the Issues). [s.l.]: Independence Educational Publishers, 2005. ISBN 1-86168-307-3. (anglicky)Je zde použita šablona {{Cite book}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.
• Watson, James D. Recombinant DNA: Genes and Genomes: A Short Course. San Francisco: W.H. Freeman, 2007. ISBN 0-7167-2866-4. (anglicky)Je zde použita šablona {{Cite book}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.
• ZAID, A, H.G. Hughes, E. Porceddu, F. Nicholas. Glossary of Biotechnology for Food and Agriculture - A Revised and Augmented Edition of the Glossary of Biotechnology and Genetic Engineering. Available in English, French, Spanish, Arabic. Řím, Itálie: FAO, 2001. Dostupné online. ISBN 92-5-104683-2. (anglicky)Je zde použita šablona {{Cite book}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.

• Monsanto

• Obrázky, zvuky či videa k tématu genetické inženýrství na Wikimedia Commons
• (anglicky) Genetické inženýrství v programu In Our Time od BBC
• (anglicky) GMO Safety – Informace o výzkumu bezpečnosti geneticky modifikovaných rostlin
• (anglicky) Gentetické inženýrství – stránka pro studenty
• (anglicky) Úvod do genetického inženýrství
• (anglicky) European Food and Safety Authority
• (anglicky) GMO-compass, novinky o geneticky modifikovaných organismech