Przegląd

Naukowcy tworzą rekombinowane DNA, łącząc DNA z różnych źródeł – często innych gatunków – w laboratorium. Klonowanie DNA pozwala naukowcom badać określone geny poprzez wprowadzanie ich do łatwych do manipulowania komórek, takich jak bakterie. Organizmy zawierające rekombinowane DNA są znane jako organizmy modyfikowane genetycznie (GMO). Technologia rekombinacji DNA wytwarza organizmy z nowymi genami, które mogą przynieść korzyści nauce, medycynie i rolnictwu.

Jak naukowcy tworzą rekombinowane DNA?

Tworzenie rekombinowanego DNA polega na wprowadzeniu interesującego genu do wektora - nośnika, który przenosi obce DNA do komórek gospodarza w celu replikacji DNA i ekspresji białka. Najczęściej stosowanymi wektorami klonowania są plazmidy, małe okrągłe fragmenty DNA, które replikują się niezależnie od chromosomalnego DNA gospodarza.

Aby stworzyć rekombinowane DNA, zarówno DNA dawcy, w tym gen będący przedmiotem zainteresowania, jak i wektor są cięte w określonych sekwencjach nukleotydowych - zwanych miejscami restrykcyjnymi - za pomocą enzymów restrykcyjnych. Enzym ligaza DNA uszczelnia szkielet cukrowo-fosforanowy, w którym łączy się gen zainteresowania i plazmid.

Rezultatem jest rekombinowana cząsteczka DNA składająca się z wektora ze zintegrowanym fragmentem DNA dawcy - zwanym insertem. Naukowiec może następnie wprowadzić tę hybrydową cząsteczkę DNA do organizmu gospodarza – zazwyczaj bakterii lub drożdży – gdzie łatwo i szybko się replikuje. W ten sposób powstaje wiele kopii genu będącego przedmiotem zainteresowania, który jest niezbędny do badań naukowych i innych zastosowań. Gen może być również transkrybowany i tłumaczony na pożądane białko - takie jak insulina ludzka - przy użyciu maszynerii komórkowej gospodarza.

Tworzenie rekombinowanego DNA jest procesem niedoskonałym i często dochodzi do błędów. Na przykład wektor może zostać zamknięty bez wstawienia lub wstawienie może być niepoprawne (np. do tyłu). Przed użyciem rekombinowanego DNA do dalszych badań naukowcy muszą sprawdzić, czy nie ma błędów. Sekwencjonowanie nukleotydów może pomóc w identyfikacji kolonii bakterii, które przenoszą plazmidy z odpowiednią wkładką.

Naukowcy wykorzystują rekombinowane DNA do badania genów i białek

Technologia rekombinacji DNA jest szczególnie korzystna, gdy naukowiec potrzebuje wielu kopii interesującego go genu lub produktu białkowego. Jednak badania naukowca mogą wymagać dodatkowego poziomu złożoności, takiego jak wykrycie lub oczyszczenie pożądanego białka. Aby osiągnąć ten cel, badacz może dołączyć znacznik lub reporter – białka używane do identyfikacji produktu genu – do pożądanego białka, aby stworzyć gen fuzyjny lub gen chimeryczny.

Zastosowania w medycynie i rolnictwie

Naukowcy po raz pierwszy wykorzystali technologię rekombinacji DNA do produkcji ludzkiej insuliny u bakterii, co zaowocowało leczeniem cukrzycy. Od czasu tego początkowego odkrycia naukowcy stworzyli inne rekombinowane DNA do użytku terapeutycznego. Rekombinowane bakterie wytwarzają ludzki hormon wzrostu - białko niezbędne do prawidłowego wzrostu i rozwoju - w leczeniu pacjentów z niedoborem hormonu wzrostu. Rekombinowane komórki ssaków, pochodzące od ludzi i chomików, wytwarzają czynnik VIII - białko wymagane do prawidłowego krzepnięcia krwi - do leczenia pacjentów z hemofilią. Nie ulega wątpliwości, że technologia rekombinacji DNA jest potężnym narzędziem do produkcji niezbędnych białek na dużą skalę.

Postęp w rolnictwie w technologii rekombinacji DNA ma również wpływ na dobrostan człowieka. Na przykład rolnicy uprawiający kukurydzę ponieśli znaczne szkody w uprawach z powodu szkodnika, omacnicy prosowianki. W odpowiedzi naukowcy wyizolowali geny z bakterii żyjącej w glebie – Bacillus thuringiensis (Bt) – aby stworzyć genetycznie zmodyfikowaną, odporną na szkodniki kukurydzę. Bacillus thuringiensis naturalnie wytwarza białka, które są toksyczne dla niektórych owadów, ale nie dla ludzi, roślin lub innych zwierząt. Wprowadzenie odpornej na szkodniki kukurydzy Bt poprawiło plony i zmniejszyło stosowanie chemicznych pestycydów. Takie zastosowania w rolnictwie poprawiają jakość i ilość globalnego zaopatrzenia w żywność.