Was sind GVO und wie entstehen sie?

Was ist ein GVO?

GMO steht für "genetisch veränderte Organismen". Genetische Modifizierung gibt es schon seit Jahrzehnten und ist der effektivste und schnellste Weg, um eine Pflanze oder ein Tier mit einem bestimmten Merkmal oder Merkmal zu schaffen. Es ermöglicht präzise spezifische Änderungen der DNA-Sequenz. Da DNA im Wesentlichen die Blaupause für den gesamten Organismus umfasst, verändern Veränderungen an der DNA die Funktionen, zu denen der Organismus fähig ist.

Es gibt wirklich keine andere Möglichkeit, dies zu tun, als die Techniken zu verwenden, die in den letzten 40 Jahren entwickelt wurden, um die DNA direkt zu manipulieren.

Wie verändert man einen Organismus genetisch? Eigentlich ist das eine ziemlich weite Frage. Ein Organismus kann eine Pflanze, ein Tier, ein Pilz oder ein Bakterium sein, und all dies kann und wird seit fast 40 Jahren gentechnisch verändert. Die ersten gentechnisch veränderten Organismen waren Anfang der 70er Jahre Bakterien. Seitdem sind gentechnisch veränderte Bakterien zum Arbeitspferd von Hunderttausenden von Laboren geworden, die genetische Veränderungen an Pflanzen und Tieren vornehmen. Die meisten der grundlegenden Gen-Shufflings und Modifikationen werden unter Verwendung von Bakterien, hauptsächlich einer Variation von E. coli, entworfen und hergestellt und dann auf Zielorganismen übertragen.

Der allgemeine Ansatz zur genetischen Veränderung von Pflanzen, Tieren oder Mikroben ist konzeptionell ziemlich ähnlich. Es gibt jedoch einige Unterschiede in den spezifischen Techniken aufgrund allgemeiner Unterschiede zwischen Pflanzen- und Tierzellen.

Zum Beispiel haben Pflanzenzellen Zellwände und tierische Zellen nicht.

Gründe für gentechnische Veränderungen von Pflanzen und Tieren

Gentechnisch veränderte Tiere werden primär zu Forschungszwecken hergestellt, oft als biologische Modellsysteme für die Entwicklung von Medikamenten. Es wurden einige genetisch veränderte Tiere für andere kommerzielle Zwecke entwickelt, wie fluoreszierende Fische als Haustiere und GM-Mücken, um bei der Bekämpfung von krankheitsübertragenden Moskitos zu helfen.

Diese sind jedoch außerhalb der biologischen Grundlagenforschung relativ begrenzt anwendbar. Bisher wurden keine gentechnisch veränderten Tiere als Nahrungsquelle zugelassen. Doch bald kann sich das mit dem AquaAdvantage Salmon ändern, der seinen Weg durch den Zulassungsprozess findet.

Bei Pflanzen ist die Situation jedoch anders. Während viele Pflanzen für die Forschung modifiziert werden, ist es das Ziel der meisten gentechnischen Veränderungen, einen Pflanzenstamm zu erzeugen, der kommerziell oder sozial vorteilhaft ist. Zum Beispiel können die Erträge erhöht werden, wenn Pflanzen mit einer verbesserten Resistenz gegenüber einem krankheitsverursachenden Schädling wie der Regenbogenpapaya oder der Fähigkeit, in einer unwirtlichen, vielleicht kälteren Region zu wachsen, konstruiert werden. Früchte, die länger reif sind, wie Endless Summer Tomatoes, bieten mehr Zeit für die Haltbarkeit nach der Ernte. Auch Eigenschaften, die den Nährwert erhöhen, wie zum Beispiel Goldener Reis, der so gestaltet ist, dass er reich an Vitamin A ist, oder die Nützlichkeit der Frucht, wie nicht-bräunende Arktische Äpfel, wurden ebenfalls hergestellt.

Im Wesentlichen kann jedes Merkmal eingeführt werden, das mit der Hinzufügung oder Hemmung eines spezifischen Gens manifestiert werden kann. Merkmale, die mehrere Gene erfordern, könnten ebenfalls verwaltet werden, aber dies erfordert einen komplizierteren Prozess, der mit kommerziellen Feldfrüchten noch nicht erreicht wurde.

Was ist ein Gen?

Bevor wir erklären, wie neue Gene in Organismen eingebracht werden, ist es wichtig zu verstehen, was ein Gen ist. Wie viele wahrscheinlich wissen, bestehen Gene aus DNA, die zum Teil aus vier Basen besteht, die üblicherweise einfach als A, T, C, G bezeichnet werden. Die lineare Reihenfolge dieser Basen in einer Reihe entlang eines DNA-Strangs eines Gens kann als ein Code für ein bestimmtes Protein, so wie Buchstaben in einer Textzeile einen Satz codieren.

Proteine ​​sind große biologische Moleküle aus Aminosäuren, die in verschiedenen Kombinationen miteinander verknüpft sind. Wenn die richtige Kombination von Aminosäuren miteinander verknüpft ist, faltet sich die Aminosäurekette zu einem Protein mit einer spezifischen Form und den richtigen chemischen Eigenschaften zusammen, um es in die Lage zu versetzen, eine bestimmte Funktion oder Reaktion auszuführen. Lebewesen bestehen größtenteils aus Proteinen. Einige Proteine ​​sind Enzyme, die chemische Reaktionen katalysieren; andere transportieren Material in die Zellen und einige wirken als Schalter, die andere Proteine ​​oder Proteinkaskaden aktivieren oder deaktivieren.

Wenn also ein neues Gen eingeführt wird, gibt es der Zelle die Codesequenz, damit es ein neues Protein herstellen kann.

Wie organisieren Zellen ihre Gene?

In Pflanzen und Tierzellen ist fast die gesamte DNA in mehreren langen Strängen angeordnet, die in Chromosomen aufgewickelt sind. Die Gene sind eigentlich nur kleine Abschnitte der langen DNA-Sequenz, die ein Chromosom bilden. Jedes Mal, wenn sich eine Zelle repliziert, werden alle Chromosomen zuerst repliziert. Dies ist der zentrale Satz von Anweisungen für die Zelle, und jede Nachkommenzelle erhält eine Kopie. Um ein neues Gen einzuführen, das es der Zelle ermöglicht, ein neues Protein herzustellen, das eine bestimmte Eigenschaft verleiht, muss man einfach ein Stück DNA in einen der langen Chromosomenstränge einfügen. Einmal eingefügt, wird die DNA an alle Tochterzellen weitergegeben, wenn sie sich wie alle anderen Gene replizieren.

In der Tat können bestimmte Arten von DNA in Zellen getrennt von den Chromosomen gehalten werden, und Gene können unter Verwendung dieser Strukturen eingeführt werden, so dass sie sich nicht in die chromosomale DNA integrieren. Da jedoch die chromosomale DNA der Zelle verändert wird, bleibt diese Vorgehensweise nach mehreren Replikationen in der Regel nicht in allen Zellen erhalten. Für permanente und vererbbare gentechnische Veränderungen, wie z. B. die für den Pflanzenbau verwendeten Verfahren, werden chromosomale Modifikationen verwendet.

Wie wird ein neues Gen eingefügt?

Gentechnik bezieht sich einfach auf das Einfügen einer neuen DNA-Basensequenz (die normalerweise einem ganzen Gen entspricht) in die chromosomale DNA des Organismus. Das mag konzeptionell einfach erscheinen, technisch wird es aber etwas komplizierter. Es gibt viele technische Details, um die richtige DNA-Sequenz mit den richtigen Signalen im richtigen Kontext in das Chromosom zu bringen. Dadurch können die Zellen erkennen, dass es sich um ein Gen handelt, und es nutzen, um ein neues Protein herzustellen.

Es gibt vier Schlüsselelemente, die fast allen gentechnischen Verfahren gemeinsam sind:

1. Zunächst benötigen Sie ein Gen. Das bedeutet, dass Sie das physikalische DNA-Molekül mit den jeweiligen Basensequenzen benötigen. Traditionell wurden diese Sequenzen direkt aus einem Organismus unter Verwendung einer von mehreren arbeitsintensiven Techniken erhalten. Heutzutage synthetisieren die Wissenschaftler, anstatt die DNA aus einem Organismus zu extrahieren, typischerweise nur aus den grundlegenden A-, T-, C-, G-Chemikalien. Sobald sie erhalten ist, kann die Sequenz in ein Stück bakterieller DNA eingefügt werden, das wie ein kleines Chromosom (ein Plasmid) ist, und da Bakterien sich schnell replizieren, kann so viel wie nötig des Gens hergestellt werden.
2. Sobald Sie das Gen haben, müssen Sie es in einen DNA-Strang legen, der mit der richtigen umgebenden DNA-Sequenz umgeben ist, damit die Zelle es erkennen und ausdrücken kann. Im Prinzip bedeutet dies, dass Sie eine kleine DNA-Sequenz benötigen, die als Promotor bezeichnet wird und der Zelle signalisiert, das Gen zu exprimieren.
3. Zusätzlich zu dem Hauptgen, das eingefügt werden soll, wird oft ein zweites Gen benötigt, um einen Marker oder eine Selektion bereitzustellen. Dieses zweite Gen ist im Wesentlichen ein Werkzeug zur Identifizierung der Zellen, die das Gen enthalten.
4. Schließlich ist es notwendig, ein Verfahren zur Abgabe der neuen DNA (d.h. Promotor, neues Gen und Selektionsmarker) in die Zellen des Organismus zu haben. Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, dies zu tun. Für Pflanzen ist mein Favorit der Gen-Gun-Ansatz, der ein modifiziertes 22-Gewehr verwendet, um DNA-beschichtete Wolfram- oder Goldpartikel in Zellen zu schießen.

Bei tierischen Zellen gibt es eine Reihe von Transfektionsreagenzien, die die DNA beschichten oder komplexieren und sie durch die Zellmembranen passieren lassen. Es ist auch üblich, dass die DNA zusammen mit modifizierter viraler DNA gespleißt wird, die als ein Genvektor verwendet werden kann, um das Gen in die Zellen zu tragen. Die modifizierte virale DNA kann mit normalen viralen Proteinen verkapselt werden, um ein Pseudovirus herzustellen, das Zellen infizieren und die DNA, die das Gen trägt, inserieren kann, aber nicht replizieren kann, um ein neues Virus herzustellen.

Für viele zweikeimblättrige Pflanzen kann das Gen in eine modifizierte Variante des T-DNA-Trägers der Agrobacterium tumefaciens-Bakterien eingebracht werden. Es gibt noch ein paar andere Ansätze. Bei den meisten jedoch nimmt nur eine kleine Anzahl von Zellen das Gen auf, was die Auswahl der gentechnisch veränderten Zellen zu einem kritischen Teil dieses Prozesses macht. Aus diesem Grund ist typischerweise ein Selektions- oder Markergen erforderlich.

Aber wie macht man eine gentechnisch veränderte Maus oder Tomate?

Ein GVO ist ein Organismus mit Millionen von Zellen und die obige Technik beschreibt nur wirklich, wie einzelne Zellen gentechnisch verändert werden können. Der Prozess zur Erzeugung eines ganzen Organismus beinhaltet jedoch im Wesentlichen die Verwendung dieser gentechnischen Techniken an Keimzellen (d.h. Spermien und Eizellen). Sobald das Schlüsselgen eingeführt ist, verwendet der Rest des Prozesses grundsätzlich genetische Züchtungsverfahren, um Pflanzen oder Tiere zu produzieren, die das neue Gen in allen Zellen in ihrem Körper enthalten. Gentechnik wird wirklich nur mit Zellen gemacht. Die Biologie erledigt den Rest.