Kod grupy: 1, 2, 4, 5, 6, 7

Transkrypt

1 Biotechnologia

2 Kod grupy: 1, 2, 4, 5, 6, 7

3 1, 2, 4, 5, 6, 7 Genetyka jako narzędzie Biotechnologia zielona rolnictwo czerwona farmacja i medycyna biała - przemysł Antropologia molekularna i archeologia Medycyna Ochrona przyrody Bioetyka - zagadnienia etyczne związane ze wszystkimi zastosowaniami biologii

4 1, 2, 4, 5, 6, 7 GMO? Modyfikacja informacji genetycznej w genomach roślin, zwierząt i mikroorganizmów Kierowana przez człowieka dla uzyskania przydatnych dla niego cech! Taka definicja obejmuje modyfikacje, które człowiek wprowadzał do genomów roślin i zwierząt od zarania cywilizacji rolniczej Zmieniają się metody modyfikowania genomów

5 1, 2, 4, 5, 6, 7 GMO Ogromna większość wykorzystywanych gospodarczo odmian to organizmy modyfikowane genetycznie, znacząco różniące się od dzikich

6 1, 2, 4, 5, 6, 7 Kiedy? Udomowianie zwierząt jeszcze w społecznościach zbierackołowieckich początki udomowienia psowatych ~ lat temu, pies domowy ~ lat temu! Udomowienie roślin - początki rolnictwa (~ lat temu)

7 1, 2, 4, 5, 6, 7

8 1, 2, 4, 5, 6, 7 Początki udomowiania Decydowały właściwości rodzimych gatunków

9 1, 2, 4, 5, 6, 7 Początki udomowiania Decydowały właściwości rodzimych gatunków

10 1, 2, 4, 5, 6, 7 Jak tego dokonano? Udomowienie gatunków dzikich Selekcja korzystnych cech inżynieria ewolucyjna Dalsze udoskonalanie metod zwiększanie repertuaru naturalnej zmienności udoskonalanie selekcji zmiany ukierunkowane na poziomie DNA

11 1, 2, 4, 5, 6, 7 Dobór sztuczny Brassica oleracea var. silvestris (brzoskiew) Brassica oleracea odmiany uprawne Stopniowe zmiany kierowane przez selekcję mogą dać spektakularne efekty

12 Dobór sztuczny 1, 2, 4, 5, 6, 7

13 1, 2, 4, 5, 6, 7

14 1, 2, 4, 5, 6, 7 Dobór sztuczny Stopniowe zmiany kierowane przez selekcję mogą dać spektakularne efekty

15 Przykłady 1, 2, 4, 5, 6, 7

16 Przykłady 1, 2, 4, 5, 6, 7

17 1, 2, 4, 5, 6, 7 Krowy rasy Belgian Blue uzyskane w wyniku chowu wsobnego od XIX w. do lat 50. XX w. mutacja w genie miostatyny (białko hamujące rozwój mięśni)

18 Jakie zmiany genetyczne? 1, 2, 4, 5, 6, 7

19 W przypadku kukurydzy 1, 2, 4, 5, 6, 7

20 1, 2, 4, 5, 6, 7 W przypadku kukurydzy Mutacje, które doprowadziły do przemiany teosinte w kukurydzę zaszły w 5 obszarach genomu (genach?)

21 Historia kukurydzy 1, 2, 4, 5, 6, 7

22 Historia kukurydzy 1, 2, 4, 5, 6, 7

23 Jakie zmiany genetyczne? 1, 2, 4, 5, 6, 7

24 Zmiany genetyczne 1, 2, 4, 5, 6, 7

25 1, 2, 4, 5, 6, 7 Jakie zmiany? W przypadku psów zmiany genetyczne dotyczą wielu (kilkudziesięciu) genów, odpowiadających za cechy morfologiczne i behawioralne

26 Gen HAS2 i pomarszczona skóra Shar-Pei 1, 2, 4, 5, 6, 7 Akey J M et al. PNAS 2010;107:

27 1, 2, 4, 5, 6, 7 Zmiany genetyczne Dopiero od niedawna genetyka dysponuje narzędziami pozwalającymi na identyfikację zmian, które człowiek przez tysiące lat wprowadzał do genomów roślin i zwierząt! Zmian takich nie da się przewidzieć ani zaplanować???

28 1, 2, 4, 5, 6, 7 Efekty uboczne Selekcja jednej cechy może doprowadzić do zmian innych cech Eksperyment Biełajewa - lisy selekcja osobników łagodnych efekty uboczne: zmany morfologii, fizjologii, barwy futra

29 1, 2, 4, 5, 6, 7 Efekty uboczne Udomowienie często wiąże się z utratą cech korzystnych dla organizmów żyjących dziko zboża - nasiona nie wysypują się same z kłosów! U wielu udomowionych zwierząt słabiej rozwinięte zmysły i mniejszy mózg np. świnia - osłabiony zmysł smaku pstrąg tęczowy - mniejszy mózg

30 1, 2, 4, 5, 6, 7 Rozwój technik modyfikacji Zwiększenie repertuaru zmienności Hybrydy międzygatunkowe Mutageneza chemiczna i fizyczna Ukierunkowane zmiany w DNA ( inżynieria genetyczna )

31 1, 2, 4, 5, 6, 7 Hybrydy Krzyżowanie organizmów należących do różnych gatunków Rzadko daje dobre efekty u zwierząt, ale powszechnie stosowane u roślin często wiąże się ze zmianami liczby chromosomów Przełamywanie bariery reprodukcyjnej - hybrydyzacja somatyczna

32 1, 2, 4, 5, 6, 7 Pszenica samopsza Wielokrotne hybrydyzacje różnych gatunków traw Współczesne odmiany heksaploidalne (3 x 2 zestawy płaskurka chromosomów) lub tetraploidalne (2 x 2 zestawy chromosomów) - odm. durum

33 1, 2, 4, 5, 6, 7 Nieprzewidywalność hybrydyzacji Raphanobrassica - hybryda kapusty i rzodkwi

34 1, 2, 4, 5, 6, 7 Mutageneza Działanie mutagenami chemicznymi lub promieniowaniem Następnie selekcja pożądanych cech przez dalsze krzyżówki Zgodnie z prawem odmiany uzyskane przez losową mutagenezę nie są GMO i nie podlegają ograniczeniom

35 1, 2, 4, 5, 6, 7 Mutageneza L. J. Stadler (1928) - jęczmień, kukurydza Obecnie - liczne odmiany uprawne jęczmień Golden Promise (1965) ryż Calrose 76 grejpfrut Star Ruby pszenica durum odmiana Creso

36 To nie GMO! 1, 2, 4, 5, 6, 7

37 Mutageneza

38 Rekombinacja DNA in vitro Pierwsza technika pozwalająca zaplanować zmiany w genomie modyfikowanego organizmu Ograniczona do pojedynczych genów (lub grup kilku genów) Dostępna dla szerokiej gamy organizmów mikroorganizmy rośliny zwierzęta

39 Rekombinacja DNA in vitro Pierwsze i wciąż najważniejsze zastosowanie - metoda badawcza!!! Praktycznie całą wiedzę o biologii molekularnej Eukaryota (i znaczną część całej biologii molekularnej) zdobyto wykorzystując techniki rekombinacji DNA in vitro

40 Rośliny GMO Transgeny wprowadzane dla: zmiany własności użytkowych (np. odżywczych) zwiększenia odporności na warunki środowiska (chłód, suszę, zanieczyszczenia) nadania odporności na środki ochrony roślin nadania odporności na szkodniki

41 Złoty ryż Ryż GMO ze zwiększoną zawartością prowitaminy A Ryż syntetyzuje β-karoten w częściach zielonych, ale nie w nasionach brak 2 enzymów (trzeci potrzebny do zwiększenia wydajności

42 Złoty ryż I generacja (1999) transgeny bakteryjne 6 μg/g β-karotenu II generacja (2005) transgeny roślinne (kukurydza i ryż) 31 μg/g β-karotenu g wystarczy by pokryć dzienne zapotrzebowania na witaminę A Większość krytyk dotyczy I generacji

43 Złoty ryż W krajach rozwiniętych sprzedaż (własności antyoksydacyjne) W krajach rozwijających się pomoc humanitarna

44 Kukurydza Starlink Gen Bt z Bacillus thuringensis Białko toksyczne dla owadów (omacnica prosowianka) W USA dopuszczona do uprawy dla celów przemysłowych i na pasze sprawa Taco Bell wpływ na zdrowie wpływ na bioróżnorodność owadów

45 Badania nad kukurydzą Bt W laboratorium 40% spadek przeżywalności larw motyla monarcha W badaniach terenowych brak wpływu

46 Rośliny oporne na herbicydy Niejednoznaczne wynki badań na skalę gospodarstwa Ważniejsze kwestie ekonomiczne i społeczne B. Mepham, Bioetyka, PWN 2008

47 GMO na świecie USA (2003) 81% soi; 40% kukurydzy; 84% rzepaku USA, Kanada, Argentyna, Chiny, > 90% areału GMO na świecie Europa niewielki wzrost, dyskusje

48 Kwestie sporne Bezpieczeństwo konsumentów brak jednoznacznych wyników wskazujących szkodliwość Na kim spoczywa ciężar dowodu Bezpieczeństwo środowiska i bioróżnorodność wyniki na skalę gospodarstwa niejednoznaczne Ekonomia sprzeczne raporty, zależy od specyfiki kraju Etyka czy rośliny mają godność? Konstytucja Szwajcarii: Die Würde der Kreatur

49 Nie chcemy jeść genów Eurobarometr 2005

50 Neoluddyzm Luddyci w XIX wieku walczyli z rewolucją przemysłową Współcześni naśladowcy walczą z GMO klonowaniem wykorzystywaniem komórek macierzystych nauczaniem o ewolucji telefonami komórkowymi...

51 Kwestia naturalności Tendencja do utożsamiania naturalnego z dobrym, zdrowym Przeciwstawianie kultury i cywilizacji naturze Na ile uzasadnione?

52 Co jest naturalne dla człowieka? Natura dla ewolucjonisty to ukształtowana przez ewolucję nisza ekologiczna gatunku - jego swoisty sposób na przetrwanie, odróżniający go od innych! Swoistą właściwością człowieka jest tworzenie cywilizacji - przekształcanie środowiska (Homo faber)! Kultura jest naturą naszego gatunku - nie ma konfliktu

53 Biologia systemów - wyzwanie Przejście od opisu genów (i ich produktów) do opisu działania całych systemów - genomów i komórek

54 A w biotechnologii? Współczesna biotechnologia molekularna bardzo sprawnie manipuluje pojedynczymi genami ekspresja heterologiczna transgeneza roślin! A co z bardziej złożonymi, wieloczynnikowymi cechami?

55 Biologia syntetyczna Współczesna inżynieria genetyczna ograniczona jest do prostych systemów, gdzie za pożądaną funkcję odpowiada jeden lub kilka genów!! Biologia syntetyczna - projektowanie nowych systemowych właściwości ogranizmów żywych

56 Podejścia biologii syntetycznej od góry (top-down) - głęboka modyfikacja istniejących systemów minimalne genomy syntetyczne genomy przeprojektowane genomy! Przykład - ortogonalny kod genetyczny

57 Inżynieria kodu genetycznego Zmiana kodonu stop na sensowny (może kodować niestandardowy aminokwas) Davis, L., and Chin, J.W. (2012). Nat Rev Mol Cell Biol 13, ! Wprowadzenie równoległego kodu, np. czwórkowego, kodującego niestandradowe aminokwasy Lajoie et al., 2013, Science 342:

58 Podejście od dołu (bottom-up) Repertuar elementów i podstawowych obwodów Matematyczny model elementów Projektowanie i składanie systemów z elementów (cegiełek)

59 Metafora obwodu

60 Przykład - prosty obwód zegara

61 What I cannot build I cannot understand Richard Feynman