Ingineria genetic

Ingineria geneticProfesor ndrumtor: Ene Stelic

Colegiul Naional Nicolae Grigorescu, Cmpina17 noiembrie 2014Proiect realizat de : Neagu Elena-Ruxandra, clasa a XII-a B

Cuprins

Genomul umanClonareaCelulele stemProbleme legate de eticPlante modificate geneticFilme celebre ce abordeaz tema geneticiiBibliografie

Genomul Uman

Caracterul unui om se formeaz n generaii i se transmite genetic. (Platon)

Pentru a nelege corect semnificaia noiunii de genomeste necesar rememorarea ctorva elemente fundamentale ale geneticii umane. Ipoteza existenei genelor (factori ereditari), formulat de Gregor Mendel (1865), a fost confirmat la nceputul secolului XX, cnd Thomas Hunt Morgan i ali geneticieni au stabilit cgenele sunt segmente din cromozomi cu rol n determinarea unui anumit caracter fenotipic. Ulterior, s-a demonstrat experimental cgenele sunt alctuite din ADNi cdein informaia ereditar,care determin sinteza unor molecule funcionale de ARN i/sau proteine, utilizate pentru realizarea caracterelor morfologice i funcionale ale organismului. n 1953, James Watson i Francis Crick au propus cunoscutul model al moleculei de ADN, alctuit din dou catene polinucleotidice nfurate ntr-o dubl spiral. Fiecare caten este format prin polimerizarea a patru tipuri de dezoxiribonucleotide, ce conin baze azotate purinice adenina (A) i guanina (G) i pirimidinice: timina (T) i citozina (C). Cele dou catene sunt legate prin bazele azotate, n mod complementar: o baz purinic cu o baz pirimidinic i ntotdeauna AT i GC. Gena nceteaz s mai fie o entitate misterioas, iar ADN devine nu numai esena geneticii (Sfntul Graal), ci i un veritabil simbol al vieii.

Informaia ereditarconinut n genele din ADN este reprezentat desecvena sau succesiunea nucleotidelor. Aceast informaie este codificat i, ncodul genetic,un grup de trei nucleotide adiacente (triplet sau codon) semnific un anumit aminoacid din structura proteinei (de exemplu, CGA arginina). Procesul de sintez proteic presupune o prim etap detranscripien care informaia din ADN este copiat (n acelai limbaj al acizilor nucleici) n ARN mesager (ARNm) i apoi secvena de codoni a ARNm este decodificat(translaie)ntr-o secven de aminoacizi, specific unui polipeptid.

n genetica molecular, pringenomse nelege astziansamblul informaiei ereditare din moleculele de ADN ale unei celule/organism, situat n marea ei majoritate (99,5%) n cromozomii1din nucleu, dar i n mitocondrii (0,5%); exist deciun genom nuclear, mare i complex, iun genom mitocondrial, mic i simplu (secveniat n 1981). Uzual, termenul degenom umanse folosete cu precdere pentru ADN cromozomial din nucleu, deosebindu-se ungenom diploid(caracteristic celor 46 de cromozomi din nucleul celulelor somatice) iun genom haploid(corespunztor celor 23 de cromozomi din gamei). Cunotinele despre genomul uman au depins de-a lungul timpului de metodele disponibile ntr-o anumit perioad. Descoperireatehnologiei ADN recombinant(prezentat ntr-un articol anterior) bazat pe secionarea ADN cu enzime de restricie, amplificarea (prin clonare celular sau acelular PCR), secvenierea i hibridizarea ADN a marcat nceputul unei perioade revoluionare n genetic i medicin. n 1980, a aprut ideea secvenierii ntregului genom uman,care treptat a nceput s prind contur, sub forma Proiectului Genomul Uman(PGU), probabil cel mai amplu i mai scump proiect de cercetare biomedical internaional.Lansat n 1990, pentru o durat de 15 ani, PGU a avut ca obiective principale determinarea secvenei nucleotidice complete a ADN nuclear (dintr-un set haploid de 22 autozomi, plus X i Y numit i genom de referin)i identificarea, localizarea i analiza funciei genelor ce alctuiesc genomul uman. n esen, se spera c prin cunoaterea aprofundat a anatomiei i fiziologiei genomului uman (denumit metaforiccartea vieii)se vor putea afla multe date importante pentru biologie, n general, i pentru medicin, n special. Ca i alte proiecte celebre (un om n spaiu sau oameni pe Lun), care au reprezentat o extraordinar victorie a spiritului de cunoatere i a inteligenei umane, genernd numeroase descoperiri tiinifice care au marcat definitiv umanitatea, PGU a produs o explozie de tehnici performante i nceputul unor mari descoperiri medicale. n ultimii zece ani s-au implementat: hibridizarea simultan (paralel) multipl cu mii de sonde oligonucleotidice diferite imobilizate pe microreele (cip ADN), tehnicile de secveniere a ADN de generaia doua i a treia, analiza expresiei genelor, inclusiv prin tehnici demanipulare genetic(inactivarea selectiv a unor gene). Randamentul crescut i costurile mai mici ale noilor metode de analiz genomic au permis studiulgenomurilor personale (diploide)la persoane sntoase sau bolnave (mai ales n diferite tipuri de cancere) i lansarea unor noi proiecte de studiu al funciei i variaiilor genomului uman. Viitorul genomicii umanea fost definit de Francis Collins i colab.3pe trei domenii interdependente, fundamentate pe baza descoperirilor PGU: genomic i biologie identificarea tuturor componentelor structurale i funcionale, reconstituirea reelelor genice i proteice i elucidarea rolului lor n determinismul fenotipurilor, catalogarea variaiilor ereditare ale genomnului(variom), identificarea mecanismelor moleculare ale evoluiei, prin compararea genomurilor diferitelor specii genomic i sntateidentificarea factorilor genomici ce determin boli, precum i susceptibilitatea/ rezistena la boli (teste predictive) sau sensibilitatea i rspunsul individual la medicamente (terapie personalizat); depistarea precoce a bolilor prin teste genomice (aplicate inclusiv prenatal); dezvoltarea unor noi medicamente genomic i societateprecizarea opiunilor politice i etice privind accesul i folosirea genomicii n context medical i nemedical (prevenirea discriminrii genetice).

Clonarea

La 22 februarie 1997 era fcut public existena "celei mai faimoase oi din lume", cum avea s fie numit Dolly, primul mamifer clonat pornind de la o celul somatic adult. De atunci s-a vorbit foarte mult despre clonare. Totui, despre ce este vorba mai exact?

Clonarea este procesul prin care se creeaz o copie identic. Astfel, cnd vorbim de clonare nu trebuie s ne gndim doar la a obine o copie dup un om sau un animal. De fapt, pn s se realizeze clona primului mamifer (oaia Dolly, n 1996), oamenii de tiin au realizat clone dup fragmente de ADN.Pentru c, aa cum am spus mai sus, un anumit fragment de ADN deine o anumit informaie i astfel duce la sinteza unei anumite proteine.

Dar haidei s vedem cum se poate realiza acest lucru, i anume s se creeze o clon dup un anumit fragment de ADN care ne intereseaz.Cu ajutorul unor enzime, molecula de ADN este fragmentat. Se ia fragmentul de interes i se introduce ntr-un bacteriofag (bacteriofagul este un virus, dar care atac bacteriile). Cum bacteriofagii sunt alctuii n principal din ADN-ul propriu, bucata (gena) de ADN uman se ataeaz la cel al vectorului (bacteriofagului), care este apoi introdus ntr-o bacterie. n bacterie, acesta se va multiplica, o dat cu fragmentul de ADN uman (la fel cum se multiplic i virusurile n organismul nostru), iar bacteriile la rndul lor se vor multiplica i ele. Cnd bacteriofagii i vor sintetiza proteinele de care ei au nevoie, se vor sintetiza i proteinele codificate de ADN-ul uman.ns, n urma proceselor de amplificare, se vor obine cantiti foarte mari din ceea ce se dorete. Astfel s-au obinut numeroase produse farmaceutice: factorii ai coagulrii VIII i IX (foarte utili la persoanele cu hemofilie, boala caracterizat prin sngerri la traumatisme minore), eritropoietin (util n anemii), insulin (util n diabet zaharat), activatorul tisular al plasminogenului (foarte util n infarct de miocard), anticorpi, etc.

Acestea fiind spuse, cred c suntem cu toi de acord cu utilitatea clonrii n sensul mai sus prezentat.Pentru prima dat n istoria biologiei, la 22 februarie 1997, un grup de cercettori de la Institutul de biotehnologie animal Roslin (Edinburgh) au anunat c au reuit clonarea unui mamifer adult. Cercettorii au creat o oaie, Dolly, fr prini, folosind o celul difereniat prelevat din glanda mamar a organismului original.

Tehnica prin care cercettorii din Edinburgh au creat-o pe Dolly se poate rezuma n urmtoarele etape:

- Se extrage o celul din glanda mamar de la oaia A, care va fi clonat.- Se prelev un ovul nefecundat de la o oaie B i i se elimin nucleul, apoi se fuzioneaz celula glandei mamare A cu ovulul enucleat B.- Se implanteaz celula astfel obinut n uterul oii C, care va nate un mielu D identic cu oaia A.

Scopul acestor cercetri nu a fost de a obine copii ale unor animale deja existente, ci ca aceste animale s poat fi folosite drept modele experimentale n vederea tratrii unor boli umane (ex: mucoviscidoza, boala Alzheimer, paralizia), pentru obinerea unor celule stem sau a unor substane terapeutice; o alt aplicaie terapeutic ar putea fi modificarea genetic a unor animale (de ex. porcul) pentru ca organele lor s fie tolerate de sistemul imun i transplantate la om.

Astfel, clonarea la om reprezint o modalitate de reducere a suferinei umane i de tratament a unor boli fatale. Exist ns voci care se opun clonrii umane din motive de ordin etic. Treptat ns, lucrurile trebuie s nceap s se nuaneze, deosebindu-se clonarea reproductiv (producerea unui embrion uman cu scopul de a se iniia o sarcin i a se nate un copil) declonarea terapeutic, prin care se urmrete obinerea unor celule stem (su) pluripotente care au potenialul de a produce celule sau esuturi normale, utile pentru nlocuirea celor distruse prin boli degenerative.

Este deja o tire veche faptul c n 2008 compania de fertilizare in vitro "Sydney IVF" a primit din partea guvernului australian prima licen care permite clonarea embrionilor umani. Compania are astfel acces la 7.200 de embrioni umani, din a cror clonare se pot obine celule stem embrionare.

Celulele stem

Celula stem este o celul care are capacitatea de a se diferenia i de a da natere altor tipuri de celule (engl. stem = tulpin, deci mai multe celule diferite se pot forma dintr-o celul stem). Astfel, celulele stem se pot dezvolta n celule mature care au forme i funcii caracteristice, precum celule ale inimii, pielii sau nervilor.nc din antichitate, filosofi precum Anaxagora sau Empedocle, membrii ai colii pitagoreice, credeau c urmaii rezult din unirea unor semine de la prini.Aristotel a propus 2 modele de dezvoltare: n primul, un individ n miniatur e ar fi prezent n corpul mamei i ncepe s creasc atunci cnd e stimulat n mod adecvat. Cea de-a doua teorie propune ca embrionul ncepe ca o mas nedifereniat apoi noi pri sunt adugate n timpul dezvoltrii. Aceast a 2-a teorie a lui Aristotel constituie de altfel un concept rudimentar despre celulele stem.Hipocrate, printele medicinii, i mai trziu Galen au intuit c seminele de la ambele sexe contribuie la formarea copilului.n evul mediu, puine informaii au fost aduse n domeniul medicinei. Apoi, odat cu descoperirea microscopului de ctre olandezul Anton van Leeuwehoek, lucrurile au nceput s fie mai clare. Cercettori precum Karl Ernst von Baer sau Edouard van Beneden au descris n detaliu primele faze n dezvoltarea embrionilor la diferite animale.Descoperirea ADN-ului din a doua jumtate a sec.XX (1953) a dus la o i mai mare apropiere de ideea de celul stem.O alt idee ce a dus la descoperirea celulelor stem a fost observarea faptului c multe animale (oprle, salamandre) sunt capabile s i regenereze diferite pri ale corpului atunci cnd acestea sunt distruse.Studiul teratoamelor au dus de asemeni la speculaii despre celulele stem. Teratomul este o tumoare alctuit din celule strine de locul n care se dezvolt. Astfel se poate dezvolta esut respirator n testicule de exemplu, sau dini, pr n ovare (greac teratos=monstru). n imaginea de mai josvedem un ovar secionat, n interiorul cruia s-a dezvoltat un dinte. Pe la mijlocul sec.XX, oamenii de tiin, observnd diferite teratoame, s-au gndit c acestea trebuie s provin din acelai tip de celule din care se formeaz i esuturile normale din jur (ovarian, testicular), deci celulele testiculare de exemplu, i dinii provin din acelai tip de celule, au un strmo comun.

Izolarea celulelor stem embrionare s-a ntmplat simultan n dou laboratoare: o echip de la Universitatea de Medicin John Hopkins din Baltimore, SUA, au cultivat celule stem de la fetui avortai; o a doua echip, de la Centrul de Cercetare al Primatelor Wisconsin au utilizat resturi de blastociti de la clinicile de fertilizare in vitro.Echipa de la Universitatea de Medicin John Hopkins din Baltimore a fost condus de John Gerhart. Ei au prelevat celule germinale (cele care prin diviziuni succesive vor duce la formarea spermatozoizilor sau ovulelor) din gonadele fetuilor avortai, iar n noiembrie 1998 au anunat c au reuit s induc multiplicarea acelor celule care s-au dezvoltat pn la stadiul de blastocist.n paralel, James Thomson i echipa sa de la Centrul de Cercetare al Primatelor din Wisconsin au reuit s izoleze celule stem embrionare umane. Ei au anunat acest lucru pe 6 noiembrie 1998. Pentru aceasta au utilizat resturi de blastociti de la clinicile de fertilizare in vitro.Odat recoltate, celulele trebuie meninute n condiii speciale, n medii sterile. Mediile de cultur constau n celule embrionare de la oareci. Motivul pentru care sunt necesare aceste celule de la oareci este pentru a oferi celulelor umane un mediu lipicios i care s ofere nutrieni. ns mediile de cultur cu celule de la oareci sunt o problem pentru c ele pot fi sursa unor infecii virale sau altor microorganisme. Recent ns s-au dezvoltat alte medii de cultur formate din material proteic (martie 2005, Robert Lanza).n cursul urmtoarelor zile, celulele embrionare ncep s prolifereze. Ele pot prolifera astfel multe luni de zile, fr s se diferenieze.Dup ce sunt recoltate, celulele stem sunt multiplicate pe diferite medii de cultur, apoi n prezena factorilor de cretere, se vor diferenia spre linia care ne intereseaz.Dup ce celulele stem sunt nmulite, ele trebuie determinate s se diferenieze ntr-un anumit tip de celule de care avem nevoie. Acest lucru se ntmpl dac expunem celulele la anumii factori de cretere, hormoni etc.Pn n prezent, mai multe realizri au fost nfptuite n domeniul celulelor stem. Astfel, anul acesta la Barcelona, s-a realizat primul transplant de trahee confecionat din celule stem. O femeie de origine columbian, care suferea de tuberculoz, a beneficiat de acest transplant. Celule stem ale pacientei au fost stimulate s se dezvolte pe un schelet reprezentat de o trahee prelevat de la un pacient decedat, care a fost n prealabil tratat cu diferite enzime i detergeni pentru a se elimina celulele originale pe care le coninea.Traheea este un segment al sistemului respirator, situat ntre laringe i bronhii.Tot anul acesta, nite cercettori din SUA au reuit s diferenieze celule stem n celule retiniene, ntr-un studiu realizat pe broate. Iar mormolocii a cror retine au fost construite din celule stem chiar i puteau folosi ochii, deci celulele retiniene au fost funcionale, rezultatele fiind promitoare pentru realizarea aceluiai lucru i la oameni.n Kobe, Japonia, cercettorii au obinut esut cerebral uman din celule stem. Experimentele realizate pe oareci au demonstrat c neuronii formeaz o reea funcional, ce rspunde corect la diveri stimuli. Astfel, n viitor, boli precum Parkinson sau Alzheimer nu vor mai fi fr tratament.i n Romnia s-au deschis bnci de celule stem. Astfel, orice nou-nscut va putea beneficia n viitor de celulele stem prelevate la natere din cordonul ombilical i prezervate pn atunci cnd va avea nevoie de ele, dac va avea. Sngele cordonului ombilical e o bogat surs de celule stem spre deosebire de mduva osoas, colectarea din cordonul ombilical e non-invaziv, nedureroas, mai puin costisitoare i relativ simplu de efectuat, iar celulele stem din acest snge au o mai mare plasticitate, adic se pot diferenia pe mai multe linii (spre deosebire de celulele stem din mduva osoas).n prezent, numeroase transplanturi de celule stem adulte se efectueaz n diferite clinici din lume (China, Germania etc) n ncercarea de a vindeca leucemii sau leziuni ale maduvei spinrii, fr ns s se obin nite rezultate prea spectaculoase.Bolile de snge de asemenea vor putea beneficia de tratament cu celule stem. n prezent, leucemiile beneficiaz deja de tratament cu celule stem adulte. Tratamentul standard implic radioterapia i chemoterapia (pentru a omor celulele canceroase), apoi transplant de mduv. Celulele stem izolate din mduva pacientului afectat pot fi induse s se diferenieze n leucocite normale.Deficitele imune se caracterizeaz prin absena sau scderea numrului unor celule ce alctuiesc sistemul imun ( neutrofile, monocite-macrofage, limfocite B sau T). Aceti pacieni sunt foarte susceptibili la infecii. Un exemplu celebru de astfel de bolnav este David Bubble Boy, un copil care s-a nscut cu imunodeficien sever combinat, i care decedat la vrsta de 12 ani, pn atunci trind doar ntr-o camer cu perei de sticl, steril, pentru a se feri de microorganismele care ne nconjoar pretutindeni.

Probleme legate de eticCercetrile celulelor stem sunt ns ngreunate de unele probleme de natur etic, ce apar tocmai pentru c obinerea lor presupune sacrificarea embrionilor. Se pune astfel ntrebarea : cnd un embrion poate fi considerat o fiin uman?Un embrion de cteva zile are 100-200 de celule. n schimb, creierul unei mute conine sute de mii de celule. Iar dac nou ne pas de suferin, e mai degrab evident s fim mai mult ngrijorai de uciderea mutelor dect a unui embrion de 3 zile. Acest lucru pare foarte provocator, dar nu este aa dac ne uitm la detalii. Se poate spune c un embrion de 3 zile e diferit de o musc pentru c e o potenial fiin uman. ns ce ne facem cnd ne scrpinm n nas i automat distrugem o mulime de celule, celule care n prezent i ele pot fi poteniale fiine umane.Pentru a evita problemele ce in de etic, s-au fcut urmtoarele propuneri:- clonarea folosind celule din piele.ns n prealabil, una sau mai multe gene care controleaz dezvoltarea ordonat a embrionului ar fi inactivate. Astfel s-ar forma o mas de celule dezvoltate cu totul dezorganizat, care ar putea fi folosite mai departe ca celule stem, dar care nu ar putea fi considerate un embrion.- utilizarea doar a embrionilor neviabili,situaie asemntoare cu cea n care organe de la persoane care tocmai au murit pot fi transplantate i astfel reutilizate. Problema este cum se determin cnd un embrion nu mai este viabil.- partenogeneza e procesul prin care un ovul nefecundat e stimulat chimic sau electric s se dezvolte ctre stadiul de blastocist.Acest lucru se ntmpl n mod natural la unele specii de insecte, broate, peti, oprle care se pot reproduce prin partenogenez. Astfel, un blastocist rezultat prin acest mecanism nu ar fi un embrion, dar ar putea oferi celule stem, celule care ns nu tim dac ar fi folositoare, funcionale.

Plantele modificate geneticModificarea genetic este o mbuntire dintr-un ir lung de tehnici de ameliorare a plantelor. Tehnicile mai vechi acionau n mod aleatoriu asupra genelor plantei, conducnd la o mulime de schimbri neintenionate, pe cnd modificarea genetic este mult mai exact. Este relativ nou (dei mai veche de 20 de ani), dar multe dintre comentariile conform crora este nefireasc sunt la fel de adevrate pentru plantele cultivate n agricultura convenional i organic.

Alimentele provenite din plante modificate genetic nu sunt neaprat diferite de alimentele obinute din plante sau animale crescute folosindu-se metode mai vechi de ameliorare selectiv. Depinde de ce se dorete a se schimba. Exist multe produse care conin modificri genetice n lanul de alimente, dei productorii i vnztorii europeni nu menioneaz acest lucru. Se estimeaz c 90% din hrana pentru animale este modificat genetic pentru c este mai ieftin i mai abundent dect hrana convenional.

Unii consumatori i-au exprimat nelinitea legat de consumul de gene i consumul de ADN din alimentele provenite din surse modificate genetic. Toate alimentele conin gene i ADN, dar acestea sunt digerate i folosite n modul obinuit: Cnd mncm orice tip de aliment, consumm gene i descompunem ADN-ul prezent n mncare.

Filme celebre ce abordeaz tema geneticiiVia pentru sora meaSara i Brian duc o via idilic alturi de cele dou fete ale lor. Dar familia ascunde un secret care va iei n curnd la iveal: fiica cea mic, Anna, s-a nscut prin fertilizare in vitro pentru a se potrivi genetic cu sora ei mai mare, Kate, bolnav de leucemie. Pentru Anna, viaa a fost un lung ir de operaii i transfuzii necesare pentru a-i salva viaa sorei ei i, cnd aceasta intr n blocaj renal i are nevoie de un transplant de rinichi, Anna i d n judecat prinii cernd s ia singur decizii cu privire la corpul ei.

Jurassic ParkDr. Alan Grant i dr. Ellie Sattler sunt invitai de miliardarul excentric John Hammond pentru deschiderea unui nou parc de distracii pe o insul din Costa Rica. Hammond reuise s cloneze dinozauri prin prelevarea de ADN din sngele supt de insecte preistorice i s pun bazele unei rezervaii imense de animale preistorice. Dar, din pcate, sistemele de protecie ale parcului cedeaz i dinozaurii pierdui de sub control trebuie distrui.n 2013, filmul clasic al lui Steven Spielberg revine n cinematografe n format remasterizat 3D. Blockbusterul care a ncntat generaii ntregi se adreseaz acum i generaiei vremurilor noastre, marcate de tehnologia de ultim or. Fanii de atunci i de acum vor avea ansa de a tri experiena acestor aventuri ntr-un mod care era de neimaginat la momentul n care filmul a fost lansat iniial.

GattacaSecolul XXI aduce, pe lng alte cuceriri ale tiinei, i posibilitatea ca perfeciunea s nu mai fie, pentru omenire, un vis imposibil. Ingineria genetic a creat n laboratoarele sale omul superior, pentru care ratarea nu mai este posibil. Pentru aceast creatur viitorul nu mai reprezint o incertitudine, pentru c i-l poate alege dinainte de a se nate. Vincent Freeman (Ethan Hawke) este unul dintre ultimii oameni nscui natural, iar nu n laboratoarele genetice. Miopia de care sufer i ofer o poziie umil n societate, aceea de portar la uriaa corporaie Gattaca. nsa ceea ce nu poate fi controlat n laboratoare este dorina omului de a-i mplini visurile. Vincent Freeman i-a dorit ntotdeauna s poat zbura n cosmos, dar motenirea genetic nu-i permite. El cumpr identitatea unui atlet i astfel este selecionat pentru o mult visat misiune pe Titan. ns o crim petrecut pe Gattaca l amenin pe Vincent cu deconspirarea i pericliteaz relaia de dragoste abia nfiripat ntre el i Irene (Uma Thurman).

Bibliografie

Revista Viaa Medical. Nr.3 http://www.viata-medicala.ro/Proiectul-genomul-uman-a-inaugurat-era-genomicii-in-medicin%C4%83.html*articleID_4725-dArt.htmlTratat de Genetic Medical, prof. univ. Mircea Covichttp://news.softpedia.com/news/Australia-Has-Approved-Human-Cloning-41954.shtmlhttp://www.evz.ro/detalii/stiri/a-fost-aprobata-clonarea-embrionilor-umani-821172.htmlhttp://www.scientia.ro/biologie/71-concepte-fundamentale-din-biologie/1390-celulele-stem-pe-intelesul-tuturor.htmlhttp://www.scientia.ro/homo-humanus/75-granitele-gandirii/3615-ghid-modificarea-genetica-a-plantelor.htmlwww.cinemagia.ro

~ 2 ~