Fő tartalom

Bevezetés a biotechnológiába

A biotechnológia fogalma. A DNS-technológia áttekintése. A biotechnológiával kapcsolatos etikai kérdések.

Főbb pontok

A biotechnológia egy organizmus, vagy egy organizmus egy részének, esetleg más biológiai rendszernek a felhasználását jelenti valamilyen specifikus termék előállítása, vagy egy folyamat végrehajtása céljából.
A modern biotechnológia számos eleme DNS technológiára épül.
DNS technológiának nevezzük a DNS szekvenálását, analízisét és a szerkezet megváltoztatását (szerkesztését).
A DNS technológia leggyakoribb módszerei a DNS szekvenálás, a polimeráz láncreakció, a DNS klónozás és a gélelektroforézis.
A biotechnológia új találmányai sokszor a mindennapi életet érintik, etikai kérdések sorát felvetve. E kérdésekkel kapcsolatban (megfelelő informálás után) elengedhetetlen a társadalmi konszenzus kialakítása.

Bevezetés

Mi jut eszedbe a „biotechnológia” szó hallatán? Valószínűleg olyasmi, amit a hírekben olvastál: Dolly, a klónozott bárány, genetikailag módosított organizmusok, vagy a génterápia.

Ha neked is ilyesmik jutottak eszedbe, teljesen igazad van, mert ezek mind jó példák a biotechnológiára. De mi a helyzet a sörfőzéssel, a növénynemesítéssel, vagy az antibiotikumok között nyilvántartott penicillinnel? Ezek a folyamatok és termékek, bár egyesek több ezer éve jól ismertek, szintén a biotechnológia tárgykörébe tartoznak.

Ebben a fejezetben először megvizsgáljuk, hogy miként is definiálható a biotechnológia, és hogy hányféle módon használhatunk fel különféle organizmusokat (illetve az azokból származó molekulákat, rendszereket) számos hasznos termék előállítására. Ezután közelebbről megismerkedünk a DNS technológiával, azokkal a módszerekkel, melyekkel a DNS-t lehet szekvenálni (a DNS-t felépítő bázisok sorrendjét feltárni) és átalakítani. A DNS technológia központi elemét képezi számos modern biotechnológiai irányzatnak.

Mi a biotechnológia?

A biotechnológia egy organizmusnak, egy organizmus egy részének, esetleg más biológiai rendszernek a felhasználását jelenti valamilyen specifikus termék előállítása, vagy egy meghatározott folyamat végrehajtása céljából.

Ez így egy igen tág meghatározás, és ahogy arról korábban szó volt, a definíció egyaránt magában foglalja az élvonalbeli laboratóriumi technikákat és az évszázadok óta alkalmazott tradicionális földművelési és élelmiszeripari eljárásokat. Nézzünk most három példát a biotechnológiára, és figyeljük meg, miként alkalmazható rájuk a fenti definíció:

Sörfőzés. A sörfőzés során apró élesztőgombákat kevernek az árpaszemek csíráztatásával (malátakészítéssel) nyert cukros oldathoz. A gombák egy fermentációnak (erjedésnek) nevezett folyamat során azonnal felhasználják az értékes energiaforrást jelentő cukrokat, miközben melléktermékként alkohol keletkezik. Tehát ebben az esetben egy organizmust (az élesztőt) használnak arra, hogy egy terméket állítsanak elő emberi fogyasztásra.
Penicillin. Az antibiotikus hatású penicillin egyes penészgombák anyagcsere-végterméke. Egy kis mennyiségű penicillin előállításához az első klinikai vizsgálatok számára még közel $500$ ‍ liter „penészlevet” kellett előállítani a kutatóknak hetente. $^{1}$ ‍ Ezt az eljárást azóta továbbfejlesztették ipari méretű termelésre, amely során nagyobb produktivitású penésztörzseket és jobb tenyésztési körülményeket alkalmaznak a hozam emelése érdekében. $^{2}$ ‍ Itt tehát egy organizmust (a penészgombát) arra használnak, hogy előállítson egy terméket emberi felhasználásra: ebben az esetben egy antibiotikumot, mellyel bakteriális fertőzések gyógyíthatóak.

Génterápia. A génterápia egy új és folyamatosan fejlődő módszer egyes génhibák által okozott genetikai betegségek kezelésére. A terápia során a „hiányzó” működőképes gén DNS-ét juttatják a test sejtjeibe. Például a cisztás fibrózis nevű genetikai betegség esetében, amely elsősorban a tüdőt érinti, nem működik egy klorid-csatornát kódoló gén. Egy új génterápiás klinikai kísérletben sikerült a működő gén egy másolatát egy cirkuláris DNS-be (plazmidba) illeszteni, membrángömbökbe zárni, majd aeroszol formájában a páciens tüdejének sejtjeibe juttatni. $^{3}$ ‍

Ebben az esetben eltérő forrásokból származó biológiai komponenseket (egy emberi gént és egy bakteriális eredetű plazmidot) kombinálnak egy új termék létrehozására, amely cisztás fibrózisban szenvedő betegek esetében hozzájárul a tüdő egészséges működésének fenntartásához.

Amint azt ezek a példák is mutatják, a biotechnológiát olyan mindennapi termékek előállítására alkalmazzuk, mint az alkohol és a penicillin. Emellett lehetőséget nyújt új gyógymódok kifejlesztésére is, ahogy azt a cisztás fibrózis kezelésében használt génterápia is példázza. A biotechnológiának további felhasználási lehetőségei vannak olyan területeken, mint az élelmiszerek előállítása, vagy környezeti szennyezések remediációja (kezelése, ártalmatlanítása).

Mi a DNS technológia?

Sok modern biotechnológiai eljárás alapja az, hogy képesek vagyunk a DNS-t analizálni, módosítani, elvágni és a darabjait összeilleszteni. A szekvenálás és módosítás módszereit gyakran nevezzük DNS technológiának.

^{4}

Az említett génterápiás eljárásban például a kutatók DNS-módosítási technikákat alkalmaztak, hogy a klorid-csatorna génjét egy hordozó DNS-be (vektorba) illesszék, ami így képes volt kifejeződni az emberi tüdő sejtekben.

A DNS technológiák fontosak mind az alapkutatás, mind pedig az alkalmazott biológia számára. Például a polimeráz láncreakció (PCR, Polimerase Chain Reaction) nevű eljárást gyakran használják orvosi diagnosztikai eljárásokban, de bűnügyi laboratóriumokban és az alapkutatásban is igen elterjedt technika.

Példák a DNS technológiákra

Nézzünk meg pár példát a modern molekuláris biológiában elterjedt DNS analizáló- és módosító technikákra! A linkek segítségével további részletes információkat is olvashatsz az adott technikáról.

DNS klónozás. A DNS klónozás során a kutatók „klónozzák”, vagyis sokszorosan lemásolják a DNS egy adott szakaszát, például egy gént. A klónozás során gyakran megesik, hogy egy kör alakú DNS-molekulába (egy plazmidba) illesztik a sokszorozni kívánt gént. A plazmidot a baktériumok is képesek replikálni (lemásolni), így bennük a vizsgált gén sok másolata állítható elő. Néhány esetben ezt a gént ki is fejezi a baktérium, és ez alapján fehérjét állít elő (például így készítik nagy mennyiségben a cukorbetegek számára az inzulint).
Gén beillesztése egy plazmidba.
Polimeráz láncreakció (PCR). A polimeráz láncreakció egy másik széles körben elterjedt DNS technológia, amely a modern biológia szinte minden területén alkalmazható. A PCR reakció során sok másolat készül a kívánt DNS szekvenciáról, akár egyetlen minta (templát) DNS alapján is. Ezért ez a technológia felhasználható arra, hogy akár nagyon kis mennyiségű DNS-ről is sok másolatot készítsünk (pl. egyetlen csepp vérből egy bűnügyi helyszínen).
Gélelektroforézis. A gélelektroforézis segítségével közvetlenül láthatóvá tehetők a DNS-darabok (fragmentek). A kutatók például a gélen megjelenített DNS darabok vizsgálatával elemezhetik egy PCR reakció eredményét. A gélelektroforézis az egyes DNS fragmenteket a méretük alapján választja el egymástól, majd a kutatók festéssel teszik őket láthatóvá.
A DNS fragmentek a negatív elektród felől a pozitív elektród felé vándorolnak a gélen át.
A „futtatás” végeztével a fragmentek méret szerint válnak szét egymástól. A legkisebbek lesznek alul (a pozitív elektród felől), míg a nagyobbak felül (a negatív elektród felől).
Reece et al. $^{5}$ ‍ nyomán.
DNS szekvenálás A DNS szekvenálás során megállapításra kerül a bázisok (A, T, C és G) sorrendje egy DNS molekulában. Néha csak egy bizonyos fragmentet szekvenálunk, máskor viszont sok eltérő DNS fragment egyidejűleg kerül szekvenálásra, így egy hosszabb szakasz, vagy akár egy teljes genom bázissorrendje meghatározható.

A linkeket követve részletesebben is olvashatsz arról, hogy miként működnek ezek a technikák. Emellett példákat is találhatsz arra, hogy milyen alkalmazási lehetőségeik vannak a kutatásban, a gyógyításban és más területeken.

A biotechnológia új etikai kérdéseket vet fel

A biotechnológia egyéni és társadalmi szinten is hasznunkra válhat, ugyanakkor negatív hatásai és nem szándékos következményei is lehetnek. Ez persze mindenféle technológiára igaz, nem csak a biotechnológiára. Ugyanakkor a biotechnológia kapcsán egészen más előnyök és problémák merülnek fel, mint az egyéb technológiáknál.

Fontos, hogy a biotechnológiai újítások (akárcsak más technológiák esetében) szigorú teszteken és vizsgálatokon essenek át, mielőtt szélesebb körben elérhetővé válnak. A klinikai tesztek és az állami szabályozások hivatottak biztosítani, hogy a piacra kerülő biotechnológiai termékek biztonságosak és hatásosak legyenek. Ugyanakkor előfordul, hogy a már piacon lévő termékkel kapcsolatban olyan új információ merül fel, amelynek hatására a gyártó cég vagy az államigazgatási szervek felülvizsgálják egy újítás biztonságosságát vagy hasznosságát. Ez történik például azokban a ritka esetekben is, mikor egy gyógyszert visszahív a piacról a gyártó.

Mindemellett a biotechnológia fejlesztések során új etikai kérdések merülhetnek fel azzal kapcsolatban, hogy miként helyes vagy nem helyes az új információkat, technikákat és tudásunkat felhasználni.

E kérdések némelyike a magánéletet, a titoktartást és a diszkrimináció veszélyét érinti. Például igazságos volna-e, ha az egészségügyi biztosításod drágább volna azért, mert egy bizonyos betegségre hajlamossá tevő gént hordozol? Mit éreznél, ha a munkáltatód vagy az iskolád hozzáférhetne a genomi információidhoz?
A biztonsággal, az egészségre gyakorolt hatással és az ökológiai következményekkel kapcsolatban is merülnek fel kérdések. A genetikai módosítás nyomán rovarirtó szereket előállító termények például lényegesen kevesebb permetezést igényelnek, ugyanakkor fennáll az a veszély, hogy ezek a növények kiszöknek a természetbe, vagy a helyi őshonos fajokkal kereszteződnek, ami előre nem látható ökológiai következményekkel járhat.
Előfordulhat az is, hogy a biotechnológia segítségével szerzett tudás komoly dilemmákhoz vezet. Például a gyermeket váró párok genetikai szűrés során szembesülhetnek azzal, hogy születendő gyermekük valamilyen genetikai rendellenességet hordoz. Az is előfordulhat, hogy valaki puszta kíváncsiságból megszekvenáltatja a saját genomját, és így megtudja, hogy egy olyan lappangó, gyógyíthatatlan genetikai betegsége van, mint például a Huntington kór.

A tudományos kutatás és fejlesztés révén új adatok, technológiák és tudás birtokába jutunk. Ugyanakkor a tudomány önmagában nem képes meghatározni, hogy ezeket a technikákat mire szabad és mire nem szabad használni. Ezért fontos a társadalmi csoportok széles körét bevonni a biotechnológia olyan újításaira és termékeire irányuló vitába, amelyek befolyással lehetnek a mindennapi életünkre.

Nézz utána, és alkoss véleményt!

Ahhoz, hogy mérlegeljük a biotechnológiai eljárások előnyeit és lehetséges buktatóit, egyik fontos első lépés az, hogy megértsük a mögöttük rejlő alapvető biológiai folyamatokat. Az ebben a fejezetben olvasható információk jó kiindulópontot adnak a biotechnológiai újítások megértéséhez és megítéléséhez.

Ha érdekel a biotechnológia egy bizonyos ága, vagy szeretnél többet megtudni a lehetséges következményeiről, akkor javasoljuk, hogy kezdj önálló kutatásba a témában. Keress megbízható, objektív forrásokat, és a vitás kérdésekben törekedj arra, hogy mindkét oldal érveit megértsd. Fontos, hogy alaposan megértsd a technikák tudományos hátterét, hogy mit tudunk (vagy nem tudunk) róluk, és hogy milyen előnyei és hátrányai vannak. Így képes leszel a saját átgondolt és érvekkel alátámasztott véleményedet megalkotni arról, hogy hogyan és miként alkalmazható a biotechnológia.

Ez a tananyag a CC BY-NC-SA 4.0 licenc által engedélyezett.

Idézett munkák:

American Chemical Society. (2016). Discovery and development of penicillin. In Chemical landmarks. Hozzáférhető itt: http://www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/landmarks/flemingpenicillin.html.
Meštrović, T. and Chow, S. (2015, April 29). Penicillin production. In News medical. Hozzáférhető itt: http://www.news-medical.net/health/Penicillin-Production.aspx.
Alton, E. W. F. W., Armstrong, D. K., Ashby, D., Bayfield, K. J., Bilton, Diana, Bloomfield, E. V., ... Wolstenholme-Hogg, P. (2015). Repeated nebulisation of non-viral CFTR gene therapy in patients with cystic fibrosis: A randomised, double-blind, placebo-controlled, phase 2b trial. Lancet Respiratory Medicine, 3(9), 684-691. http://dx.doi.org/10.1016/S2213-2600(15)00245-3.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). The DNA toolbox. In Campbell biology (10th ed., pp. 408-409). San Francisco, CA: Pearson.
Reece, J. B., Taylor, M. R., Simon, E. J., and Dickey, J. L. (2012). Figure 12.13. Gel electrophoresis of DNA. In Campbell biology: Concepts & connections (7th ed., p. 243).

További hivatkozások:

Biotechnology. (2016, March 23). Utolsó hozzáférés: Wikipedia, 2016 március 29.: https://en.wikipedia.org/wiki/Biotechnology.

DNA microarray. (2016, March 7).Utolsó hozzáférés: Wikipedia, 2016 március 29.: https://en.wikipedia.org/wiki/DNA_microarray.

Gebel, E. (2013). Making insulin: A behind-the-scenes look at producing a lifesaving medication. In Diabetes forecast. Hozzáférhető itt: http://www.diabetesforecast.org/2013/jul/making-insulin.html?referrer=https://www.google.com/.

Gene therapy breakthrough for cystic fibrosis. (2015, July 3). In NHS choices. Hozzáférhető itt: http://www.nhs.uk/news/2015/07July/Pages/Gene-therapy-breakthrough-for-cystic-fibrosis.aspx.

Hyde, S. C., Pringle, I. A., Abdullah, S., Lawton, A. E., Davies, L. A. Varathalingam, A., ... Gill, D. R. (2008). CpG-free plasmids confer reduced inflammation and sustained pulmonary gene expression. In Nature Biotechnology, 26, 549-551. http://dx.doi.org/10.1038/nbt1399.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). DNA tools and biotechnology. In Campbell biology (10th ed., pp. 408-435). San Francisco, CA: Pearson.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). People modify crops by breeding and genetic engineering. In Campbell biology (10th ed., pp. 830-834). San Francisco, CA: Pearson.

Szeretnél részt venni a beszélgetésben?

Jelentkezz be

Rendezés:

Még nincs hozzászólás.

Tudsz angolul? Kattints ide, ha meg szeretnéd nézni, milyen beszélgetések folynak a Khan Academy angol nyelvű oldalán.

Biológia

Tantárgy/kurzus: Biológia > 9. témakör