Sprememba nabora genov. Spreminjanje genske kode DNK
Skoraj vse genetske raziskave temeljijo na konceptu variacije . Ta koncept vključuje vse vrste sprememb zaporedja DNK ( mutacije ), opažene na kromosomski ali genski ravni. Po eni strani variacije genoma pojasnjujejo interindividualno raznolikost, po drugi strani pa lahko mutacije povzročijo patogene spremembe v delovanju telesa in so torej vzrok za dedno bolezen. Uvesti morate tudi več izrazov, ki se uporabljajo za opis procesa mutacijske spremembe v DNK: lokus - specifično regijo kromosoma, ki vsebuje specifične sekvence DNA ali gene, alel - dve ali več alternativnih oblik gena, ki se nahajajo na istem lokusu para homolognih kromosomov. Če opazimo razliko v zaporedju DNA dveh alelov istega lokusa s pogostnostjo več kot 1 % v splošni populaciji, potem je ta vrsta variacije označena polimorfizem . Običajno se imenuje sprememba zaporedja DNK, ki ima nižjo frekvenco mutacija . Obstajata dve glavni vrsti mutacij, povezanih z dedno patologijo: kromosomsko (sprememba števila in/ali strukture kromosomov v celici) in genetski (sprememba zaporedja DNK v določenem genu). Na podlagi te razvrstitve je mogoče identificirati področja genetskih raziskav motenj zaporedja DNK, ki vodijo do dednih bolezni, ki jih preučujemo. medicinska genetika , in sicer iskanje sprememb v zaporedju nukleinskih kislin in proteinov na molekularni ravni ( molekularna genetika ) in preučevanje sprememb v številu, strukturi in organizaciji kromosomov ( medicinska citogenetika ).
Molekularno-genetske raziskave temeljijo na sodobnih predstavah o značilnostih molekule DNK in biokemičnih procesih prepisovanja in prevajanja. Njihov glavni cilj je identificirati genske mutacije, ki vodijo do značilnih fenotipskih manifestacij. Genske mutacije so spremembe v lokaciji, izguba in pridobitev DNK glede na njeno normalno linearno zaporedje. Najpogostejše vrste genskih mutacij so substitucije, izgube in/ali vstavitve posameznega nukleotida. Slednji so označeni s kratico SNP (enonukleotidni polimorfizmi) in so med najpogostejšimi v človeškem genomu. V povprečju se SNP-ji, ki vodijo do variacije med aleli pri enem posamezniku, pojavijo na vsakih 1500 baznih parov. Vendar se jih večina nahaja v nekodirajočih sekvencah in na splošno nimajo fenotipskih posledic. Če pride do spremembe v zaporedju DNK v genu, ki kodira beljakovino, je zelo verjetno, da je povezana z motnjami v telesu. Obstaja naslednja klasifikacija genskih mutacij:
Missense mutacije- zamenjava enega nukleotida z drugim oz nesinonimne spremembe zaporedja DNK . Teoretično lahko ločimo dve vrsti takšnih mutacij: konzervativen in nekonservativni . Konzervativne missense mutacije vodijo do zamenjave enega kodona z enakovrednim (kodoni, ki kodirajo isti aminokislinski ostanek) ali s kodonom drugega aminokislinskega ostanka, ki ne spremeni fizikalno-kemijskih lastnosti proteina, kodiranega z ustreznim genom. Nekonzervativne missense mutacije praviloma spremenijo biokemične lastnosti proteina in posledično povzročijo motnje njegove funkcionalne aktivnosti.
Nesmiselna mutacija- spremembe v kodirnem zaporedju DNA, kar vodi do nastanka stop kodona, zaradi česar se sintetizira protein, v katerem manjka del njegovega zaporedja.
Mutacija premika okvirja- vse spremembe v zaporedju DNA gena (predvsem izgube ali vstavitve nukleotidov), ki povzročijo premik v branju zaporedja med transkripcijo. Posledica tega je sinteza popolnoma novega proteina oziroma tvorba messenger RNA, ki ne nosi nobene informacije o zaporedju aminokislin.
Nepatogene spremembe zaporedja DNK- Variacije zaporedja DNA, vključno s konzervativnimi missense mutacijami ali t.i sinonimne mutacije , ki ne spremenijo kodirane informacije v DNA gena ali ne vplivajo na funkcionalno aktivnost beljakovinskih makromolekul.
Mutacije se pojavljajo tudi v nekodirajočih zaporedjih DNK (intronih). Ta vrsta variacije običajno nima fenotipskih posledic. Vendar pa s premikom v bralnem okviru ali nastankom alternativnih oblik beljakovinskih makromolekul ( alternativno spajanje ), lahko te variacije povzročijo motnje funkcionalne aktivnosti beljakovinskih makromolekul in posledično fenotipske posledice. V tem kontekstu se zdi identifikacija patogenih mutacij težka, saj je koncept "norme" v medicinskih genetskih raziskavah precej relativen, saj je na molekularni ravni človeški genom v veliki meri nestabilen. Z drugimi besedami, samo ponavljajoče se mutacije (najpogostejše ponavljajoče se mutacije, ki jih najdemo pri posameznikih z znano dedno boleznijo) lahko štejemo za patogene. V primerih, ko se odkrije nova mutacija, so potrebne molekularno-genetske študije bolnikovih bližnjih sorodnikov, da se ugotovi, ali je vzrok bolezni.
Kromosomske mutacije (nenormalnosti) so povezani bodisi z različnimi strukturnimi preureditvami kromosomov bodisi s spremembo njihovega števila (n). Številčne spremembe v naboru kromosomov ( kariotip ) je lahko dveh vrst: poliploidija - množenje celotne kromosomske garniture (3n, 4n itd.) ali genoma, večkratnik haploidnega števila kromosomov (v literaturi včasih imenovano genomske mutacije ); aneuploidija - povečanje ali zmanjšanje števila kromosomov v nizu, ki ni večkratnik haploidnega. Te kvantitativne spremembe kariotipa običajno povzročijo motnje mejoze ali mitoze. Številčne kromosomske nepravilnosti v obliki anevploidije delimo na monosomija (izguba kromosoma ali njegovega dela – delna monosomija) in trisomija oz polisomija (pridobitev enega/več kromosomov ali njihovega dela – delna trisomija). Te spremembe kariotipa so povezane s kompleksom prirojenih malformacij in praviloma z boleznimi, ki jih spremlja duševna zaostalost ali hude duševne motnje. Trenutno so opisani primeri sprememb v kromosomskem nizu, ki vključujejo spolne kromosome in nekatere avtosome pri shizofreniji in avtizmu. Na primer, do 5–15 % otrok z avtističnimi motnjami ima kromosomske nepravilnosti. To nam omogoča, da obravnavamo kromosomsko neravnovesje v telesu kot enega od možnih vzrokov nekaterih primerov duševnih bolezni.
Strukturne spremembe lahko prizadenejo celoten kromosom, lahko pa jih spremlja tudi sprememba količine genetskega materiala v jedru ali njegovega gibanja. Uravnotežene kromosomske nepravilnosti so preureditve, zaradi katerih nastanejo kariotipi z nespremenjenim naborom genov, vendar se njihova lokacija znotraj kromosomov ali med kromosomi razlikuje od normalne. V večini primerov so nosilci uravnoteženih kromosomskih nepravilnosti fenotipsko normalni, vendar obstaja velika nevarnost, da imajo njihovi potomci neuravnotežen kariotip, v nekaterih primerih pa imajo lahko nosilci uravnoteženega kariotipa tudi različne prirojene okvare in/ali mikroanomalije. kot nevropsihološke razvojne motnje. Če strukturne kromosomske mutacije povzročijo izgubo ali pridobitev genskega materiala, potem so neuravnotežene kromosomske nepravilnosti .
Citogenetsko so strukturne preureditve razvrščene po principu linearnega zaporedja razporeditve genov: izbrisov (izguba kromosomskih delov), podvajanja (podvojitev kromosomskih regij), inverzije (inverzija za 180° glede na normalno zaporedje kromosomskih regij), vstavitve (insercije kromosomskih regij) in translokacije (sprememba v razporeditvi kromosomskih regij) kromosomov.
Preučevanje kromosomskih mutacij pod vplivom okoljskih dejavnikov je zelo pomembno. Dokazano je, da so človeški kromosomi zelo občutljivi na učinke sevanja in kemikalij, ki jih običajno imenujemo mutageni dejavniki ( mutageni ). Pri analizi vpliva teh dejavnikov je treba razlikovati med motnjami v somatskih in zarodnih celicah. Prvi neposredno vplivajo na vitalno aktivnost proučevanega organizma, drugi pa se pojavijo v naslednjih generacijah. Kromosomske mutacije v zarodnih celicah povzročijo nastanek aberantnih gamet, kar lahko povzroči odmrtje zigot, zarodkov v zgodnjih fazah intrauterinega razvoja in rojstvo otrok s specifičnimi ali nespecifičnimi kromosomskimi nepravilnostmi, ki se kažejo v obliki določeno klinično sliko ali določen fenotip. Mutacije kromosomov v somatskih celicah vodijo do nastanka nespecifičnih kromosomskih nepravilnosti v obliki kromosomskih ali kromatidnih vrzeli, prelomov in zamenjav v kariotipu, ki ne vodijo do specifičnega fenotipa, značilnega za določeno bolezen. Takšne mutacije niso podedovane. Treba je opozoriti, da je pri preučevanju tovrstnega vpliva mutagenih dejavnikov mogoče kvalitativno in kvantitativno oceniti učinek ionizirajočega sevanja, kemikalij, virusov, vendar dobljenih podatkov ni mogoče prenesti na zarodne celice, katerih rezultat je kromosomska bolezni pri otrocih.
Kromosomske nepravilnosti se lahko kažejo v tako imenovanih mozaičnih oblikah, ki nastanejo zaradi nepravilne delitve celic v različnih fazah embrionalnega in poporodnega razvoja. To omogoča razdelitev kromosomskih nepravilnosti mozaik in redna (nenormalen kariotip opazimo v vseh celicah telesa). Kromosomski mozaicizem predstavlja prisotnost več populacij celic z različnimi kromosomskimi sklopi med seboj. Pri mozaičnih oblikah kromosomskih nepravilnosti je praviloma prisotna odsotnost posameznih kliničnih znakov določenega kromosomskega sindroma in blažji potek bolezni, nekateri simptomi pa so skoraj vedno prisotni. Mozaične strukturne kromosomske anomalije opazimo precej redko, zato, ko govorimo o mozaičnih kromosomskih anomalijah, mislimo predvsem na numerične anomalije, katerih mozaične oblike imajo precej visoko populacijsko pogostnost. Opozoriti je treba tudi na pojav tkivno specifični kromosomski mozaicizem - celice z nenormalnim kromosomskim nizom so prisotne samo v določenem tkivu telesa.
V petdesetih letih 20. stoletja so znanstveniki naleteli na čuden pojav. Opazili so, da nekateri virusi različno okužijo različne seve iste bakterije. Nekateri sevi - na primer E. coli - so se zlahka okužili in okužbo hitro razširili po koloniji. Drugi so se okužili zelo počasi ali pa so bili popolnoma odporni na viruse. Ko pa se je prilagodil enemu ali drugemu sevu, ga je virus nato brez težav okužil.
Biologi so potrebovali dve desetletji, da so razumeli to selektivno odpornost bakterij. Kot se je izkazalo, je sposobnost nekaterih sevov bakterij, da se upirajo virusom - imenovana je bila restrikcija (to je "omejitev") - razložena s prisotnostjo posebnih encimov, ki fizično režejo virusno DNA.
Posebnost teh proteinov – restrikcijskih encimov – je, da prepoznajo majhno in strogo določeno zaporedje DNK. Bakterije »ciljajo« restrikcijske encime na redke sekvence, ki se jim same izogibajo v svojih genih - vendar so lahko prisotne v virusni DNK. Različni restrikcijski encimi prepoznajo različna zaporedja.
Vsak sev bakterij ima poseben arzenal takšnih encimov in tako reagira na določen niz "besed" v genomu virusa. Če si predstavljamo, da je genom virusa fraza "mama je oprala okvir", potem virus ne bo mogel okužiti bakterije, ki prepozna besedo "mama", ampak bo bakterija, ki cilja na besedo "stric", brez obrambe. Če virusu uspe mutirati in se spremeniti v, recimo, "ženska je oprala okvir", potem bo prva bakterija izgubila zaščito.
Zakaj se je odkritje »bakterijske imunosti« znašlo na samem vrhu seznama najpomembnejših dosežkov v molekularni biologiji? Ne gre za bakterije same ali celo za viruse.
Izmerite delček DNK
Znanstveniki, ki so opisali ta mehanizem, so skoraj takoj opozorili na najpomembnejšo podrobnost tega procesa. Restrikcijski encimi (natančneje ena od vrst teh encimov) so sposobni rezati DNK na jasno določeni točki. Če se vrnemo k naši analogiji, se encim, ki cilja na besedo "mama" v DNK, veže na to besedo in jo prereže na primer med tretjo in četrto črko.
Tako so raziskovalci prvič lahko "izrezali" fragmente DNK, ki so jih potrebovali iz genomov. S pomočjo posebnih "lepilnih" encimov bi nastale fragmente lahko zlepili skupaj - tudi v določenem vrstnem redu. Z odkritjem restrikcijskih encimov so imeli znanstveniki v rokah vsa potrebna orodja za »sestavljanje« DNK. Sčasoma se je za označevanje tega procesa uveljavila nekoliko drugačna metafora – genski inženiring.
Čeprav danes obstajajo druge metode dela z DNK, velika večina bioloških raziskav v zadnjih dvajsetih do tridesetih letih ne bi bila mogoča brez restrikcijskih encimov. Od transgenih rastlin do genske terapije, od rekombinantnega insulina do induciranih matičnih celic, vsako delo, ki vključuje genetsko manipulacijo, uporablja to »bakterijsko orožje«.
Spoznaj sovražnika na pogled
Imunski sistem sesalcev – vključno s človekom – ima tako prirojene kot pridobljene obrambne mehanizme. Prirojene komponente imunskega sistema se običajno odzovejo na nekaj skupnega, kar združuje veliko sovražnikov telesa hkrati. Na primer, prirojeni imunski sistem lahko prepozna komponente bakterijske celične stene, ki so skupne tisočim različnim mikrobom.
Pridobljena imunost temelji na pojavu imunološkega spomina. Prepozna specifične sestavine določenih patogenov in si jih »zapomni« za prihodnost. Cepljenje temelji na tem: imunski sistem se »trenira« na poginulem virusu ali bakteriji, kasneje, ko v telo vstopi živ povzročitelj, ga »prepozna« in na mestu uniči.
Prirojena imuniteta je mejna kontrolna točka. Ščiti pred vsem hkrati in nič posebej. Pridobljena imunost je ostrostrelec, ki sovražnika pozna na pogled. Kot se je izkazalo leta 2012, imajo tudi bakterije nekaj podobnega.
Če je restrikcija bakterijski analog prirojene imunosti, potem vlogo pridobljene imunosti pri bakterijah opravlja sistem s precej okornim imenom CRISPR/Cas9 ali "Crisper".
Bistvo Crisperjevega dela je naslednje. Ko je bakterija pod virusnim napadom, skopira del DNK virusa na posebno mesto v lastnem genomu (to »repozitorij« informacij o virusih se imenuje CRISPR). Na podlagi teh shranjenih "fotografskih slik" virusa bakterija nato naredi sondo RNK, ki lahko prepozna virusne gene in se nanje veže, če virus poskuša znova okužiti bakterijo.
Sama sonda RNA je neškodljiva za virus, vendar tu nastopi še en igralec: protein Cas9. To so "škarje", ki so odgovorne za uničenje virusnih genov - kot restrikcijski encim. Cas9 zgrabi sondo RNA in se, kot na povodcu, dostavi virusni DNK, nato pa dobi signal: rez!
Celoten sistem je sestavljen iz treh bakterijskih komponent:
1) Shranjevanje DNK "fotografskega kompleta" starih virusov;
2) RNA sonda, izdelana na podlagi teh "foto slik" in sposobna identificirati virus iz njih;
3) proteinske "škarje", pritrjene na sondo RNK in režejo virusno DNK točno na točki, od koder je bila zadnjič posneta "foto skica".
Skoraj takoj po odkritju te »bakterijske imunosti« so vsi pozabili na bakterije in njihove viruse. Znanstvena literatura je eksplodirala od navdušenih člankov o potencialu sistema CRISPR/Cas9 kot orodja za genetski inženiring in medicino prihodnosti.
Tako kot pri restrikcijskih encimih je sistem Crisper sposoben rezati DNK na točno določeni točki. Toda v primerjavi s "škarjami", ki so jih odkrili v sedemdesetih, ima ogromne prednosti.
Restrikcijske encime biologi uporabljajo za "sestavljanje" DNK izključno v epruveti: najprej morate proizvesti želeni fragment (na primer modificiran gen) in ga šele nato vnesti v celico ali organizem. "Crisper" lahko reže DNK na kraju samem, kar v živi celici. To omogoča ne le proizvodnjo umetno uvedenih genov, temveč tudi "urejanje" celotnih genomov: na primer, odstraniti nekatere gene in na njihovo mesto vstaviti nove. Še pred kratkim so lahko o tem le sanjali.
Kot je postalo jasno v zadnjem letu, je sistem CRISPR nezahteven in lahko deluje v kateri koli celici: ne le bakterijski, ampak tudi mišji ali človeški. "Namestitev" v želeno celico je precej preprosta. Načeloma je to možno tudi na ravni celotnih tkiv in organizmov. To bo v prihodnosti omogočilo popolno odstranitev okvarjenih genov, na primer tistih, ki povzročajo raka, iz genoma odrasle osebe.
Recimo, da fraza "mama je oprala okvir", ki je prisotna v vašem genomu, povzroči v vas boleče hrepenenje po spolnih stereotipih. Da bi se znebili te težave, potrebujete protein Cas9 – vedno isti – in par sond RNA, ki ciljajo na besedi "mama" in "rama". Te sonde so lahko karkoli - sodobne metode omogočajo, da jih sintetiziramo v nekaj urah. Količinskih omejitev sploh ni: genom lahko "razrežete" vsaj na tisoč točkah hkrati.
Ciljno prilagajanje telesa
Toda vrednost Crisperja ni omejena na funkcijo škarij. Kot ugotavljajo številni avtorji, je ta sistem prvo nam znano orodje, s katerim je mogoče organizirati "srečanje" določenega proteina, določene RNK in določene DNK hkrati. To samo po sebi odpira ogromne priložnosti za znanost in medicino.
Na primer, lahko izklopite škarjasto funkcijo proteina Cas9 in namesto tega nanj vežete drug protein – recimo genski aktivator. Nastali par lahko s pomočjo ustrezne RNK sonde pošljemo na želeno točko v genomu: na primer na slabo delujoč insulinski gen pri nekaterih diabetikih. S tako organizacijo srečanja aktivacijskega proteina in izklopljenega gena je mogoče natančno in fino uravnati delovanje telesa.
Lahko vežete ne samo aktivatorje, ampak karkoli na splošno - recimo beljakovino, ki lahko nadomesti okvarjen gen z njegovo "rezervno kopijo" iz drugega kromosoma. Na ta način bo v prihodnosti mogoče pozdraviti na primer Huntingtonovo bolezen. Glavna prednost sistema CRISPR v tem primeru je prav njegova sposobnost "pošiljanja ekspedicij" na katero koli točko v DNK, ki jo lahko programiramo brez večjih težav. Kakšna je naloga posamezne odprave, določa le domišljija raziskovalcev.
Danes je težko natančno reči, katere težave bo sistem CRISPR/Cas9 lahko rešil čez nekaj desetletij. Globalna skupnost genetikov je zdaj podobna otroku, ki so ga spustili v ogromno dvorano, do zadnjega polno igrač. Vodilna znanstvena revija Science je pred kratkim izdala pregled najnovejših dosežkov na tem področju, imenovan "The CRISPR Craze". Pa vendar je že očitno: bakterije in temeljna znanost so nam ponovno dale tehnologijo, ki bo spremenila svet.
Januarja so se pojavila poročila o rojstvu prvih primatov, katerih genom je bil uspešno spremenjen s sistemom CRISPR/Cas9. Kot testni poskus so opicam dali mutacije dveh genov: enega, ki je povezan z delovanjem imunskega sistema, in drugega, odgovornega za odlaganje maščobe, kar nejasno namiguje na možno uporabo metode pri homo sapiensu. Morda reševanje problema debelosti z genskim inženiringom ni tako oddaljena prihodnost.
Bioheker Joshua Zayner želi ustvariti svet, v katerem lahko vsakdo in ima pravico eksperimentirati s svojo DNK. Zakaj ne?
»Tukaj imamo nekaj DNK in brizgo,« pravi Josiah Zayner v sobo, polno sintetičnih biologov in drugih raziskovalcev. Napolni iglo in jo zabode v kožo. "Spremenil bo moje mišične gene in mi dal več mišične mase."
Zayner, bioheker, ki eksperimentira z biologijo v DIY in ne v običajnem laboratoriju, je imel govor na konferenci SynBioBeta v San Franciscu, "Vodnik po korakih za genetsko spreminjanje sebe s CRISPR", kjer so druge predstavitve vključevale akademike v oblekah. in mladi izvršni direktorji tipičnih biotehnoloških startupov. Za razliko od drugih je svoj govor začel z razdelitvijo vzorcev in knjižic, ki so razlagale osnove genetskega inženiringa »naredi si sam«.
Biohacker Zayner je imel predstavitev na konferenci SynBioBeta "Vodnik po korakih za genetsko spreminjanje sebe z uporabo CRISPR"
Če se želite gensko spremeniti, ni nujno, da je težko. Ko je vzorce v majhnih vrečkah ponudil množici, je Zayner pojasnil, da je potreboval približno pet minut, da je naredil DNK, ki ga je prinesel na predstavitev. V epruveti je bil Cas9, encim, ki reže DNK na določeni lokaciji, poravnano z vodilno RNK v sistemu za urejanje genov, znanem kot CRISPR. V tem primeru je bil zasnovan tako, da izklopi gen za miostatin, ki proizvaja hormon, ki omejuje rast mišic in zmanjšuje mišično maso. V študiji, izvedeni na Kitajskem, so psi z urejenim genom podvojili mišično maso. Če je kdo v občinstvu želel poskusiti, je lahko cevko odnesel domov in jo dal pozneje. Tudi če ga kapljate na kožo, je dejal Zeiner, boste imeli učinek, čeprav omejen.
Zayner ima doktorat iz molekularne biologije in biofizike, delal pa je tudi kot znanstvenik pri Nasi pri spreminjanju organizmov za življenje na Marsu. Verjame pa, da bi sintetična biologija za urejanje drugih organizmov ali vas lahko postala tako enostavna za uporabo kot na primer CMS za ustvarjanje spletne strani.
»Ni vam treba vedeti, kateri promotor uporabiti, da bo pravi gen ali del DNK deloval,« pravi z nekaj tehničnega žargona iz genskega inženiringa. »Nočete vedeti, kateri terminator uporabiti ali izvor replikacije ... Inženir, ki programira DNK, mora vedeti, kako to narediti. Toda edina stvar, ki jo morate vedeti, je, da hočem, da je goba vijolična. Ni treba, da je bolj zapleteno. Vse to je povsem mogoče – gre le za izgradnjo infrastrukture in platforme, tako da lahko to počne vsak.«
Seveda trgovina z aplikacijami za gensko urejanje še ni bila izdelana. Toda lepo število biohekerjev se je naučilo dovolj, da – včasih nepremišljeno – eksperimentirajo na sebi. Več ljudi, ki jih Zayner pozna, si je na primer začelo vbrizgavati miostatin. "To se dogaja prav zdaj," pravi. "Vse te stvari so se začele pojavljati šele v zadnjih nekaj tednih." Prezgodaj je še reči, ali so injekcije izboljšale eksperimentatorje ali povzročile težave, vendar nekateri upajo, da bodo rezultati vidni v prihodnjih mesecih.
Kljub času, ki ga je preživel v akademskem svetu, Zayner očitno ni tipičen raziskovalec in se izogiba ideji, da bi morali biti poskusi omejeni na laboratorije. Ko je pri Nasi začel komunicirati z drugimi biohekerji prek poštnega seznama in izvedel za težave tistih, ki so želeli delati DIY – dobavitelje je bilo težko najti in niso vedno pošiljali potrebnih naročil tistim, ki niso imeli laboratorij – leta 2013 je ustanovil podjetje, imenovano The ODIN (Open Discovery Institute, in poklon norveškemu bogu), da bi pošiljal komplete in orodja ljudem, ki želijo delati v svoji garaži ali sobi. Leta 2015, potem ko se je odločil zapustiti Naso, ker mu ni bilo všeč delo v njihovem konzervativnem okolju, je začel uspešno kampanjo zbiranja sredstev za komplet DIY CRISPR.
»Edino, kar morate vedeti, je, da hočem, da je goba vijolična. Ne bi smelo biti nič težje."
Leta 2016 je prodal izdelke v vrednosti 200.000 dolarjev, vključno s kompletom kvasovk, ki ga je mogoče uporabiti za gorivo žarečega bioluminiscenčnega piva, kompletom za odkrivanje antibiotikov doma in popolnim domačim laboratorijem za ceno MacBook Proja. Pričakuje, da se bo prodaja v letu 2017 podvojila. Veliko kompletov je preprostih in večina kupcev jih verjetno ne uporablja za zamenjavo (veliko kompletov gre v šole). Toda Zayner tudi upa, da bodo ljudje, ko bodo pridobili več znanja, eksperimentirali na bolj nenavadne načine.
Zayner prodaja celoten domači laboratorij za biohekanje približno za ceno MacBook Proja.
Sprašuje se, ali so tradicionalne raziskovalne metode, kot so randomizirana kontrolirana preskušanja, edini način za odkritja, pri čemer poudarja, da je v novi personalizirani medicini (kot je imunoterapija raka, ki je prilagojena za vsakega bolnika) velikost vzorca ene osebe smiselna. V svojem govoru je trdil, da bi morali imeti ljudje možnost eksperimentirati sami, če to želijo; svoj DNK spremenimo, ko pijemo alkohol ali kadimo cigarete ali dihamo umazan mestni zrak. Številna družbeno sankcionirana dejanja so bolj nevarna. "Mogoče milijon ljudi na leto podarimo avtomobilskim bogovom," je dejal. "Če nekoga vprašate:" Bi se radi znebili avtomobilov? - Ne." (Zayner je eksperimentiral na različne načine, vključno z ekstremno fekalno presaditvijo, ki jo je naredil sam, za katero pravi, da je pozdravil njegove prebavne težave; bolnikom z rakom pomaga tudi z imunoterapijo, ki jo naredi sam).
Če spremenite svojo DNK, lahko daste sekvencirati svoj genom, da vidite, ali je prišlo do spremembe. Toda garažni poskus morda ne bo zagotovil toliko informacij kot običajne metode. "Lahko dokažete, da ste spremenili DNK, vendar to ne pomeni, da je varno ali učinkovito," pravi George Church, profesor genetike na Harvard Medical School (ki je tudi svetovalec Zaynerjevega podjetja in priznava vrednost biološko pismene javnosti v biologiji stoletja). »Vse, kar vam pove, je, da ste opravili pravo delo, vendar je lahko nevarno, ker ste spremenili tudi nekaj drugega. Morda je neučinkovito v smislu, da ni bilo spremenjenih dovolj celic ali pa je prepozno in je škoda že storjena.« Če se na primer otrok rodi z mikrocefalijo, sprememba genov v njegovem telesu verjetno ne bo vplivala na njegove možgane.
"Živimo v neverjetnem času, ko se po zaslugi CRISPR učimo toliko o biologiji in genetiki, a še vedno veliko ne vemo o varnosti urejanja človeških celic s CRISPR."
Vsakdo, ki si želi vbrizgati modificirano DNK, tvega brez dovolj podatkov - ali morda kakršnih koli resničnih podatkov - o tem, kaj bi se lahko zgodilo, da bi lahko sprejel premišljeno odločitev. To je verjetno samoumevno: ne poskušajte tega doma. »Živimo v neverjetnem času, ko se po zaslugi CRISPR učimo toliko o biologiji in genetiki, a še vedno veliko ne vemo o varnosti urejanja človeških celic s CRISPR,« pravi Alex Marson, raziskovalec mikrobiologije in imunologije na kalifornijski univerzi v San Franciscu in strokovnjak za CRISPR. "Bistvenega pomena je, da gre v vsakem primeru skozi stroge in preverjene varnostne teste in da je opravljeno na odgovoren način."
V Nemčiji je biološko hekanje zdaj nezakonito in osebi, ki izvaja poskuse zunaj licenciranega laboratorija, grozi denarna kazen v višini 50.000 evrov ali tri leta zapora. Svetovna protidopinška agencija zdaj prepoveduje vse oblike urejanja genov pri športnikih. Vendar biohakiranje v ZDA še ni regulirano. In Zayner meni, da sploh ne bi smel; primerja skrbi glede učenja uporabe sintetične biologije s skrbmi glede učenja uporabe računalnikov v zgodnjih osemdesetih. (Citira intervju iz leta 1981, v katerem je Ted Koppel vprašal Steva Jobsa, ali obstaja nevarnost, da bi ljudi nadzorovali računalniki.) Zayner upa, da bo še naprej pomagal čim več ljudem, da postanejo bolj "pismeni o DNK."
»Želim živeti v svetu, kjer se ljudje gensko spreminjajo. Želim živeti v svetu, kjer so vse te kul stvari, ki jih vidimo v znanstvenofantastičnih televizijskih oddajah, resnične. Mogoče sem nor in neumen … ampak mislim, da je verjetno res mogoče.«
Zato si je vbrizgal pred množico na konferenci. "Želim, da se ljudje nehajo prepirati o tem, ali je v redu uporabljati CRISPR ali ne, ali je v redu, da se gensko spreminjate," pravi. »Prepozno je: namesto tebe sem se odločil. Razprave je konec. Nadaljujmo. Uporabimo genski inženiring, da pomagamo ljudem. Ali pa jim dajte vijolično kožo."
Dedne informacije se prenašajo iz ene generacije mikroorganizmov v drugo z velikim številom genov, ki jih vsebuje nukleotid vsake celice. Informacije, ki jih vsebuje gen, se preberejo in uporabijo za sintezo specifičnega encimskega proteina. Prisotnost tega encimskega proteina ustvarja kemično osnovo za manifestacijo določene lastnosti v mikroorganizmu. Posledično so vse dedne lastnosti mikroorganizmov končni produkti biokemičnih procesov, kar velja enako za fiziološke in morfološke značilnosti.
En gen lahko nadzoruje dedovanje ene lastnosti ali določa več ali več lastnosti, ki vplivajo na različne dele celice mikroorganizma. V drugih primerih lahko več genov skupaj nadzoruje izražanje ene same lastnosti. V bakterijskem kromosomu so vsi geni razporejeni v linearnem zaporedju. Geni za določene lastnosti ležijo na ustreznih mestih na kromosomu, imenovanih lokusi. Bakterije so običajno haploidne: imajo samo en sklop genov.
Celoten nabor genov, ki jih ima celica mikroorganizma, predstavlja genotip tega mikroorganizma. Manifestacija dednih morfoloških značilnosti in fizioloških procesov pri posameznikih se imenuje fenotip (iz grščine faino - manifestirati, pokazati). Po genotipu podobni mikroorganizmi se lahko bistveno razlikujejo po fenotipu, to je po načinu izražanja dednih lastnosti. Fenotipske razlike med mikroorganizmi istega genotipa imenujemo modifikacije (fenotipske prilagoditve). Tako lahko interakcija genetskih nagnjenj z zunanjim okoljem povzroči nastanek različnih fenotipov, tudi če so genotipi enaki. Vendar je potencialna velikost takih fenotipskih razlik nadzorovana z genotipom.
Spremembe praviloma obstajajo, dokler deluje specifični okoljski dejavnik, ki jih je povzročil; ne prenašajo se na potomce in jih ti ne podedujejo. Tako tretiranje bakterij z bički s fenolom prepreči razvoj bičkov v teh organizmih. Vendar pa potomstvo bakterij brez bičkov, obdelanih s fenolom, ki rastejo na gojiščih brez fenolov, razvije normalne bičke.
Ugotovljeno je bilo, da so skoraj vse morfološke in fiziološke značilnosti mikroorganizmov neposredno ali posredno nadzorovane z genetsko informacijo v DNK.
Informacije, ki jih nosi DNK, niso nekaj absolutno stabilnega in nespremenljivega. Če informacije, ki se prenašajo iz ene generacije v drugo, ne bi bile sposobne spreminjati, potem bi bil tudi razpon reakcij sorodnih organizmov na dejavnike okolja stalen in vsaka nenadna sprememba v njih, ki bi se izkazala za škodljivo za mikroorganizme z zamrznjenim genotipom, lahko povzroči izumrtje vrste. Posledično informacije, ki se prenašajo iz generacije v generacijo, niso absolutno stabilne, kar se izkaže za koristno za preživetje vrste.
Spremembe v genotipu, imenovane mutacije (iz latinskega mutare - spreminjati), se pojavijo spontano, torej po naključju. Takšne mutacije povzročijo dramatične spremembe v posameznih genih, ki so odgovorni za informacije v celici. Redke napake replikacije DNK praviloma ne spremljajo velike spremembe informacij, ki vključujejo veliko število različnih znakov. Vendar so organizmi razvili druge mehanizme, ki prispevajo k nastanku dramatično spremenjene dednosti pri potomcih. Ti mehanizmi vključujejo povezovanje in običajno takojšnje mešanje (rekombinacijo) genov, ki pripadajo tesno sorodnim, vendar genotipsko različnim organizmom. Med genetsko rekombinacijo se fragmenti kromosoma mikroorganizma darovalca vstavijo v kromosom ene mikrobne celice, ki služi kot prejemnik.
Pri mikroorganizmih lahko sposobnost rekombinacije genov predstavimo v obliki diagrama.
Trenutno so pri mikroorganizmih poznane tri vrste prenosa znakov od darovalca do prejemnika: transformacija, konjugacija in transdukcija. mikroorganizem aerobna železova sol
Mutacija: alel, ki se pojavi v populaciji s frekvenco, ki je enaka ali manjša od 1 %. Vzrok za variabilnost organizmov ni le kombinacijska variabilnost, ampak tudi mutacije. To so spremembe v genomu, ki so bodisi v pojavu novih alelov (imenujejo se genske mutacije) bodisi v preureditvi kromosomov, na primer v prenosu dela enega kromosoma v drugega (takrat se imenujejo kromosomske mutacije) ali v spremembah v genomu (genomske mutacije). Primer genomske mutacije je sprememba števila kromosomov v celici. Posamezne mutacije se pojavljajo redko. Na primer, genske mutacije se pojavijo v približno enem genu na sto tisoč ali celo milijon. Ker pa je genov lahko kar veliko, mutacije pomembno prispevajo k variabilnosti. Mutacije so bile obravnavane zgoraj tako v povezavi z DNK kot v povezavi z Morganovim delom. Pri Morganu je bil znak mutacije nekakšna morfološka razlika pri Drosophili, ki je podedovana. Pokazalo je, da se genetski material mutanta razlikuje od genoma divjih muh. Od kod izvira, se sprva niso vprašali. Mutacije so naključno nastale trajne spremembe v genotipu, ki prizadenejo celotne kromosome, njihove dele ali posamezne gene. Mutacije so lahko velike in jasno vidne, na primer pomanjkanje pigmenta (albinizem), pomanjkanje perja pri piščancih (slika 11), kratke noge itd. Najpogosteje pa so mutacijske spremembe majhna, komaj opazna odstopanja od norme. Izraz "mutacija" je v genetiko uvedel eden od znanstvenikov, ki je ponovno odkril Mendelove zakone - G. de Vries leta 1901 (iz latinskega mutatio - sprememba, sprememba). Ta izraz je pomenil na novo nastale, brez sodelovanja križanj, dedne spremembe. Kot smo že omenili, delimo mutacije na genske mutacije, kromosomske mutacije in genomske mutacije (slika 118). Treba je opozoriti, da se s kromosomskimi in genomskimi mutacijami v genomu ne pojavijo novi geni; v resnici je to nekaj premešanja starih genov. Na prvi pogled bi bilo tako variabilnost bolj logično pripisati kombinacijski variabilnosti. Vendar pa lahko pri določanju spola pojav dodatnega kromosoma X v genomu povzroči radikalne spremembe v fenotipu. Zato je v zgodovini obstajala tradicija, da se takšne spremembe genoma razvrstijo kot mutacije. Poleg razvrščanja mutacij po načinu nastanka jih razvrščamo tudi po drugih značilnostih. 1). Neposredne mutacije so mutacije, ki povzročijo odstopanje od divjega tipa. Povratne mutacije so vrnitev v divji tip. 2). Če pride do mutacij v zarodnih celicah, jih imenujemo generativne mutacije (iz lat. generatio - rojstvo), in če v drugih celicah telesa - somatske mutacije (iz grške soma - telo). Somatske mutacije se lahko prenesejo na potomce med vegetativnim razmnoževanjem. 3). Na podlagi rezultatov so mutacije razdeljene na koristne, nevtralne in škodljive (vključno s sterilnimi, polsmrtnimi in smrtonosnimi). Polletalne mutacije so škodljive mutacije, ki močno zmanjšajo sposobnost preživetja, vendar niso usodne, medtem ko letalne mutacije povzročijo smrt organizma na eni ali drugi stopnji razvoja. Sterilne mutacije so tiste, ki ne vplivajo na sposobnost preživetja organizma, vendar močno (pogosto na nič) zmanjšajo njegovo plodnost. Nevtralne mutacije so mutacije, ki ne spremenijo sposobnosti preživetja organizma. Običajno se DNK natančno kopira med postopkom replikacije in ostane nespremenjena med dvema zaporednima replikacijama. Toda občasno pride do napak in zaporedje DNK se spremeni – te napake imenujemo mutacije. Mutacija je stabilna dedna sprememba DNK, ne glede na njen funkcionalni pomen. Ta definicija implicira spremembo primarnega nukleotidnega zaporedja, medtem ko se druge spremembe, kot je metilacija, običajno pripisujejo epigenetskim dogodkom. Mutacije somatskih celic lahko povzročijo procese staranja, raka in druge manj pomembne spremembe v telesu. Mutacije v zarodnih celicah staršev podedujejo otroci. Ideja, da so mutacije na splošno stabilne, ostaja pravilna, vendar odkritje dinamičnih mutacij zaradi povečanja števila ponovitev trinukleotidov kaže, da se nekatere mutacije spremenijo med somatsko delitvijo ali delitvijo zarodnih celic. Nekatere mutacije so smrtonosne in jih ni mogoče prenesti na naslednjo generacijo, druge pa niso tako nevarne in ostanejo v potomcih. Z evolucijskega vidika zagotavljajo mutacije dovolj genske raznolikosti, da se vrste prilagodijo okoljskim razmeram z naravno selekcijo. Za vsak genetski lokus je značilna določena stopnja variabilnosti, to je prisotnost različnih alelov ali variant zaporedij DNK pri različnih posameznikih. Glede na gen delimo alele v dve skupini - normalne ali divje alele, pri katerih delovanje gena ni moteno, in mutirane alele, ki vodijo do motenj gena. V kateri koli populaciji in za kateri koli gen prevladujejo aleli divjega tipa. Pod mutacijo razumemo vse spremembe v zaporedju DNK, ne glede na njihovo lokacijo in vpliv na sposobnost preživetja posameznika. Tako je koncept mutacije širši od pojma mutantnega alela. V znanstveni literaturi se različice genskih zaporedij, ki jih pogosto najdemo v populacijah in ne povzročajo opaznih okvar delovanja, običajno obravnavajo kot nevtralne mutacije ali polimorfizme, medtem ko se pojma »mutacija« in »mutantni alel« pogosto uporabljata izmenično. Mutacije lahko vključujejo dele DNK različnih dolžin. To je lahko en sam nukleotid, v tem primeru bomo govorili o točkovni mutaciji ali razširjenem delu molekule. Poleg tega lahko glede na naravo sprememb govorimo o nukleotidnih substitucijah, delecijah in insercijah (insercijah) ter inverzijah. Proces mutacij imenujemo mutageneza. Glede na dejavnike, ki povzročajo mutacije, jih delimo na spontane in inducirane. Spontane mutacije se pojavljajo spontano v celotnem življenju organizma v normalnih okoljskih razmerah. Spontane mutacije v evkariontskih celicah se pojavljajo s frekvenco 10-9-10-12 na nukleotid na celično generacijo. Inducirane mutacije so tiste, ki nastanejo kot posledica mutagenih učinkov v eksperimentalnih pogojih ali pod neugodnimi vplivi okolja. Med najpomembnejšimi mutagenimi dejavniki je treba najprej opozoriti na kemične mutagene - organske in anorganske snovi, ki povzročajo mutacije, pa tudi ionizirajoče sevanje. Med spontanimi in induciranimi mutacijami ni bistvenih razlik. Večina spontanih mutacij nastane kot posledica mutagenih učinkov, ki jih eksperimentator ne zabeleži. Poudariti je treba, da je uporabnost ali škodljivost mutacij odvisna od življenjskih razmer: v nekaterih okoljskih razmerah je določena mutacija škodljiva, v drugih pa koristna. Na primer, mutacija, ki povzroča albinizem, bo koristna za prebivalce Arktike, saj bo zagotovila belo zaščitno obarvanost, vendar bo škodljiva, razkrita za živali, ki živijo v drugih pogojih. Variacije zagotavljajo material za delovanje naravne selekcije in so podlaga za evolucijski proces. Mutacije dajejo rejcem material za delo. Proizvodnja in selekcija koristnih (za človeka) mutacij sta osnova za ustvarjanje novih vrst rastlin, živali in mikroorganizmov. Razvrstitev mutacij temelji na molekularnih procesih njihovega nastanka.
Zgodovina nastanka mikrobiologije kot vede
Mikrobiologija (iz grščine micros. majhen, bios. življenje, logos. nauk) je veda, ki proučuje zgradbo, življenjsko aktivnost in ekologijo mikroorganizmov najmanjših življenjskih oblik rastlinskega ali živalskega izvora, nevidnih prostemu očesu.
Mikrobiologija proučuje vse predstavnike mikrokozmosa (bakterije, glive, praživali, virusi). Mikrobiologija je v svojem bistvu temeljna biološka veda. Pri proučevanju mikroorganizmov uporablja metode drugih ved, predvsem fizike, biologije, bioorganske kemije, molekularne biologije, genetike, citologije in imunologije. Kot vsako znanost se tudi mikrobiologija deli na splošno in specifično. Splošna mikrobiologija preučuje vzorce strukture in vitalne aktivnosti mikroorganizmov na vseh ravneh. molekularni, celični, populacijski; genetika in njihov odnos do okolja. Predmet študija zasebne mikrobiologije so posamezni predstavniki mikrosveta, odvisno od njihove manifestacije in vpliva na okolje, živo naravo, vključno s človekom. Posebne veje mikrobiologije so: medicinska, veterinarska, kmetijska, tehnična (biotehnološki oddelek), morska, vesoljska mikrobiologija. Medicinska mikrobiologija proučuje mikroorganizme, patogene za človeka: bakterije, viruse, glive, praživali. Glede na naravo proučevanih patogenih mikroorganizmov se medicinska mikrobiologija deli na bakteriologijo, virologijo, mikologijo in protozoologijo. Vsaka od teh disciplin obravnava naslednja vprašanja: - morfologijo in fiziologijo, tj. izvaja mikroskopske in druge raziskave, proučuje presnovo, prehrano, dihanje, pogoje rasti in razmnoževanja, genetske značilnosti patogenih mikroorganizmov; - vloga mikroorganizmov v etiologiji in patogenezi nalezljivih bolezni; - glavne klinične manifestacije in razširjenost povzročenih bolezni; - specifično diagnostiko, preprečevanje in zdravljenje nalezljivih bolezni; - ekologija patogenih mikroorganizmov. Medicinska mikrobiologija vključuje tudi sanitarno, klinično in farmacevtsko mikrobiologijo. Sanitarna mikrobiologija proučuje mikrofloro okolja, odnos mikroflore s telesom, vpliv mikroflore in njenih presnovnih produktov na zdravje ljudi ter razvija ukrepe za preprečevanje škodljivih učinkov mikroorganizmov na človeka. Osredotočite se na klinično mikrobiologijo. Vloga oportunističnih mikroorganizmov pri pojavu bolezni človeka, diagnostika in preprečevanje teh bolezni. Farmacevtska mikrobiologija preučuje nalezljive bolezni zdravilnih rastlin, kvarjenje zdravilnih rastlin in surovin pod vplivom mikroorganizmov, kontaminacijo zdravil med pripravo, pa tudi končne oblike zdravil, metode asepse in antiseptike, dezinfekcijo pri proizvodnji zdravil. izdelki, tehnologija za pridobivanje mikrobioloških in imunoloških diagnostičnih, preventivnih in zdravilnih učinkovin. Veterinarska mikrobiologija preučuje ista vprašanja kot medicinska mikrobiologija, vendar v povezavi z mikroorganizmi, ki povzročajo bolezni živali. Mikroflora tal, flora, njen vpliv na rodovitnost, sestava tal, kužne bolezni rastlin itd. so v središču kmetijske mikrobiologije. Morska in vesoljska mikrobiologija proučujeta mikrofloro morij in rezervoarjev ter vesolja in drugih planetov. Tehnična mikrobiologija, ki je del biotehnologije, razvija tehnologijo za pridobivanje različnih produktov iz mikroorganizmov za narodno gospodarstvo in medicino (antibiotiki, cepiva, encimi, beljakovine, vitamini). Osnova sodobne biotehnologije je genski inženiring. Številna odkritja na področju mikrobiologije, proučevanje odnosov med makro- in mikroorganizmi v drugi polovici 19. stoletja. prispeval k začetku hitrega razvoja imunologije. Sprva je bila imunologija obravnavana kot znanost o odpornosti telesa na nalezljive bolezni. Trenutno je postala splošna medicinska in splošna biološka veda. Dokazano je, da imunski sistem služi za zaščito telesa ne samo pred mikrobnimi povzročitelji, ampak tudi pred vsemi snovmi, ki so telesu genetsko tuje, da bi ohranili stalnost notranjega okolja telesa, tj. homeostazo. Imunologija je osnova za razvoj laboratorijskih metod za diagnosticiranje, preprečevanje in zdravljenje nalezljivih in številnih neinfekcijskih bolezni ter razvoj imunobioloških zdravil (cepiva, imunoglobulini, imunomodulatorji, alergeni, diagnostična zdravila). Imunobiotehnologija se ukvarja z razvojem in proizvodnjo imunobioloških zdravil. samostojna veja imunologije. Sodobna medicinska mikrobiologija in imunologija sta dosegli velike uspehe in igrata veliko vlogo pri diagnostiki, preprečevanju in zdravljenju infekcijskih in številnih neinfekcijskih bolezni, povezanih z motnjami imunskega sistema (onkološke, avtoimunske bolezni, presaditve organov in tkiv itd.). ).
Železne transformacije
V normalnem zmernem podnebju zdrava oseba potrebuje 10-15 mg železa na dan s hrano. Ta količina je povsem dovolj, da pokrije njegove izgube iz telesa. Naše telo vsebuje od 2 do 5 g železa, odvisno od ravni hemoglobina, teže, spola in starosti. Še posebej veliko ga je v krvnem hemoglobinu - dve tretjini celotne količine, ki jo vsebuje telo; ostalo je shranjeno v notranjih organih, predvsem v jetrih.
Železo iz hrane se absorbira v črevesju in transportira v krvne žile, kjer ga ujame posebna transportna beljakovina. Ta protein je bil prvič odkrit leta 1920 v krvnem serumu. Toda metode analize, ki so obstajale v tistem času, nam niso omogočile natančne določitve njegove strukture. Šele leta 1945 sta švedska znanstvenika K-Holmberg in K.-B. Laurel je podrobno preučil to beljakovino, ki vsebuje železo, ugotovil njeno naravo in jo poimenoval "transferin".
Zanimivo je, da so podoben protein leta 1939 izolirali tudi iz mleka in ga poimenovali "laktoferin". Molekulske mase teh proteinov so približno enake in znašajo približno 80 tisoč. Sposobni so vezati 2 atoma železa, kar jim daje značilno rdečkasto barvo. Laktoferin so nato odkrili v solzah, žolču in drugih telesnih tekočinah. Strogo gledano, transportne beljakovine opravljajo podobno funkcijo kot hemoglobin, le da ne prenašajo kisika, ampak železo in trivalentno železo. Prevaža se predvsem v kostni mozeg, majhen del vstopi v jetra in vranico, kjer se shrani kot rezervni sklad; majhna količina gre za tvorbo mioglobina in nekaterih encimov tkivnega dihanja. Glavni organi, v katerih poteka presnova železa, so kostni mozeg, jetra in tanko črevo, kjer so posebni receptorji, ki služijo za sprejem transferina.
V kostnem mozgu se tvorijo hemoglobin in rdeče krvne celice, katerih življenjska doba je približno 4 mesece. Po tem času se hemoglobin uniči in razpade na hem in globin. Nadaljnje transformacije teh snovi potekajo na različne načine. Globin se hidrolizira v aminokisline, hem pa se v jetrih pretvori v žolčne pigmente – zeleni biliverdin, ki se reducira v bilirubin, ki je rumeno-oranžen ali rjav. Le majhen del teh pigmentov pride ponovno v kri, večinoma pa se izločijo iz telesa. Pri boleznih jeter, kot je zlatenica, pride v kri prekomerna količina bilirubina, ki daje značilno rumeno barvo kože in beločnic.
Zgoraj smo rekli, da je nekaj železa v telesu shranjeno v rezervi. V normalnih pogojih je to rezervno železo del rdeče-rjave vodotopne beljakovine feritina, ki je razširjena v rastlinskem in živalskem svetu. Najdemo ga v vretenčarjih, nevretenčarjih, rožah in celo gobah. To kaže na njegovo univerzalno vlogo in starodavni evolucijski izvor. Feritin je prvi izoliral F. Laufberger leta 1937 iz konjske vranice. Nekoliko kasneje je bila ugotovljena njegova vloga spojine, ki kopiči železo v telesu. Molekule feritina so agregati železa v obliki kompleksnih spojin, obdanih z apoferitnim proteinom z molekulsko maso 480 tisoč. Tak kompleks lahko vsebuje do 4,5 tisoč atomov železa. Če je transferin po vrednosti podoben hemoglobinu, potem je feritin v tem pogledu podoben mioglobinu.
Torej, glavna količina železa kroži po našem telesu, nekaj se kopiči v feritinu, zelo majhna količina pa se usede v obliki netopnih zrnc beljakovine hemosiderina. Železo se lahko dolgo časa skladišči v feritinu in hemosiderinu - dokler ga telo nujno ne potrebuje, na primer med izgubo krvi. Nato se rezervno železo porabi za sintezo hemoglobina. Kako se pridobiva iz skladiščnih beljakovin, še ni natančno ugotovljeno. Po vsej verjetnosti vrsta snovi, ki so tako ali drugače povezane z železom v našem telesu, ni ugotovljenih.
Mikroorganizmi in okolje. Fizični dejavniki (koncentracija soli)
Prejšnja poglavja so opisala različne mikroorganizme, razvrščene glede na njihove fiziološke in biokemične lastnosti. Omenjeni so bili tudi habitati. Pridobljene informacije nam zdaj omogočajo, da razmislimo o odnosu mikroorganizmov do njihovega okolja. Najprej se bomo posvetili osnovnim pojmom in idejam ekologije. Ta veda proučuje vedenje organizmov v njihovih naravnih habitatih, njihove medsebojne odnose in odnose z okoljem. Prve sledi življenja segajo pred več kot 3 milijarde let; to so bili mikroorganizmi, ki so prevladovali v biosferi Zemlje do obdobja pred približno 0,5 milijarde let. Tako prokarionti ne le stojijo pri izvoru zemeljskega življenja, iz njih se ne le razvije vsa pestrost evkariontskih oblik, ampak so vedno obstajali tudi potem. Višje oblike življenja v svoji evoluciji nikoli niso bile same; nenehno so jih bodisi izrinili ali podpirali vseprisotni enocelični organizmi. Med sodobnimi višjimi oblikami življenja so tiste, ki so se uveljavile ne le v boju proti svoji vrsti, ampak tudi v odnosih z mikroorganizmi. V procesu evolucije so številni organizmi razvili tolerantne, partnerske odnose – vzajemno simbiozo. Mikroorganizmi so obstajali že, ko je površje našega planeta dobilo današnjo obliko; prisotne so bile že v času, ko so se premikale celine, nastajale več tisoč metrov debele usedline, se je zemeljska skorja velikokrat ugrezala in gubala, nastajala so nahajališča rud, premoga, nafte in zemeljskega plina. Mikroorganizmi so aktivno sodelovali v mnogih od teh procesov. Vsaj 80 % celotnega obdobja organske evolucije so Zemljo poseljevali izključno mikroorganizmi. Če fosilne ostanke mikrobov le redkokdaj najdemo, so podatki iz primerjalne fiziologije in biokemije zadostna podpora za razvrščanje prokariontov glede na vrsto metabolizma. Pri branju poglavja o evoluciji organizmov pa je treba upoštevati, da je na tem področju še veliko vrzeli in špekulacij. FIZIKALNI DEJAVNIKI
Mineralna voda Mrtvega morja ima visoko toplotno prevodnost in toplotno kapaciteto. Tako je prvi dejavnik vpliva temperatura. Glavno mesto nanosa je koža. Draženje živčnih receptorjev kože povzroči difuzno inhibicijo v možganski skorji, tj. lajšanje preobremenjenosti zaradi psihičnega stresa, stresa itd. Pri izpostavljenosti intenzivni vročini med kopanjem se poveča izguba toplote s potenjem, kar spodbuja procese razstrupljanja telesa. Poleg tega toplotni učinek na mišice pomaga, da se sprostijo. V solni kopeli Mrtvega morja vodni stolpec višine 40-50 cm izvaja pritisk 1/5 atmosfere, kar spodbuja delovanje dihanja in krvnega obtoka. Žile trebušnih organov se odzivajo na spremembe temperature kože: zvišanje zunanje temperature, ki ga spremlja razširitev kožnih žil, povzroči zoženje žil trebušnih organov in obratno. Izjema so ledvice: vazodilatacija kože povzroči vazodilatacijo ledvic. Za ustrezen žilni odziv je potrebno pred kopanjem izenačiti temperaturo vseh delov telesa. Hladne noge je treba na primer ogreti v umivalniku ali pod tekočo vročo vodo. V tem primeru bo vaskularna reakcija šla v pravo smer in učinek kopeli bo pozitiven. Na podlagi zgoraj navedenega je priporočljivo kopanje s soljo Mrtvega morja pri temperaturi vode 37-39 stopinj, ki traja od 10 do 15 minut.
Pretvorba fosforja
Fosforjev cikel je veliko enostavnejši od ogljika in dušika. Sestoji predvsem iz mineralizacije organskega fosforja in prenosa fosfatnih soli iz manj topnih v bolj topne soli (mobilizacija fosforja). V telesu živali in rastlin je fosfor del beljakovin (nukleoproteinov) in nekaterih lipoidov (lecitinov). Ta fosfor se po smrti živali in rastlin med razgradnjo gnitnih in drugih mikrobov mineralizira in spremeni v fosforno kislino, ki se hitro veže z bazami in se spremeni v težko topne soli kalcija, magnezija, železa, neprimerne za prehrano rastlin. Nadalje se pretvorba teh zmerno topnih soli v topne soli pojavi kot posledica biokemičnih procesov, ki jih spremlja tvorba kisline. Ti procesi proizvajajo kislinotvorne bakterije, in sicer nitrifikacijske bakterije, žveplove bakterije, tionske bakterije, amonifikacijske bakterije, ki tvorijo velike količine ogljikovega dioksida, zlasti vi. mikoidi.
Zmerno topna trikalcijeva sol se pretvori v zlahka topno dikalcijevo fosforjevo sol:
Ca3(PO4)2+2CO2+2H2O=2CaHPO4+Ca(HCO3)2
Ca3(PO4)2+4HNO3=Ca(H2PO4)2+2Ca(NO3)2,
ki ga absorbirajo rastline.
V anaerobnih pogojih lahko bakterije v tleh v prisotnosti organske snovi reducirajo fosfatne soli do vodikovega fosfida. V tem primeru se izgubijo dragocene soli fosforne kisline. Najboljše zdravilo proti temu škodljivemu procesu je dobro prezračevanje tal.
Aerobna razgradnja celuloze
Razgradnja celuloze v aerobnih pogojih. V dobro zračnih tleh celulozo razgrajujejo in uporabljajo aerobni mikroorganizmi (glive, miksobakterije in druge evbakterije), v anaerobnih razmerah pa predvsem klostridije. V aerobnih pogojih imajo glive pomembno vlogo pri razgradnji celuloze. V tem pogledu so učinkovitejši od bakterij, zlasti v kislih tleh in pri razgradnji z ligninom prevlečene celuloze (les). V tem procesu imajo pomembno vlogo predstavniki dveh rodov, Fusarium in Chaetomium. Celulozo razgrajujejo tudi Aspergillus fumigatus, A. nidulans, Botrytis cinerea, Rhizoctonia solani, Trichoderma viride, Chaetomium globosum in Myrothecium verrucaria. Zadnje tri vrste služijo kot testni organizmi za odkrivanje razgradnje celuloze, pa tudi za testiranje izdelkov, ki se uporabljajo za impregnacijo različnih materialov, da bi jih zaščitili pred delovanjem mikroorganizmov, ki razgrajujejo celulozo. Glive proizvajajo celulaze, ki jih lahko izoliramo iz micelija in iz hranilnega medija. Cytophaga in Sporocytophaga sta aerobni bakteriji, ki razgrajujeta celulozo. Najlažje jih izoliramo z običajno metodo obogatitvene kulture v tekočem mediju. Ta dva rodova, tesno povezana z miksobakterijami, vključujeta številne vrste. O uporabi celuloze s strani miksobakterij in njihovih primarnih učinkih nanjo je malo znanega. Niso mogli odkriti niti zunajcelične celulaze niti kakršnih koli produktov razgradnje celuloze. Celice teh bakterij so tesno ob celuloznih vlaknih, ki se nahajajo vzporedno z osjo vlaken. Očitno hidrolizirajo celulozo le v tesnem stiku z vlakni, produkti hidrolize pa se takoj absorbirajo. Na celuloznem agarju kolonije Cytophaga niso nikoli obdane s prozorno cono, v kateri bi se nahajali produkti encimske razgradnje celuloze. Poleg vrst Cytophaga lahko rastejo tudi mešane bakterije iz rodov Polyangium, Sporangium in Archangium, ki tvorijo plodišča. celuloza. Mnoge od tistih aerobnih bakterij, ki bi jih lahko imenovali "vsejede", lahko celulozo uporabljajo tudi kot substrat za rast. Nekateri od njih uporabljajo celulozo, očitno samo v primerih, ko ni drugih virov ogljika; sintezo in izločanje celulaz v takšnih bakterijah regulira katabolitna represija. Nekatere oblike, podobne Pseudomonasu, so bile prej razvrščene kot Cellvibrio. Zdaj so opisani kot Pseudomonas fluorescens var. celuloza. Od korineformnih bakterij je treba omeniti Cellulomonas; to bakterijo naj bi celo uporabljali za pridobivanje beljakovin iz celuloze. Med aktinomicetami je opisanih le nekaj vrst, ki razgrajujejo celulozo: Micromonospora chalcea, Streptomyces cellulosae, Streptosporangium. Razgradnja celuloze v anaerobnih pogojih. V anaerobnih pogojih celulozo največkrat razgradijo mezofilni in termofilni klostridiji. Toploljubna vrsta Clostridium thermocellum raste na preprostih sintetičnih gojiščih, pri čemer uporablja celulozo ali celobiozo kot substrat in amonijeve soli kot vir dušika; Ta bakterija ne izkorišča glukoze in mnogih drugih sladkorjev. Produkti fermentacije celuloze so etanol, ocetna, mravljinčna in mlečna kislina, molekularni vodik in CO2. Zunaj celic se celuloza verjetno razgradi samo na celobiozo. Fermentacija celuloze z mezofilno vrsto Clostridium cellobioparum vodi do podobnih produktov. Dolga palica Bacillus dissolvens se obnaša podobno kot zgoraj omenjena vrsta Cytophaga: celice te bakterije se tesno držijo celuloznih vlaken in ne sproščajo celulaze v okolje.
Dihanje je proces, ki zagotavlja presnovo živih organizmov iz okolja s kisikom (O2) in sprošča v okolje v plinastem stanju nekatere presnovne produkte telesa (CO2, H2O itd.). Dihanje je glavna oblika disimilacije pri ljudeh, živalih, rastlinah in številnih mikroorganizmih. Med dihanjem se kemično energijsko bogate snovi, ki pripadajo telesu, z uporabo molekularnega kisika oksidirajo v energetsko revne končne produkte (ogljikov dioksid in vodo).
Izraz "anaerobi" je uvedel Louis Pasteur, ki je leta 1861 odkril bakterije maslene kisline. Anaerobno dihanje je niz biokemičnih reakcij, ki se odvijajo v celicah živih organizmov, ko kot končni sprejemnik protonov ne uporabljajo kisika, temveč druge snovi (na primer nitrate) in se nanašajo na procese presnove energije (katabolizem, disimilacija), ki zanje je značilna oksidacija ogljikovih hidratov, lipidov in aminokislin v spojine z nizko molekulsko maso.
Mlečnokislinska fermentacija je anaerobna pretvorba sladkorja s pomočjo mlečnokislinskih bakterij v mlečno kislino.
Alkoholna fermentacija je kemična fermentacijska reakcija, ki jo izvajajo kvasovke, pri čemer se ena molekula glukoze pretvori v 2 molekuli etanola in 2 molekuli ogljikovega dioksida.
Maslenokislinska fermentacija je proces pretvorbe sladkorja s pomočjo maslenokislinskih bakterij v anaerobnih pogojih za proizvodnjo maslene kisline, ogljikovega dioksida in vodika.
Nitrifikacija je mikrobiološki proces oksidacije amoniaka v dušikovo kislino ali samega nadalje v dušikovo kislino, ki je povezan bodisi s proizvodnjo energije (kemosinteza, avtotrofna nitrifikacija) bodisi z zaščito pred reaktivnimi kisikovimi spojinami, ki nastanejo pri razgradnji vodikovega peroksida (heterotrofna nitrifikacija). .
Denitrifikacija (disimilativna redukcija nitratov) je vsota mikrobioloških procesov redukcije nitratov v nitrite in nato v plinaste okside in molekularni dušik. Posledično se njihov dušik vrne v ozračje in večini organizmov postane nedostopen. Izvajajo ga samo prokarionti (tako bakterije kot arheje) v anaerobnih pogojih in je povezan z njihovo proizvodnjo energije.
Fiksacija dušika - fiksacija molekularnega atmosferskega dušika, diazotrofija. Postopek redukcije molekule dušika in njene vključitve v svojo biomaso s strani prokariontskih mikroorganizmov. Najpomembnejši vir dušika v biološkem ciklu. V kopenskih ekosistemih so fiksatorji dušika lokalizirani predvsem v tleh.
Streptokoki. Streptokoki so okrogli, majhni koki, razporejeni v verigah različnih dolžin. Pogosto so te verige sestavljene iz parnih kokov - diplo-streptokokov. Streptokoke obarvamo z barvanjem po Gramu. Najdemo jih v sputumu z bronhitisom, abscesom in gangreno pljuč. Streptokoki, ki jih najdemo med in znotraj levkocitov, veljajo za patogene.
Stafilokoki. Okrogli koki različnih velikosti, ki se nahajajo v skupinah, pa tudi posamezni, so obarvani z običajnimi barvami in barvami po Gramu. Stafilokoke pogosto najdemo znotraj belih krvnih celic. V sputumu se streptokoki pogosto opazijo hkrati.
Tetrakoki (micrococcus tetragenus). Videti so kot ovalni ali okrogli koki različnih velikosti, razporejeni v skupine po štiri in obdani s skupno kapsulo. Obarvano po Gramu. V izpljunku jih opazimo pri abscesu in gangreni pljuč, bronhitisu in tudi kot sekundarna okužba pri tuberkulozi, pogosteje v prisotnosti votlin.
SARCINA (iz latinščine sarcina - ligament, vozlišče), sferične bakterije (koki), ki tvorijo kubične pakete podobne grozde. nepremično; ni patogena.
BACILE (iz latinskega bacillum - paličica), paličaste bakterije. V ožjem smislu so bacili paličaste bakterije, ki tvorijo znotrajcelične spore (mirujoče oblike, odporne na visoke temperature, sevanje in druge škodljive vplive). Nekateri bacili povzročajo bolezni pri živalih in ljudeh, kot sta antraks in tetanus.
Klostridije (lat. Clostridium) so rod gram-pozitivnih obveznih anaerobnih bakterij, ki so sposobne proizvajati endospore. Posamezne celice so podolgovate paličice, ime rodu izhaja iz grškega klptfed (vreteno). Številne vrste, ki so bile na podlagi tega morfološkega značaja razvrščene kot klostridije, so bile pozneje ponovno razvrščene. Endospore se lahko nahajajo centralno, ekscentrično in končno. Premer endospore pogosto presega premer celice.
Spirile (novolatinsko spirilla, pomanjševalnica latinsko spira, grško speira - upogib, zvijanje, obračanje) so bakterije, ki imajo obliko spiralno zavitih ali obokanih paličic. Dimenzije S. se med različnimi vrstami zelo razlikujejo: širina od 0,6-0,8 do 2-3 mikronov, dolžina od 1-3,2 do 30-50 mikronov. S. ne tvorijo spor, so po Gramu pozitivni in so gibljivi zaradi snopa bičkov, ki se nahajajo na koncu celice. Obstajajo vrste S., ki slabo rastejo na laboratorijskih hranilnih medijih; posamezne vrste v čisti kulturi sploh niso bile izolirane. S. - saprofiti; Živijo v sladkih in slanih vodnih telesih, najdemo pa jih tudi v gnijoči stoječi vodi, gnojevki in črevesni vsebini živali.
Spirohete (lat. Spirochaetales) - red bakterij z dolgimi (3-500 mikronov) in tankimi (0,1-1,5 mikronov) spiralno (grško ureisb "kod") zasukanimi (eden ali več zavojev spirale) celicami .
Aktinomicete (zastarele radiantne glive) so bakterije, ki imajo sposobnost tvorbe razvejanega micelija na nekaterih stopnjah razvoja (nekateri raziskovalci, ki poudarjajo bakterijsko naravo aktinomicet, imenujejo svoj analog glivičnega micelija tanke filamente) s premerom 0,4-1,5 mikronov, ki se v njih manifestira ob optimalnih pogojih za obstoj. Imajo grampozitiven tip celične stene in visoko (60-75%) vsebnost parov GC v DNK.
Mycobacteriaceae so družina aktinomicet. Edini rod je Mycobacterium. Nekateri predstavniki rodu Mycobacterium (npr. M. tuberculosis, M. leprae) so patogeni za sesalce (glej tuberkuloza, mikobakterioza, gobavost).
Siliranje je eden od načinov konzerviranja in shranjevanja sočne krme. Kakovostna silaža ima prijeten aromatičen vonj po vloženi zelenjavi in sadju, svetlo zelene, rumenkasto zelene in rjavkasto zelene barve s kislostjo v območju 3,9-4,2. Je odlična sestavina prehrane v zimskem obdobju, živali pa ga rade jedo.
senaža - dehidracija zelenih rastlin z namenom ustvarjanja vodnega primanjkljaja, ki preprečuje razvoj neželenih bakterij pri skladiščenju mase brez dostopa zraka. Za razliko od silaže so procesi fermentacije med pripravo senaže zavirani, saj se trava na njivi posuši do vsebnosti vlage 45-55 %, zaradi česar se doseže tako imenovana fiziološka suhost mase.
Gram-negativne bakterije (označene z Gram (-)) so bakterije, ki se za razliko od Gram-pozitivnih bakterij pri pranju z barvanjem po Gramu obarvajo. Po beljenju jih običajno rožnato obarvamo z dodatnim barvilom (muchsine).
TERMOGENEZA je proizvodnja toplote v telesu za vzdrževanje konstantne telesne temperature in zagotavljanje delovanja vseh njegovih sistemov, od delovanja znotrajceličnih procesov do zagotavljanja krvnega obtoka, prebave hrane, sposobnosti gibanja itd.
Pasterizacija je postopek enkratnega segrevanja, najpogosteje tekočih proizvodov ali snovi, na 60 °C za 60 minut ali pri temperaturi 70-80 °C za 30 minut. Tehnologijo je sredi 19. stoletja odkril francoski mikrobiolog Louis Pasteur. Uporablja se za razkuževanje živilskih izdelkov, pa tudi za podaljšanje roka uporabnosti.
Sterilizacija (iz latinščine sterilis - sterilen) - popolna sprostitev različnih snovi, predmetov, prehrambenih izdelkov iz živih mikroorganizmov.
Gram-pozitivne bakterije (oznaka Gram (+)) so bakterije, ki za razliko od gram-negativnih bakterij obdržijo barvo in se pri pranju z metodo barvanja po Gramu za mikroorganizme ne razbarvajo.
Adhezija (iz latinščine adhaesio - lepljenje) je v fiziki adhezija površin raznovrstnih trdnih teles in/ali tekočin. Adhezijo povzroči medmolekularna interakcija (van der Waalsova, polarna, včasih tvorba kemičnih vezi ali medsebojna difuzija) v površinski plasti in je značilno specifično delo, potrebno za ločitev površin. V nekaterih primerih je lahko adhezija močnejša od kohezije, tj. adhezija znotraj homogenega materiala; v takšnih primerih, ko se uporabi pretržna sila, pride do kohezivne rupture, tj. .
Komenzalizem (latinsko con mensa - dobesedno »za mizo«, »za isto mizo«) je način sožitja dveh različnih vrst živih organizmov, pri katerem ima ena populacija koristi od razmerja, druga pa nima ne koristi ne škode. (na primer srebrne ribice in ljudje).
FAGIJA (iz grškega phagos - požiralec), sestavina zapletenih besed, ki po pomenu ustreza besedam jedec, absorber.
Satelizem je povečanje rasti ene vrste mikroorganizma pod vplivom drugega mikroorganizma. Ko več vrst mikrobov raste skupaj, se lahko aktivirajo njihove fiziološke funkcije, kar povzroči hitrejšo izpostavljenost substratu. Na primer, kolonije kvasovk ali sarcina, ki sproščajo metabolite v hranilni medij, spodbujajo rast nekaterih drugih mikroorganizmov okoli svojih kolonij.
Fitohormoni so nizkomolekularne organske snovi, ki jih proizvajajo rastline in imajo regulacijske funkcije. Učinkovite so nizke koncentracije fitohormonov (do 10–11 M), medtem ko fitohormoni povzročajo različne fiziološke in morfološke spremembe v delih rastlin, občutljivih na njihovo delovanje.
1. Oblike mikroorganizmov
2. Zgradba bakterijske celice
3. Organi gibanja bakterij
4. Zgradba mikroskopa
5. Oblike kolonij
6. Profili kolonij.
7. Edge of the Colonies
8. Cikel pretvorbe dušika
9. Cikel pretvorbe fosforja
10. Cikel pretvorbe žvepla
S pomočjo CRISPR se prav zdaj dogaja velik preboj v genskem inženiringu: znanstveniki se nameravajo kmalu naučiti, kako nas za vedno znebiti kakršnih koli bolezni, z možnostjo nadzorovanih mutacij in večnega življenja.
K objavi te objave nas je spodbudil video »CRISPR: urejanje genov bo za vedno spremenilo vse«, ki govori o vrhuncu znanosti v smislu genskega spreminjanja ljudi: ne gre le za to, da se znebimo bolezni, kot so AIDS, rak in mnogih drugih, ampak tudi o ustvarjanju brezhibne nove vrste ljudi, ljudi s supermočjo in nesmrtnostjo. In to se dogaja prav zdaj pred našimi očmi.
Vse te možnosti se odpirajo zaradi nedavnega revolucionarnega odkritja beljakovin CRISPR–Cas9, ampak najprej.
Prej je veljalo, da je DNK v vsaki naši celici popolnoma enaka in vsebuje našo natančno in nespremenljivo kopijo – ne glede na to, katero celico vzamete, vendar se je izkazalo, da ni tako: DNK v različnih celicah je nekoliko drugačna in spreminjajo se glede na različne okoliščine.
K odkritju proteina CRISPR-Cas9 so pripomogla opazovanja bakterij, ki so preživele napad virusa.
Najstarejša vojna na svetu
Bakterije in virusi tekmujejo že od začetka življenja: virusi bakteriofagi plenijo bakterije. V oceanu vsak dan ubijejo 40 % skupnega števila bakterij. Virus to naredi tako, da vstavi svojo genetsko kodo v bakterijo in jo uporabi kot tovarno.
Bakterije se neuspešno poskušajo upreti, vendar so njihovi obrambni mehanizmi v večini primerov prešibki. Toda včasih bakterije preživijo. Potem lahko aktivirajo svoj najučinkovitejši protivirusni sistem. Del DNK virusa shranijo v svojo genetsko kodo, arhiv DNK »CRISPR«.Tukaj je shranjeno, dokler ni potrebno.
Ko virus ponovno napade, bakterija ustvari kopijo RNK iz arhiva DNK in
napolni skrivno orožje - protein Cas9. Ta protein skenira bakterijo za virusne motnje tako, da primerja vsak delček DNK, ki ga najde, z arhivom. Ko je najdeno 100-odstotno ujemanje, se aktivira in prekine DNK virusa, zaradi česar je neuporaben in tako zaščiti bakterijo.
Protein Cas9 skenira DNK celice za vstop virusa in nadomesti poškodovani del z zdravim fragmentom.
Zgovorno je, da je Cas9 zelo natančen, kot DNK kirurg. Revolucija se je zgodila, ko so znanstveniki ugotovili, da je sistem CRISPR mogoče programirati – lahko preprosto dajo kopijo DNK, ki jo je treba spremeniti, in sistem postavijo v živo celico.
Poleg tega, da je natančen, poceni in enostaven za uporabo, vam CRISPR omogoča vklop in izklop genov v živih celicah in preučevanje specifičnih zaporedij DNK.
Ta metoda deluje tudi s poljubnimi celicami, mikroorganizmi, rastlinami, živalmi ali ljudmi.
Znanstveniki so ugotovili, da je Cas9 mogoče programirati za kakršnekoli zamenjave v kateremkoli delu DNK – in to človeštvu odpira skoraj neomejene možnosti.
Je konec boleznim?
Leta 2015 so znanstveniki uporabili CRISPR za odstranitev virusa HIV iz bolnikovih celic.
in dokazal, da je to mogoče. Leto pozneje so izvedli ambicioznejši poskus s podganami z virusom HIV v skoraj vseh celicah.
Znanstveniki so preprosto vbrizgali CRISPR v njihove repe in tako jim je uspelo odstraniti več kot 50 % virusa iz celic po vsem telesu. Morda bo čez nekaj desetletij CRISPR pomagal znebiti se HIV in drugih retrovirusov – virusov, ki se skrivajo v človeški DNK, kot je herpes. Morda lahko CRISPR premaga našega najhujšega sovražnika, raka.
Rak je posledica celic, ki nočejo umreti in se še naprej delijo, medtem ko se skrivajo pred imunskim sistemom. CRISPR nam omogoča, da uredimo naše imunske celice in jih naredimo boljše lovce na raka.
Morda bo nekega dne zdravljenje raka le nekaj injekcij z nekaj tisoč lastnimi celicami, ustvarjenimi v laboratoriju, da vas bodo za vedno pozdravili.
Morda bo čez nekaj časa vprašanje zdravljenja raka vprašanje nekaj injekcij spremenjenih celic.
Prvo klinično preskušanje takšne terapije na ljudeh je bilo odobreno v začetku leta 2016 v ZDA. Manj kot mesec dni pozneje so kitajski znanstveniki avgusta 2016 objavili, da bodo bolnike s pljučnim rakom zdravili z imunskimi celicami, modificiranimi z uporabo iste tehnologije. Zadeva hitro dobiva zagon.
In potem so tu še genetske bolezni, na tisoče jih je. Razpon so od rahlo nadležnih do izjemno usodnih ali povzročajo leta trpljenja. Z zmogljivimi orodji, kot je CRISPR, bomo morda nekega dne lahko odpravili to.
Več kot 3000 genetskih bolezni povzroči ena sama sprememba DNK.
Že ustvarjamo spremenjeno različico Cas9, ki popravlja takšne napake in celico osvobodi bolezni. V nekaj desetletjih bomo morda lahko za vedno odpravili na tisoče bolezni. Vse te medicinske aplikacije pa imajo eno pomanjkljivost – omejene so na enega bolnika in bodo umrle z njim, če jih ne uporabimo na reproduktivnih celicah ali v zgodnjih fazah razvoja ploda.
CRISPR se bo verjetno uporabljal veliko širše. Na primer, ustvariti spremenjenega človeka, inženirskega otroka. To bo povzročilo gladke, a nepopravljive spremembe v človeškem genskem bazenu.
Inženirski otroci
Sredstva za spreminjanje DNK človeškega ploda že obstajajo.
vendar je tehnologija v zgodnji fazi razvoja. Vendar je bil že dvakrat uporabljen. Leta 2015 in 2016 so poskusi kitajskih znanstvenikov s človeškimi zarodki že v drugem poskusu delno uspeli.
Razkrili so ogromne težave pri urejanju genov zarodkov, vendar si številni znanstveniki že prizadevajo rešiti te težave. Enako kot z računalniki v 70. letih: v prihodnosti bodo boljši.
Ne glede na vaše poglede na genski inženiring bo vplival na vse. Spremenjeni ljudje lahko spremenijo genom naše celotne vrste, ker se bodo njihove cepljene lastnosti prenesle na njihove otroke in skozi generacije se bodo počasi širile ter počasi spreminjale genski sklad človeštva. Začelo se bo postopoma.
Prvi oblikovani otroci ne bodo veliko drugačni od nas. Najverjetneje bodo njihovi geni spremenjeni, da se znebijo usodnih dednih bolezni.
Z napredkom tehnologije bo vse več ljudi začelo misliti, da je neuporaba genskega spreminjanja neetična, ker obsoja otroke na propad.
do trpljenja in smrti, ki ju je mogoče preprečiti.
Takoj ko se rodi prvi tak otrok, se odprejo vrata, ki jih ni več mogoče zapreti. Sprva se nekaterih lastnosti ne bomo dotaknili, toda z naraščanjem sprejemanja tehnologije in našega znanja o genetski kodi se bo povečala tudi skušnjava.
Če naredite svoje potomce imune na Alzheimerjevo bolezen, zakaj ne bi še dodatno jim ne izboljša metabolizma? Zakaj jih ne bi nagradili z odličnim vidom? Kaj pa višina ali mišice? Bujni lasje? Kaj pa darilo izjemne inteligence za vašega otroka?
Ogromne spremembe bodo prišle kot posledica kopičenja osebnih odločitev milijonov ljudi.
To je spolzko pobočje in spremenjeni ljudje lahko postanejo nova norma. Ko postaja genski inženiring vse bolj običajen in se naše znanje izboljšuje, smo morda bližje izkoreninjenju glavnega vzroka smrti: staranja.
2/3 od približno 150.000 ljudi, ki danes umrejo, je umrlo zaradi vzrokov, povezanih s staranjem.
Danes velja, da je vzrok staranja kopičenje poškodb v naših celicah
kot so zlomi DNK ali poslabšanje sistemov, odgovornih za popravilo teh poškodb.
Obstajajo pa tudi geni, ki neposredno vplivajo na naše staranje.
Genetski inženiring in druge terapije bi lahko ustavile ali upočasnile staranje. Morda ga je mogoče celo obrniti.
Tipičen odziv na možnost večnega življenja (kot katera koli druga tehnologija, ki je danes znana, a revolucionarna pred nekaj sto leti).
Večno življenje in "Možje X"
Vemo, da v naravi obstajajo živali, ki se ne starajo. Mogoče bi si lahko sposodili nekaj genov od njih. Nekateri znanstveniki verjamejo, da bo nekega dne staranje izkoreninjeno. Še vedno bomo umrli, a ne v bolnišnici pri 90 letih, ampak po nekaj tisoč letih, preživetih v krogu svojih najdražjih.
Izziv je ogromen in cilj morda nedosegljiv, vendar je možno, da bodo danes živi ljudje prvi okusili prednosti terapije proti staranju. Morda je le treba prepričati pametnega milijarderja, da pomaga rešiti to veliko težavo.
Če na to pogledamo širše, bi lahko marsikatero težavo rešili s pomočjo posebej modificiranih ljudi, na primer, ki bi se bolje spopadli z visokokalorično hrano in se znebili takšne civilizacijske tegobe, kot je debelost.
Imeti spremenjen imunski sistem s seznamom možnih nevarnosti,
lahko bi postali imuni na večino bolezni, ki nas pestijo danes. Še kasneje bi lahko ustvarili ljudi za dolgoročna vesoljska potovanja in prilagajanje drugačnim razmeram na drugih planetih, kar bi bilo izjemno koristno za ohranjanje našega življenja v sovražnem vesolju.
Nekaj ščepcev soli
Obstaja več velikih ovir, tehnoloških in etičnih. Mnogi se bodo bali sveta, v katerem izločamo nepopolne ljudi in izbiramo potomce na podlagi tega, kar velja za zdravega.
A v takem svetu že živimo. Testiranje na desetine genetskih bolezni ali zapletov je postalo pravilo za nosečnice v mnogih državah. Pogosto lahko že en sum genetske okvare vodi do prekinitve nosečnosti.
Vzemimo za primer Downov sindrom, eno najpogostejših genetskih okvar: v Evropi se prekine približno 90 % nosečnosti z ugotovljeno prisotnostjo te motnje.
Genetska selekcija v akciji: Downov sindrom se diagnosticira že v zgodnji fazi razvoja zarodka in 90 % nosečnosti s to diagnozo se prekine.
Odločitev o prekinitvi nosečnosti je zelo osebna, vendar je treba razumeti, da ljudi že danes izbiramo glede na njihovo zdravstveno stanje. Nima smisla se pretvarjati, da se bo to spremenilo, zato moramo kljub vse večji svobodi izbire zaradi nadaljnjega razvoja tehnologije ravnati previdno in etično.
Vendar so vse to obeti za daljno prihodnost. Kljub moči CRISPR metoda ni brez pomanjkljivosti. Lahko pride do napak pri urejanju in neznane napake se lahko pojavijo v katerem koli delu DNK in ostanejo neodkrite.
S spremembo gena lahko dosežemo želeni rezultat in ozdravimo bolezen, a hkrati izzovemo neželene spremembe. Preprosto ne vemo dovolj o zapletenih odnosih naših genov, da bi se izognili nepredvidljivim posledicam.
Delo na metodah natančnosti in opazovanja je pomembno v prihajajočih kliničnih preskušanjih. In medtem ko smo razpravljali o možni svetlejši prihodnosti, je vredno omeniti tudi temnejšo vizijo. Predstavljajte si, kaj bi država, kot je Severna Koreja, lahko naredila s to stopnjo tehnologije?
Pomembno je, da tehnologija genskega spreminjanja ne pride v roke totalitarnim režimom, ki bi jo lahko hipotetično uporabili za škodo človeštvu – na primer za ustvarjanje vojske gensko spremenjenih vojakov.
Ali lahko s prisilnim inženiringom za vedno podaljša svojo vladavino?Kaj bo preprečilo totalitarnemu režimu, da ustvari vojsko spremenjenih super vojakov?
Navsezadnje je to teoretično mogoče. Scenariji, kot je ta, so v daljni prihodnosti, če so sploh možni, vendar dokaz koncepta za takšno inženirstvo že obstaja. Tehnologija je res tako močna.
To bi lahko bil razlog za prepoved inženirskih in sorodnih raziskav, vendar bi bila to zagotovo napaka. Prepoved človeškega genskega inženiringa bo znanost le pripeljala na področja s pravili in zakoni, ki nam ne bi ustrezali. Samo s sodelovanjem v procesu smo lahko prepričani, da raziskave potekajo skrbno, inteligentno, nadzorovano in transparentno.
V človeka lahko raziskujemo in uvajamo kakršne koli genske spremembe.
Zaključek
Ste tesnobni? Skoraj vsi imamo kakšno nepopolnost. Bi nam bilo dovoljeno obstajati v takem novem svetu? Tehnologija je nekoliko zastrašujoča, vendar lahko nekaj pridobimo in genski inženiring je lahko naslednji korak v evoluciji inteligentnih vrst življenja.
Morda bomo odpravili bolezni, podaljšali pričakovano življenjsko dobo za stoletja in potovali do zvezd. Ko govorite o takšni temi, ne bi smeli razmišljati o majhnih stvareh. Ne glede na vaše mnenje o genskem inženiringu, prihodnost prihaja ne glede na vse.
Kar je bila nekoč znanstvena fantastika, bo kmalu postala naša nova realnost.
Resničnost, polna priložnosti in ovir.
Ogledate si lahko tudi sam video:
