Een overzicht van genetische manipulatie

Genetische manipulatie is de doelbewuste wijziging van het DNA van een organisme. Vooruitgang op dit gebied heeft wetenschappers in staat gesteld om genetisch gemodificeerde cellen en organismen te genereren voor biomedisch onderzoek en landbouwdoeleinden. De toepassing van genetische technologieën voor gebruik als therapie bij mensen, bekend als gentherapie, is echter nog steeds een werk in uitvoering.

In deze video bespreken we enkele belangrijke ontdekkingen in de geschiedenis van genetische manipulatie, belangrijke vragen die vandaag de dag worden bestudeerd, belangrijke hulpmiddelen voor het wijzigen van het genoom van een organisme en verschillende toepassingen van deze technologieën.

Laten we beginnen met het bekijken van de geschiedenis van genetische manipulatie.

Het vermogen van wetenschappers om genen direct te manipuleren, hing af van het oplossen van de identiteit van het genetische materiaal. In 1928 observeerde Frederick Griffith dat het injecteren van een mix van hittedoden virulente bacteriën en een levende, maar niet-virulente, stam in muizen ziekte veroorzaakte, wat hem ertoe bracht een hypothetische 'transformatieprincipe' te formuleren dat van de dode naar de levende bacteriën werd overgedragen.

In 1944 identificeerden Oswald Avery, Colin Macleod en Maclyn McCarty het DNA van de bacteriën als verantwoordelijk voor deze transformatie. Het resultaat werd verder bevestigd in 1952, toen Alfred Hershey en Martha Chase radioactief gelabelde bacteriofagen gebruikten om aan te tonen dat het de DNA van het virus is, en niet het eiwit, dat tijdens de infectie van bacteriecellen werd overgedragen.

Ook in 1952 formuleerde Joshua Lederberg de hypothese van het bestaan van plasmiden - kleine, ronde stukjes DNA die tussen bacteriën kunnen worden overgedragen. Rond dezelfde tijd beschreef hij ook transductie, waarbij virussen fungeren als vectoren om DNA tussen cellen over te dragen.

Vanaf ongeveer 1970 begonnen onderzoekers zoals Hamilton Smith enkele van de praktische 'hulpmiddelen' van genetische manipulatie te ontdekken, zoals restrictie-endonucleasen, die DNA op specifieke sequenties 'snijden'. Met behulp van deze hulpmiddelen genereerde Paul Berg in 1972 het eerste 'recombinante' DNA-molecuul door DNA van twee verschillende virussen samen te voegen, en parallel hieraan genereerden Stanley Cohen en Herbert Boyer het eerste recombinante organisme door een antibioticaresistentiegen op een plasmide te plaatsen en dat construct in de bacterie E. coli te transformeren.

In 1973 creëerde Rudolf Jaenisch het eerste transgene meercellige organisme, een muis die SV40-viraal DNA bevatte, hoewel het pas in 1981 was dat verschillende andere laboratoria de eerste transgene muizen creëerden die de ingebrachte genen aan hun nakomelingen konden overdragen. In het midden van de jaren tachtig vestigden Mario Capecchi en Oliver Smithies als eersten dat homologe recombinatie kon worden gebruikt om specifiek genen te targeten, en in 1989 gebruikten ze deze methode om de eerste knockout-muis te genereren, waarbij een gen niet-functioneel werd gemaakt.

Laten we nu enkele belangrijke vragen in genetische manipulatie bekijken.

Een integraal onderzoeksgebied is het bepalen van de beste methode voor het wijzigen van het genoom van een organisme. Er zijn een aantal factoren waarmee rekening moet worden gehouden, waaronder de efficiëntie van het wijzigingsproces, evenals of de wijziging gericht moet zijn op specifieke genen om de risico's van onbedoelde wijzigingen in cellulair DNA te minimaliseren.

Om het genoom van een gastherceel te wijzigen, moet de kunstmatig samengestelde DNA-sequentie voor het maken van deze wijziging, bekend als een 'genetisch construct', met succes in die cel worden geleverd. Onderzoek in dit gebied is gericht op het maximaliseren van de efficiëntie terwijl de cytotoxiciteit wordt beperkt. Op organismenniveau bestuderen onderzoekers hoe vectoren zoals retrovirale deeltjes of nanodeeltjes kunnen worden gewijzigd om de levering van constructen aan doelcellenpopulaties te verbeteren.

Ten slotte is er veel belangstelling voor de vraag of genetische manipulatie met succes kan worden toegepast op landbouw- of therapeutische toepassingen. Deze technologieën zijn gebruikt om krachtige onderzoeksinstrumenten te genereren, zoals muizen met genen die zijn verwijderd of 'uitgeschakeld', of om eenvoudige, enkele eigenschappen zoals herbicideresistentie in gewassen in te voegen. Complexe problemen, zoals het genereren van gewassen die in ongunstige omstandigheden gedijen, zullen echter waarschijnlijk de gelijktijdige wijziging van meerdere paden vereisen. Bovendien blijft de ontwikkeling van gentherapieën voor de behandeling van genetische ziekten, die een veilige en effectieve levering van genetische constructen aan menselijke cellen vereisen, een uitdagende taak.

Laten we nu eens kijken naar de genetische manipulatiehulpmiddelen en -technologieën die door onderzoekers worden gebruikt.

De klassieke methode voor het genereren van genetische constructen is restrictie-enzymgebaseerde klonen, waarbij DNA-stukken worden verteerd en vervolgens op specifieke volgorde worden gecombineerd met behulp van DNA-ligasen om een nieuw plasmide te creëren. Nieuwere technieken omvatten recombineering, die homologe recombinatie gebruikt om DNA-fragmenten te isoleren en uit te wisselen zonder de noodzaak van restrictie-enzymverteringsplaatsen.

DNA kan op verschillende manieren in cellen worden gebracht. Transformatie of transfectie is het proces van het krijgen van naakt DNA in respectievelijk bacteriële of eukaryote cellen. Tweewaardige kationen, zoals calcium, kunnen celmembranen poreuzer maken, wat de opname van exogene DNA-moleculen zal verhogen. Elektroporatie gebruikt een elektrisch veld om dezelfde taak te verrichten, terwijl lipo-nanodeeltjes die het DNA omringen, zich kunnen versmelten met het celmembraan en hun lading vrijgeven. Transductie verwijst naar de overdracht van DNA door een virale vector, zoals een lentivirus.

Het leveren van genetische constructen aan meercellige organismen vereist aanvullende overwegingen. Wanneer er meerdere celtypen aanwezig zijn, verhogen gerichte vectoren zoals virussen of nanodeeltjes