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15.3: ADN recombinant
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Recombinant DNA
 
TRANSCRIPTION

15.3: Recombinant DNA

15.3: ADN recombinant

Overview

Scientists create recombinant DNA by combining DNA from different sources—often, other species—in the laboratory. DNA cloning allows researchers to study specific genes by inserting them into easily manipulated cells, such as bacteria. Organisms that contain recombinant DNA are known as genetically modified organisms (GMOs). Recombinant DNA technology produces organisms with new genes that can benefit science, medicine, and agriculture.

How Do Scientists Create Recombinant DNA?

Creation of recombinant DNA involves inserting a gene of interest into a vector—a vehicle that carries foreign DNA into host cells for DNA replication and protein expression. The most commonly used cloning vectors are plasmids, small circular pieces of DNA that replicate independently from the host’s chromosomal DNA.

To create recombinant DNA, both the donor DNA, including the gene of interest, and the vector are cut at specific nucleotide sequences—called restriction sites—using restriction enzymes. The enzyme DNA ligase seals the sugar-phosphate backbone where the gene of interest and plasmid connect.

The result is a recombinant DNA molecule consisting of a vector with an integrated piece of donor DNA—called an insert. A scientist may then introduce this hybrid DNA molecule into a host organism—typically bacteria or yeast—where it easily and rapidly replicates. This creates many copies of the gene of interest, which is necessary for scientific research and other applications. The gene may also be transcribed and translated into the desired protein—such as human insulin—by using the host’s cellular machinery.

Creating recombinant DNA is an imperfect process, and errors often occur. For example, the vector may close without the insert or the insert may be incorrect (e.g., backward). Before using the recombinant DNA for further studies, researchers have to check for errors. Nucleotide sequencing can help identify bacteria colonies that carry plasmids with the correct insert.

Scientists Use Recombinant DNA to Study Genes and Proteins

Recombinant DNA technology is particularly advantageous when a scientist needs many copies of a gene of interest or a protein product. However, a scientist’s research may require an added level of complexity, such as the detection or purification of their desired protein. To achieve this objective, a researcher may attach a tag or reporter—proteins used to identify a gene product—to their desired protein to create a fusion gene, or chimeric gene.

Applications in Medicine and Agriculture

Scientists first used recombinant DNA technology to produce human insulin in bacteria, resulting in a treatment for diabetes. Since that initial discovery, researchers have generated other recombinant DNAs for therapeutic use. Recombinant bacteria make human growth hormone—a protein required for normal growth and development—to treat patients with growth hormone deficiency. Recombinant mammalian cells, derived from humans and hamsters, produce Factor VIII—a protein required for normal blood-clotting—to treat patients with hemophilia. Evidently, recombinant DNA technology is a powerful tool for the large-scale production of essential proteins.

Agricultural advances in recombinant DNA technology also impact human well-being. For example, corn farmers suffered substantial crop damage due to the pest European corn borer. In response, scientists isolated genes from a soil-dwelling bacterium—Bacillus thuringiensis (Bt)—to create genetically modified, pest-resistant corn. Bacillus thuringiensis naturally produces proteins that are toxic to certain insects but not humans, plants, or other animals. The introduction of pest-resistant Bt corn improved crop yields and decreased use of chemical pesticides. Such agricultural applications enhance the quality and quantity of the global food supply.

Aperçu

Les scientifiques créent de l’ADN recombinant en combinant l’ADN de différentes sources — souvent d’autres espèces — en laboratoire. Le clonage d’ADN permet aux chercheurs d’étudier des gènes spécifiques en les insérant dans des cellules facilement manipulées, comme les bactéries. Les organismes qui contiennent de l’ADN recombinant sont connus sous le nom d’organismes génétiquement modifiés (OGM). La technologie de l’ADN recombinant produit des organismes avec de nouveaux gènes qui peuvent bénéficier à la science, à la médecine et à l’agriculture.

Comment les scientifiques créent-ils de l’ADN recombinant?

La création d’ADN recombinant implique l’insertion d’un gène d’intérêt dans un vecteur, un véhicule qui transporte l’ADN étranger dans les cellules hôtes pour la réplication de l’ADN et l’expression des protéines. Les vecteurs de clonage les plus couramment utilisés sont les plasmides, de petits morceaux circulaires d’ADN qui se reproduisent indépendamment de l’ADN chromosomique de l’hôte.

Pour créer de l’ADN recombinant, l’ADN du donneur, y compris le gène d’intérêt, et le vecteur sont coupés à des séquences nucléotides spécifiques , appelées sites de restriction, à l’aide d’enzymes de restriction. L’enzyme DNA ligase scelle l’épine dorsale sucre-phosphate où le gène d’intérêt et de plasmide se connectent.

Le résultat est une molécule d’ADN recombinant composée d’un vecteur avec un morceau intégré de l’ADN du donneur, appelé insert. Un scientifique peut alors introduire cette molécule d’ADN hybride dans un organisme hôte , généralement des bactéries ou de la levure, où elle se reproduit facilement et rapidement. Cela crée de nombreuses copies du gène d’intérêt, ce qui est nécessaire pour la recherche scientifique et d’autres applications. Le gène peut également être transcrit et traduit en protéine désirée, comme l’insuline humaine, en utilisant la machinerie cellulaire de l’hôte.

La création d’ADN recombinant est un processus imparfait, et des erreurs se produisent souvent. Par exemple, le vecteur peut se fermer sans l’insert ou l’insert peut être incorrect (par exemple, vers l’arrière). Avant d’utiliser l’ADN recombinant pour d’autres études, les chercheurs doivent vérifier les erreurs. Le séquençage des nucléotides peut aider à identifier les colonies de bactéries porteuses de plasmides avec l’insert correct.

Les scientifiques utilisent l’ADN recombinant pour étudier les gènes et les protéines

La technologie de l’ADN recombinant est particulièrement avantageuse lorsqu’un scientifique a besoin de nombreuses copies d’un gène d’intérêt ou d’un produit protéique. Cependant, la recherche d’un scientifique peut exiger un niveau supplémentaire de complexité, comme la détection ou la purification de la protéine désirée. Pour atteindre cet objectif, un chercheur peut attacher une étiquette ou un journaliste — des protéines utilisées pour identifier un produit génétique — à la protéine désirée pour créer un gène de fusion ou un gène chimérique.

Applications en médecine et agriculture

Les scientifiques ont d’abord utilisé la technologie de l’ADN recombinant pour produire de l’insuline humaine dans les bactéries, ce qui a entraîné un traitement pour le diabète. Depuis cette découverte initiale, les chercheurs ont généré d’autres DNA recombinants à des fins thérapeutiques. Les bactéries recombinantes fabriquent l’hormone de croissance humaine , une protéine nécessaire à la croissance et au développement normaux, pour traiter les patients souffrant d’une carence en hormone de croissance. Les cellules de mammifères recombinantes, dérivées de l’homme et des hamsters, produisent le facteur VIII , une protéine nécessaire à la coagulation normale du sang, pour traiter les patients atteints d’hémophilie. De toute évidence, la technologie de l’ADN recombinant est un outil puissant pour la production à grande échelle de protéines essentielles.

Les progrès agricoles de la technologie de l’ADN recombinant ont également un impact sur le bien-être humain. Par exemple, les producteurs de maïs ont subi d’importants dommages aux cultures en raison de l’agrile du maïs européen ravageur. En réponse, les scientifiques ont isolé des gènes d’une bactérie vivant dans le sol —Bacillus thuringiensis (Bt) — pour créer du maïs génétiquement modifié et résistant aux ravageurs. Bacillus thuringiensis produit naturellement des protéines qui sont toxiques pour certains insectes, mais pas les humains, les plantes ou d’autres animaux. L’introduction de maïs Bt résistant aux ravageurs a amélioré les rendements des cultures et réduit l’utilisation de pesticides chimiques. Ces applications agricoles améliorent la qualité et la quantité de l’approvisionnement alimentaire mondial.


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