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15.3: DNA Recombinante
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Recombinant DNA
 
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15.3: Recombinant DNA

15.3: DNA Recombinante

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.

Visão geral

Os cientistas criam DNA recombinante combinando DNA de diferentes fontes — muitas vezes, outras espécies — em laboratório. A clonagem de DNA permite que os pesquisadores estudem genes específicos inserindo-os em células facilmente manipuladas, como bactérias. Organismos que contêm DNA recombinante são conhecidos como organismos geneticamente modificados (OGM). A tecnologia de DNA recombinante produz organismos com novos genes que podem beneficiar a ciência, a medicina e a agricultura.

Como os cientistas criam DNA recombinante?

A criação de DNA recombinante envolve inserir um gene de interesse em um vetor — um veículo que transporta DNA estranho em células hospedeiras para replicação de DNA e expressão proteica. Os vetores de clonagem mais usados são plasmídeos, pequenos pedaços circulares de DNA que se replicam independentemente do DNA cromossômico do hospedeiro.

Para criar DNA recombinante, tanto o DNA do doador, incluindo o gene de interesse, quanto o vetor são cortados em sequências específicas de nucleotídeos — chamados de locais de restrição — usando enzimas de restrição. A enzima DNA ligase sela a espinha dorsal do fosfato de açúcar onde o gene de interesse e plasmídeo se conectam.

O resultado é uma molécula de DNA recombinante consistindo de um vetor com um pedaço integrado de DNA doador — chamado de inserção. Um cientista pode então introduzir essa molécula de DNA híbrido em um organismo hospedeiro — tipicamente bactérias ou leveduras — onde ela se replica facilmente e rapidamente. Isso cria muitas cópias do gene de interesse, o que é necessário para a pesquisa científica e outras aplicações. O gene também pode ser transcrito e traduzido para a proteína desejada — como a insulina humana — usando a maquinaria celular do hospedeiro.

Criar DNA recombinante é um processo imperfeito, e erros ocorrem frequentemente. Por exemplo, o vetor pode fechar sem a inserção ou a inserção pode estar incorreta (por exemplo, para trás). Antes de usar o DNA recombinante para estudos posteriores, os pesquisadores têm que verificar se há erros. O sequenciamento de nucleotídeos pode ajudar a identificar colônias de bactérias que carregam plasmídeos com a inserção correta.

Cientistas usam DNA recombinante para estudar genes e proteínas

A tecnologia de DNA recombinante é particularmente vantajosa quando um cientista precisa de muitas cópias de um gene de interesse ou de um produto proteico. No entanto, a pesquisa de um cientista pode exigir um nível adicional de complexidade, como a detecção ou purificação de sua proteína desejada. Para alcançar esse objetivo, um pesquisador pode anexar uma tag ou repórter — proteínas usadas para identificar um produto genético — à proteína desejada para criar um gene de fusão, ou gene quimérico.

Aplicações em Medicina e Agricultura

Os cientistas usaram pela primeira vez a tecnologia de DNA recombinante para produzir insulina humana em bactérias, resultando em um tratamento para diabetes. Desde essa descoberta inicial, os pesquisadores geraram outros DNAs recombinantes para uso terapêutico. Bactérias recombinantes fazem hormônio do crescimento humano — uma proteína necessária para o crescimento e desenvolvimento normal — para tratar pacientes com deficiência hormonal de crescimento. Células de mamíferos recombinantes, derivadas de humanos e hamsters, produzem o Fator VIII — uma proteína necessária para a coagulação sanguínea normal — para tratar pacientes com hemofilia. Evidentemente, a tecnologia de DNA recombinante é uma ferramenta poderosa para a produção em larga escala de proteínas essenciais.

Os avanços agrícolas na tecnologia de DNA recombinante também impactam o bem-estar humano. Por exemplo, os produtores de milho sofreram danos substanciais nas culturas devido à praga europeia borer de milho. Em resposta, os cientistas isolaram genes de uma bactéria que habita o solo,Bacillus thuringiensis (Bt) , para criar milho geneticamente modificado e resistente a pragas. Bacillus thuringiensis produz naturalmente proteínas tóxicas para certos insetos, mas não humanos, plantas ou outros animais. A introdução do milho Bt resistente a pragas melhorou a produção de culturas e diminuiu o uso de pesticidas químicos. Tais aplicações agrícolas melhoram a qualidade e a quantidade da oferta global de alimentos.


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