Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

15.3: Recombinant-DNA
INHOUDSOPGAVE

JoVE Core
Biology

A subscription to JoVE is required to view this content. You will only be able to see the first 20 seconds.

Education
Recombinant DNA
 
TRANSCRIPT

15.3: Recombinant DNA

15.3: Recombinant-DNA

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.

Overzicht

Wetenschappers creëren recombinant DNA door in het laboratorium DNA uit verschillende bronnen - vaak andere soorten - te combineren. Met DNA-klonen kunnen onderzoekers specifieke genen bestuderen door ze in gemakkelijk te manipuleren cellen, zoals bacteriën, in te brengen. Organismen die recombinant DNA bevatten, staan bekend als genetisch gemodificeerde organismen (GGO's). Recombinant-DNA-technologie produceert organismen met nieuwe genen die de wetenschap, geneeskunde en landbouw ten goede kunnen komen.

Hoe creëren wetenschappers recombinant DNA?

Het creëren van recombinant DNA omvat het inbrengen van een interessant gen in een vector - een vehikel dat vreemd DNA in gastheercellen draagt voor DNA-replicatie en eiwitexpressie. De meest gebruikte kloneringsvectoren zijn plasmiden, kleine cirkelvormige stukjes DNA die onafhankelijk repliceren van het chromosomale DNA van de gastheer.

Om recombinant DNA te creëren, worden zowel het donor-DNA, inclusief het gen van interesse, als de vector geknipt op specifieke nucleotidenequences - restrictieplaatsen genoemd - met behulp van restrictie-enzymen. Het enzym DNA-ligase sluit de suiker-fosfaat-ruggengraat af waar het gen van belang en het plasmide met elkaar in verbinding staan.

Het resultaat is een recombinant DNA-molecuul dat bestaat uit een vector met een geïntegreerd stuk donor-DNA - een insert genoemd. Een wetenschapper kan dit hybride DNA-molecuul vervolgens in een gastheerorganisme introduceren - meestal bacteriën of gist - waar het zich gemakkelijk en snel repliceert. Hierdoor ontstaan veel kopieën van het gen van interesse, wat nodig is voor wetenschappelijk onderzoek en andere toepassingen. Het gen kan ook worden getranscribeerd en vertaald in het gewenste eiwit - zoals humane insuline - door gebruik te maken van de cellulaire machinerie van de gastheer.

Het maken van recombinant DNA is een onvolmaakt proces en er komen vaak fouten voor. De vector kan bijvoorbeeld sluiten zonder de insert of de insert kan onjuist zijn (bijvoorbeeld achterwaarts). Alvorens het recombinant-DNA voor verdere studies te gebruiken, moeten onderzoekers check op fouten. Nucleotide-sequencing kan helpen bij het identificeren van bacteriekolonies die plasmiden dragen met de juiste insert.

Wetenschappers gebruiken recombinant DNA om genen en eiwitten te bestuderen

Recombinant-DNA-technologie is bijzonder voordelig wanneer een wetenschapper veel kopieën van een interessant gen of een eiwitproduct nodig heeft. Het onderzoek van een wetenschapper kan echter een extra complexiteitsniveau vereisen, zoals de detectie of zuivering van het gewenste eiwit. Om dit doel te bereiken, kan een onderzoeker een label of reporter - eiwitten die worden gebruikt om een genproduct te identificeren - aan het gewenste eiwit bevestigen om een fusiegen of chimeer gen te creëren.

Toepassingen in geneeskunde en landbouw

Wetenschappers gebruikten eerst recombinant-DNA-technologie om menselijke insuline in bacteriën te produceren, wat resulteerde in een behandeling voor diabetes. Sinds die eerste ontdekking hebben onderzoekers andere recombinante DNA's gegenereerd voor therapeutisch gebruik. Recombinante bacteriën maken menselijke gromet hormoon - een eiwit dat nodig is voor normale groei en ontwikkeling - om patiënten met groeihormoondeficiëntie te behandelen. Recombinante zoogdiercellen, afkomstig van mensen en hamsters, produceren factor VIII - een eiwit dat nodig is voor normale bloedstolling - om patiënten met hemofilie te behandelen. Blijkbaar is recombinant-DNA-technologie een krachtig hulpmiddel voor de grootschalige productie van essentiële eiwitten.

Vooruitgang in de landbouw in recombinant-DNA-technologie heeft ook invloed op het welzijn van de mens. Maïsboeren leden bijvoorbeeld aanzienlijke gewasschade door de plaag van de Europese maïsboorder. Als reactie hierop isoleerden wetenschappers genen uit een in de bodem levende bacterie - Bacillus thuringiensis (Bt) - om genetisch gemodificeerde, ongediertebestendige maïs te creëren. Bacillus thuringiensis produceert van nature eiwitten die giftig zijn voor bepaalde insecten, maar niet voor mensen, planten of andere dieren. De introductie van ongediertebestendige Bt-maïs verbeterde de oogstopbrengsten en verminderde het gebruik van chemicaliënpesticiden. Dergelijke landbouwtoepassingen verhogen de kwaliteit en kwantiteit van de wereldwijde voedselvoorziening.


Aanbevolen Lectuur

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter