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15.4: Transgene Organismen
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Transgenic Organisms
 
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15.4: Transgenic Organisms

15.4: Transgene Organismen

Overview

Transgenic organisms are genetically engineered to carry transgenes—genes from a different species—as part of their genome. The transgene may either be a different version of one of the organism’s genes or a gene that does not exist in their genome. Transgenes are usually generated by recombinant DNA and DNA cloning techniques. Transgenic bacteria, plants, and animals allow scientists to address biological queries and design practical solutions.

Creating a Transgenic Organism

Scientists begin the process of transgenesis—introducing a transgene into an organism’s genome—by selecting an appropriate technique. There are several biological, chemical, and physical methods of transgenesis. A common biological method involves the virus-mediated introduction of foreign DNA into a host cell genome, called transduction. A popular chemical method uses calcium phosphate (Ca3(PO4)2). The method is based on the formation of a Ca3(PO4)2/DNA precipitate to facilitate DNA binding to and entering cells. Physical methods such as microinjection—a technique that uses a thin, glass needle to manually insert genetic material into cells—artificially introduce DNA by force.

Once inside the cell, a transgene can either integrate randomly or at a specific site in the genome with the help of DNA repair enzymes (i.e., recombination). These transgenic cells then multiply and replicate the transgene as part of their genome, stably expressing the researcher’s gene of interest. A transgene may not integrate into the genome, and hence induce only transient expression of the researcher’s gene of interest. Usually, a selectable marker (e.g., antibiotic resistance gene) or a reporter gene (e.g., GFP) are included along with the gene of interest, so that cells with successful transgene integration can be identified.

Transgenes Can Be Introduced into Animals and Plants

In animals, the transgene is typically inserted into an early-stage, fertilized egg by microinjection. The hope is that the transgene will integrate into the germ cells—reproductive precursor cells that become gametes (i.e., egg or sperm)—so that it will express in all of the developing organism’s cells. Furthermore, germline integration is heritable, meaning the transgene can be passed down through generations by breeding. The transgenic animals are backcrossed—the offspring are mated with the parent—to create lines of animals that are homozygous for the transgene.

Plant transgenesis routinely uses a biological method, such as bacterial vector delivery, to introduce foreign DNA into cells. Rhizobium radiobacter (formerly known as Agrobacterium tumefaciens) is a soil-dwelling, pathogenic bacterium that can infect plants and integrate its plasmid DNA into the plant’s genome. Scientists have modified R. radiobacter so that the plasmid DNA can carry a transgene. Plant tissue samples are cultured with R. radiobacter to allow for infection and the integration of the transgene. These tissues are further cultured on selective media that induce shoot and root growth until the nascent plant can be transferred to soil. These transgenic plants are backcrossed to create lines of high yield, transgenic plants.

Practical Uses of Transgenic Organisms

Transgenic organisms have many applications in agriculture, science, industry, and medicine. For example, transgenic plants have been produced that are insect-resistant to increase yield and reduce the use of pesticides (e.g., Bt corn); bacteria have been engineered for use in biomedical research and to produce biofuels; and transgenic animals have been used to manufacture medicines—such as human proteins—and to create models of human disease. Scientists leverage the power of transgenic plants, bacteria, and animals to research gene expression, create desired gene products, or promote valuable traits.

Überblick

Transgene Organismen sind genetisch so verändert, dass sie Transgene—Gene von einer anderen Spezies—als Teil ihres Genoms tragen. Das Transgen kann entweder eine andere Version eines Gens des Organismus sein oder ein Gen, das in ihrem Genom nicht existiert. Transgene werden normalerweise durch rekombinante DNA und DNA-Klonierungstechniken erzeugt. Transgene Bakterien, Pflanzen und Tiere ermöglichen es den Wissenschaftlern, sich mit biologischen Fragen zu befassen und praktische Lösungen zu entwerfen.

Erzeugung eines transgenen Organismus

Wissenschaftler beginnen den Prozess der Transgenese—Einführung eines Transgens in das Genom eines Organismus—durch die Auswahl einer geeigneten Technik. Es gibt verschiedene biologische, chemische und physikalische Methoden der Transgenese. Eine übliche biologische Methode beinhaltet die virusvermittelte Einführung von Fremd-DNA in das Genom einer Wirtszelle, welche als Transduktion bezeichnet wird. Eine beliebte chemische Methode verwendet Kalziumphosphat (Ca3(PO4)2). Die Methode basiert auf der Bildung eines Ca3(PO4)2/DNA-Präzipitats, um die DNA-Bindung an und den Eintritt in die Zellen zu erleichtern. Physikalische Methoden wie die Mikroinjektion—eine Technik, die eine dünne Glasnadel verwendet, um genetisches Material manuell in Zellen einzufügen—die DNA wird künstlich mit Gewalt eingeführt.

In der Zelle kann sich ein Transgen entweder zufällig oder an einer bestimmten Stelle im Genom mit Hilfe von DNA-Reparatur-Enzymen integrieren (d.h. rekombinieren). Diese transgenen Zellen multiplizieren und replizieren dann das Transgen als Teil ihres Genoms und exprimieren dadurch stabil das Gen welches im Fokus des Forschers ist. Ein Transgen kann sich nicht in das Genom integrieren und somit nur eine vorübergehende Expression des Genes induzieren, das für den Forscher von Interesse ist. In der Regel wird ein selektierbarer Marker (z.B. Antibiotikaresistenzgen) oder ein Reportergen (z.B. GFP) zusammen mit dem Gen von Interesse aufgenommen, so dass Zellen mit erfolgreicher Transgenintegration identifiziert werden können.

Transgene können in Tiere und Pflanzen eingeführt werden

Bei Tieren wird das Transgen typischerweise durch Mikroinjektion in ein frühes, befruchtetes Ei eingefügt. Die Hoffnung ist, dass das Transgen in die Keimzellen integriert wird—so dass es in allen sich entwickelnden Zellen des Organismus exprimiert wird. Darüber hinaus ist die Integration der Keimbahn vererbbar, d.h. das Transgen kann durch Züchtung über Generationen weitergegeben werden. Die transgenen Tiere werden rückgekreuzt—die Nachkommen werden mit dem Elternteil verpaart—um Linien von Tieren zu schaffen, die für das Transgen homozygot sind.

Pflanzen-Transgenese verwendet routinemäßig eine biologische Methode, wie z.B. die bakterielle Vektorverabreichung, um fremde DNA in Zellen einzubringen. Rhizobium radiobacter (früher bekannt als Agrobacterium tumefaciens) ist ein bodenbewohnendes, pathogenes Bakterium, das Pflanzen infizieren und seine Plasmid-DNA in das Pflanzengenom integrieren kann. Wissenschaftler haben R. radiobacter so modifiziert, dass die Plasmid-DNA ein Transgen tragen kann. Pflanzliche Gewebeproben werden mit R. radiobacter kultiviert, um eine Infektion und die Integration des Transgens zu ermöglichen. Diese Gewebe werden weiter auf selektiven Medien kultiviert, die das Wachstum von Spross und Wurzel induzieren, bis die entstehende Pflanze in den Boden übertragen werden kann. Diese transgenen Pflanzen werden rückgekreuzt, um Linien von ertragreichen, transgenen Pflanzen zu schaffen.

Verwendung von transgenen Organismen in der Praxis

Transgene Organismen haben viele Anwendungen in Landwirtschaft, Wissenschaft, Industrie und Medizin. Beispielsweise wurden transgene Pflanzen produziert, die insektenresistent sind, um den Ertrag zu erhöhen und den Einsatz von Pestiziden zu reduzieren (z.B. Bt-Mais); Bakterien wurden für die Verwendung in der biomedizinischen Forschung und zur Herstellung von Biokraftstoffen entwickelt. Transgene Tiere wurden zur Herstellung von Medikamenten—menschlichen Proteinen—und zur Erstellung von Modellen menschlicher Krankheiten verwendet. Wissenschaftler nutzen die Kraft der transgenen Pflanzen, Bakterien und Tiere, um die Genexpression zu erforschen, gewünschte Genprodukte zu erzeugen oder wertvolle Eigenschaften zu fördern.


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