Gentechnik im Überblick

Genetics

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Summary

Gentechnik – den Prozess der DNA eines Organismus gezielt zu verändern – verwendet wurde, um leistungsfähige Forschungswerkzeuge und Modellorganismen erstellen und hat auch viele landwirtschaftliche Anwendungen gesehen. Jedoch um Ingenieur Merkmale, wie z. B. komplexe landwirtschaftliche Probleme Stresstoleranz, oder um das Versprechen der Gen-Therapie zur Behandlung von Krankheiten des Menschen zu realisieren, sind noch weitere Fortschritte auf diesem Gebiet erforderlich. Wichtige Aspekte sind die sichere und effiziente Lieferung von genetischen Konstrukte in Zellen oder Organismen und die Einrichtung der gewünschten Veränderung im Genom eines Organismus mit den wenigsten "off-Target"-Effekten.

Jupiters Übersicht der Gentechnik präsentieren eine Geschichte des Feldes, Hervorhebung der Entdeckungen, die DNA als das genetische Material bestätigt und führte zur Entwicklung von Werkzeugen, DNA zu ändern. Wichtige Fragen, die beantwortet werden müssen, um den Prozess der Gentechnik zu verbessern werden dann eingeführt werden, zusammen mit verschiedenen Tools von Gentechniker verwendet. Zu guter Letzt werden wir mehrere Anwendungen zeigen die Arten von experimentellen Fragen und Strategien im Bereich heute befragen.

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JoVE Science Education Database. Grundlagen der Genetik. Gentechnik im Überblick. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Gentechnik ist die gezielte Veränderung der DNA eines Organismus. Fortschritte in diesem Bereich konnten Wissenschaftler um genetisch veränderte Zellen und Organismen für biomedizinische Forschung und landwirtschaftliche Zwecke zu generieren. Die Anwendung der genetischen Technologien für den Einsatz als Therapeutika beim Menschen, bekannt als Gentherapie, ist jedoch immer noch ein Work In Progress.

In diesem Video werden wir einige wichtigen Entdeckungen in der Geschichte der Gentechnik, Hauptfragen untersucht heute, wichtige Werkzeuge für die Änderung eines Organismus Genom und mehrere Anwendungen dieser Technologien diskutieren.

Beginnen wir mit der Geschichte der Gentechnik.

Scientists Fähigkeit, Gene Scharnier lösen die Identität des genetischen Materials direkt zu manipulieren. 1928 Frederick Griffith beobachtet, die Injektion einer Mischung aus Hitze getötet virulente Bakterien und ein lebender, aber nicht virulente Stamm in Mäuse führten zu Krankheit, was ihn vermuten ein "transformierenden Prinzip", die von den toten Bakterien Leben übertragen.

1944 identifiziert Oswald Avery, Colin Macleod und Maclyn McCarty der Bakterien DNA als verantwortlich für diese Transformation. Das Ergebnis wurde im Jahr 1952 weiter validiert als Alfred Hershey und Martha Chase radioaktiv beschrifteten Bakteriophagen verwendet, um zu zeigen, dass es des Virus DNA und nicht Eiweiß, die während der Infektion von Bakterienzellen übertragen wurde.

Auch im Jahre 1952, Joshua Lederberg vermutet die Existenz von Plasmiden – kleine, kreisrunde Stücke von DNA, die zwischen Bakterien übertragen werden können. Etwa zur gleichen Zeit beschrieb er auch Transduktion, wo Viren als Vektoren übertragen DNA zwischen den Zellen handeln.

Beginnend um 1970, Forscher wie Hamilton Smith begann entdecken einige der praktischen "Werkzeuge" der Gentechnik, wie Beschränkung Endonucleases, "geschnitten" DNA an bestimmten Sequenzen. Mit diesen Werkzeugen, 1972, Paul Berg generiert das erste "rekombinante" DNA-Molekül durch den Beitritt von DNA von zwei verschiedenen Viren, und parallel, Stanley Cohen und Herbert Boyer generiert des ersten rekombinanten Organismus indem ein Antibiotikaresistenz-Gen auf einem Plasmid und verwandelt dieses Konstrukt in das Bakterium E. Coli.

1973 gründete Rudolf Jaenisch ersten transgenen vielzelligen Organismus, eine Maus, die virale DNA SV40, enthalten, obwohl es war nicht bis 1981, mehrere andere Laboratorien die erste transgene Mäuse in der Lage erstellt, die eingefügten Gene an ihre Nachkommen weitergeben. Mitte der 1980er Jahre stellte Mario Capecchi und Oliver Smithies zunächst die homologe Rekombination könnte verwendet werden, um gezielt Gene, und im Jahr 1989 verwendet diese Methode, um die ersten Knockout-Maus zu generieren wo ein Gen ist nicht funktionsfähig gemacht.

Als nächstes betrachten wir einige wichtigen Fragen in der Gentechnik.

Ein wesentlicher Bereich der Forschung ist die beste Methode zum Ändern von Genom eines Organismus bestimmen. Eine Reihe von Faktoren muss berücksichtigt werden, darunter die Effizienz der den Änderungsprozess, sowie ob die Änderung auf bestimmte Gene zur Minimierung von Risiken der unbeabsichtigten Änderungen an der zellulären DNA ausgerichtet werden muss.

Um eine Wirtszelle Genom zu ändern, muss künstlich montierte DNA-Sequenz für die Herstellung dieser Modifikation, bekannt als "genetischen Konstrukt," erfolgreich in diese Zelle übermittelt werden. Forschung in diesem Bereich zielt darauf ab, die Effizienz zu maximieren und gleichzeitig die Zytotoxizität zu begrenzen. Ebene der organismal Forscher untersuchen, wie man Vektoren wie retroviralen Partikel ändern oder Nanopartikel verbessern konstruieren Lieferung an Ziel-Zell-Populationen.

Zu guter Letzt gibt es ein großes Interesse an ob Gentechnik erfolgreich angewendet werden kann für landwirtschaftliche oder therapeutische verwendet. Diese Technologien haben leistungsfähige Recherche-Tools wie Mäuse mit Gene gelöscht oder "knocked Out" zu generieren, oder einfache, einzelne Merkmale wie Herbizid-Resistenz in Pflanzen einfügen verwendet. Komplexe Probleme, wie z. B. die Erzeugung von Pflanzen, die gedeihen unter ungünstigen Bedingungen erfordern jedoch wahrscheinlich mehrere Wege gleichzeitig ändern. Darüber hinaus bleibt die Entwicklung Gentherapien zur Behandlung von Erbkrankheiten, sichere und wirksame Leistung des genetischen Konstrukte an menschliche Zellen erfordern eine anspruchsvolle Aufgabe.

Werfen wir nun einen Blick auf die Gentechnik-Tools und Technologien, die von Forschern genutzt.

Die klassische Methode zur Erzeugung von genetischen Konstrukte ist Restriktionsenzym auf Klonen, wo DNA-Stücke verdaut und dann in bestimmten Reihenfolge erstellen Sie ein neues Plasmid DNA Ligases mit rekombiniert. Neuere Techniken umfassen Restriktionsenzymen, die homologe Rekombination zu isolieren und Austausch von DNA-Fragmenten ohne Beschränkung Enzym Verdauung Websites verwendet.

DNA kann durch eine Reihe von Methoden in Zellen geliefert werden. Transformation oder Transfektion ist der Prozess des Erhaltens nackten DNS in bakterielle oder eukaryotischen Zellen, beziehungsweise. Zweiwertige kationen, wie z. B. Kalzium, können Zellmembranen durchlässiger, die die Aufnahme der exogene DNA-Moleküle zunehmen. Elektroporation verwendet ein elektrisches Feld um die gleiche Aufgabe, während Lipid-Nanopartikel, die die DNA umgeben mit der Zellmembran zu verschmelzen und seine Nutzlast freigeben können. Transduktion bezieht sich auf den Transfer der DNA von viralen Vektoren, wie z. B. ein Lentivirus.

Bereitstellung von genetischen Konstrukte in mehrzelligen Organismen erfordert weitere Überlegungen. Wenn mehrere Zelltypen vorhanden sind, erhöhen gezielte Vektoren wie Viren oder Nanopartikel die Spezifität der Zelle Lieferung. In Pflanzen haben Forscher Agrobacterium, eine Pflanze Erreger übertragen DNA um Pflanzenzellen als gen Lieferung Werkzeug kooptiert. "Biolistics" bezieht sich auf die Verwendung von "gen-Kanone", DNA beschichtet gold Perlen in Zellen zu liefern.

Schließlich müssen die gelieferten DNA-Konstrukte das Wirtsgenom permanente Änderungen vorzunehmen, um langfristige Wirkung zu erzielen. Dies kann durch zufällige Integration des gelieferten DNA-Konstrukts in Host DNA, kann verbessert werden, durch die Kennzeichnung der Konstrukt mit Anerkennung Standorte für DNA "Cut-and-Paste" Enzyme genannt Transposasen auftreten. Auf der anderen Seite erlauben Techniken wie Gene targeting durch homologe Rekombination Integration in bestimmte genomische Websites. Jüngste Fortschritte in der Techniken bekannt als Genom-Bearbeitung, die speziell angefertigte Nukleasen verwendet, um Doppel-Strangbrüchen an bestimmten Loci generieren, verbessern erheblich Gene targeting-Effizienz.

Nun werfen wir einen Blick auf wie die Gentechnik-Technologien heute umgesetzt werden.

Zellfunktionen in Eukaryoten sind aufgeteilt in Organellen, und Ausrichtung auf die transgenen Proteinexpression in einzelnen Fächern für mehr spezifische biologische Wirkungen gestatten. In diesem Experiment erzeugt Forscher ein GLP-Tags Reporter Konstrukt mit der Gibson-Montagetechnik, wo homologe Regionen Überschneidungen zwischen mehreren PCR-Produkte für die Generation von einer vollständigen Konstrukt ohne den Einsatz von Restriktionsenzymen ermöglichen. Biolistischen Transfektion wurde verwendet, um diese Konstrukte in Pflanzenzellen zu liefern, und Forscher waren GFP Ausdruck gezielt auf die Chloroplasten nachweisen.

Krebszellen drücken zu häufig Oberfläche Rezeptoren, welche Forscher Zielen können mit Hilfe der Gentherapie. Hier Wissenschaftler ein Modell des menschlichen Blasenkrebs gegründet Maus. Darauf folgt die Blase Krebszellen aktuelle Lieferung von einem adenoviralen Vektor. Beobachtung der Luciferase Ausdruck in den Krebszellen angegeben erfolgreiche Zustellung des Reporter-Gens.

Schließlich ist im engineering komplette biologischer Signalwege in einen Zielorganismus voran. Hier, jedes Gen die biosynthetische Bahn für das Antibiotikum Erythromycin war isoliert von seinen Host-Bakterien, isolierte Saccharopolyspora, über PCR und Operon-ähnliche Konstrukte zusammengefasst, wo eine Reihe von Genen werden unter Kontrolle gebracht durch die gleichen regulatorischen Elemente, um optimalen Ausdruck zu ermöglichen. Diese Konstrukte wurden dann in E. Coli zu rekonstruieren den Synthese-Weg verwandelt, und das heterologously hergestellte Produkt konnte dann gereinigt und auf Funktionstüchtigkeit getestet.

Sie habe nur Jupiters Überblick über Gentechnik beobachtet. In diesem Video behandelt die Geschichte der Gentechnik wir Hauptfragen, Werkzeuge im Feld untersucht und präsentiert einige Beispiele für Anwendungen der Gentechnik. Wie immer vielen Dank für das ansehen!

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