סקירה כללית של הנדסה גנטית

הנדסה גנטית היא שינוי תכליתי של הדנ"א של האורגניזם. ההתקדמות בתחום זה אפשרה למדענים לייצר תאים ואורגניזמים מהונדסים גנטית למחקר ביו-רפואי ולמטרות חקלאיות. עם זאת, היישום של טכנולוגיות גנטיות לשימוש כמו טיפולים בבני אדם, המכונה ריפוי גנטי, הוא עדיין עבודה בתהליך.

בסרטון זה נדון בכמה תגליות חשובות בהיסטוריה של ההנדסה הגנטית, שאלות מרכזיות הנחקרות כיום, כלים חשובים לשינוי הגנום של האורגניזם, ומספר יישומים של טכנולוגיות אלה.

בואו נתחיל על ידי סקירת ההיסטוריה של הנדסה גנטית.

היכולת של מדענים לתפעל גנים באופן ישיר נשענת על פתרון זהות החומר הגנטי. בשנת 1928, פרדריק גריפית הבחין כי הזרקת תערובת של חיידקים אלימים הורגי חום וזן חי, אך לא אלים, לעכברים הביא למחלה, מה שהוביל אותו לשער "עיקרון משתנה" שעבר מן המתים לחיידקים חיים.

בשנת 1944, אוסוולד אייברי, קולין מקלאוד ומקלין מקארתי זיהו את הדנ"א של החיידק כאחראי לשינוי זה. התוצאה אומתה עוד יותר בשנת 1952, כאשר אלפרד הרשי ומרתה צ'ייס השתמשו בבקטריופאג' שכותרתו רדיואקטיבית כדי להראות כי הדנ"א של הנגיף, ולא החלבון, הוא שהועבר במהלך זיהום תאי חיידקים.

כמו כן, בשנת 1952 שיער יהושע לדרברג את קיומם של פלסמידים – פיסות דנ"א קטנות ומעגליות שניתן להעביר בין חיידקים. בערך באותו זמן, הוא גם תיאר את התמלת, שבה וירוסים פועלים ככווקטורים להעברת DNA בין תאים.

החל משנת 1970 החלו חוקרים כמו המילטון סמית לגלות כמה מה"כלים" המעשיים של הנדסה גנטית, כמו אנדונוקלאזים מגבילים, ש"חתכו" דנ"א ברצפים ספציפיים. באמצעות כלים אלה, בשנת 1972, פול ברג יצר את מולקולת ה- DNA "רקומביננטית" הראשונה על ידי הצטרפות ל- DNA משני וירוסים שונים, ובמקביל, סטנלי כהן והרברט בוייר יצרו את האורגניזם רקומביננטי הראשון על ידי הצבת גן עמיד לאנטיביוטיקה על פלסמיד והפכת המבנה לחיידק E. coli.

בשנת 1973, רודולף Jaenisch יצר את האורגניזם הרב תאי המהונדס הראשון, עכבר המכיל SV40 DNA ויראלי, אם כי זה לא היה עד 1981 כאשר כמה מעבדות אחרות יצרו את העכברים מהונדסים הראשונים מסוגלים להעביר את הגנים המוחדרים לצאצאיהם. באמצע שנות השמונים, מריו Capecchi ואוליבר סמיתיס קבעו לראשונה כי רקומבינציה הומולוגית יכולה לשמש במיוחד למקד גנים, וב 1989 השתמש בשיטה זו כדי ליצור את עכבר הנוקאאוט הראשון, שבו גן הופך לאfunctional.

לאחר מכן, בואו נבחן כמה שאלות מרכזיות בהנדסה גנטית.

תחום מחקר אינטגרלי אחד הוא קביעת השיטה הטובה ביותר לשינוי הגנום של האורגניזם. יש לקחת בחשבון מספר גורמים, כולל היעילות של תהליך השינוי, כמו גם אם השינוי צריך להיות ממוקד לגנים ספציפיים כדי למזער את הסיכונים של שינויים לא מכוונים ב- DNA הסלולר.

על מנת לשנות את הגנום של התא המארח, רצף הדנ"א שהורכב באופן מלאכותי לביצוע שינוי זה, המכונה "מבנה גנטי", חייב להישלח בהצלחה לתא זה. מחקר בתחום זה נועד למקסם את היעילות תוך הגבלת ציטוטוקסיות. ברמה האורגנית, חוקרים חוקרים כיצד לשנות וקטורים כגון חלקיקים רטרו-ויראליים או חלקיקים כדי לשפר את מסירת הבנייה לאוכלוסיות תאים ממוקדות.

לבסוף, יש עניין רב אם הנדסה גנטית יכולה להיות מיושמת בהצלחה על שימושים חקלאיים או טיפוליים. טכנולוגיות אלה שימשו ליצירת כלי מחקר רבי עוצמה כגון עכברים עם גנים שנמחקו או "מעולפים", או כדי להכניס תכונות פשוטות ובודדות כגון עמידות לקוטלי עשבים לגידולים. עם זאת, בעיות מורכבות, כגון יצירת גידולים המשגשגים בתנאים שליליים, צפויות לדרוש שינוי מסלולים מרובים בו זמנית. יתר על כן, פיתוח טיפולים גנטיים לטיפול במחלות גנטיות, המחייבים אספקה בטוחה ויעילה של מבנים גנטיים לתאים אנושיים, נותר משימה מאתגרת.

בואו נסתכל עכשיו על הכלים והטכנולוגיות של ההנדסה הגנטית המשמשים חוקרים.

השיטה הקלאסית ליצירת מבנים גנטיים היא שיבוט מבוסס אנזים מוגבל, שבו חתיכות DNA מתעכלות ולאחר מכן recombined בסדר מסוים באמצעות רצועות DNA כדי ליצור plasmid חדש. טכניקות חדשות יותר כוללות רקומבינרינג, המשתמש רקומבינציה הומולוגית כדי לבודד ולהחליף שברי DNA ללא צורך באתרי עיכול אנזימים מגבילים.

DNA יכול להישלח לתאים במספר שיטות. טרנספורמציה או טרנספקטציה הוא התהליך של קבלת DNA עירום לתאים חיידקיים או אאוקריוטים, בהתאמה. ציטוטים דיפלנטים, כגון סידן, יכולים להפוך את קרום התא לנקבובי יותר, מה שיגדיל את ספיגת מולקולות ה- DNA האקסוגניות. Electroporation משתמש בשדה חשמלי כדי לבצע את אותה משימה, בעוד חלקיקי שומנים המקיפים את ה- DNA יכולים להתמזג עם קרום התא ולשחרר את המטען שלה. התמרה מתייחסת להעברת DNA על ידי וקטור ויראלי, כגון lentivirus.

העברת מבנים גנטיים לאורגניזמים רב-תאיים דורשת שיקולים נוספים. כאשר קיימים סוגי תאים מרובים, וקטורים ממוקדים כגון וירוסים או חלקיקים מגדילים את הספציפיות של אספקת תאים. בצמחים, החוקרים בחרו באגרובקטריום, פתוגן צמחי המסוגל להעביר DNA לתאי צמחים, ככלי להעברת גנים. "ביולטיקה" מתייחס לשימוש ב"אקדח גנים" כדי להעביר חרוזי זהב מצופים דנ"א לתאים.

לבסוף, מבני ה- DNA שנמסרו צריכים לבצע שינויים קבועים בגנום המארח על מנת להשיג השפעות ארוכות טווח. זה יכול להתרחש על ידי שילוב אקראי של מבנה ה- DNA המועבר לתוך DNA המארח, אשר ניתן לשפר על ידי תיוג המבנה עם אתרי זיהוי עבור DNA "לגזור ולהדביק" אנזימים הנקראים transposases. מצד שני, טכניקות כגון פילוח גנים באמצעות רקומבינציה הומולוגית מאפשרות שילוב באתרים גנומיים ספציפיים. ההתקדמות האחרונה בטכניקות המכונות עריכת גנום, המשתמשת בגרעין מותאם אישית כדי ליצור הפסקות גדיל כפול בלוצי ספציפי, משפרת מאוד את יעילות פילוח הגנים.

עכשיו, בואו נסתכל על איך טכנולוגיות הנדסה גנטית מיושמות היום.

תפקודים תאיים באאוקריוטים ממודרים לאברונים, ומיקוד ביטוי החלבון הטרנסגני לתאים בודדים עשוי לאפשר השפעות ביולוגיות ספציפיות יותר. בניסוי זה, החוקרים יצרו מבנה כתב מתויג GFP באמצעות טכניקת ההרכבה גיבסון, שבו אזורים הומולוגיים של חפיפה בין מוצרי PCR מרובים לאפשר ייצור של מבנה שלם ללא שימוש באנזימי הגבלה. נעשה שימוש בתעתיק ביואליסטי כדי להעביר מבנים אלה לתאי צמחים, והחוקרים הצליחו להדגים ביטוי GFP המיועד לכלורופלסט.

תאים סרטניים לעתים קרובות מעל אקספרס קולטני פני השטח, אשר חוקרים יכולים למקד באמצעות ריפוי גנטי. כאן, מדענים הקימו מודל של סרטן שלפוחית השתן האנושי בעכבר. זה ואחריו משלוח אקטואלי של וקטור אדנו-ויראלי לתאי סרטן שלפוחית השתן. תצפית של ביטוי לוציפראז בתאים הסרטניים הצביעה על משלוח מוצלח של הגן הכתב.

לבסוף, מתבצעת התקדמות בהנדסת מסלולים ביולוגיים שלמים באורגניזם יעד. כאן, כל גן של המסלול הביוסינתזי עבור אריתרומיצין אנטיביוטי היה מבודד מן החיידקים המארחים שלה, Saccharopolyspora אריתריאה, באמצעות PCR בשילוב לתוך מבנים דמויי operon שבו סדרה של גנים ממוקמים תחת שליטה על ידי אותם אלמנטים רגולטוריים כדי לאפשר ביטוי אופטימלי. מבנים אלה הפכו לאחר מכן ל- E. coli כדי לשחזר את מסלול הסינתזה, והמוצר המיוצר בהטרולוגיה יכול להיות מטוהר ונבדק לפונקציונליות.

הרגע צפית בסקירה של ג'וב על הנדסה גנטית. בסרטון זה דנו בהיסטוריה של ההנדסה הגנטית, בדקנו שאלות מרכזיות, כלים בתחום, והצגנו מספר דוגמאות ליישומי הנדסה גנטית. כמו תמיד, תודה שצפית!