Skip to main content
Global

17.1: ביוטכנולוגיה

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    205920

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    מיומנויות לפיתוח

    • תאר אלקטרופורזה של ג'ל
    • הסבר שיבוט מולקולרי ורבייה
    • תאר שימושים בביוטכנולוגיה ברפואה ובחקלאות

    ביוטכנולוגיה היא שימוש בחומרים ביולוגיים לקידום טכנולוגי. ביוטכנולוגיה שימשה לגידול בעלי חיים וגידולים הרבה לפני שהבסיס המדעי של טכניקות אלה הובן. מאז גילוי מבנה ה- DNA בשנת 1953, תחום הביוטכנולוגיה צמח במהירות הן באמצעות מחקר אקדמי והן באמצעות חברות פרטיות. היישומים העיקריים של טכנולוגיה זו הם ברפואה (ייצור חיסונים ואנטיביוטיקה) וחקלאות (שינוי גנטי של גידולים, כגון הגדלת התשואות). לביוטכנולוגיה יש גם יישומים תעשייתיים רבים, כגון תסיסה, טיפול בשפיכות נפט וייצור דלקים ביולוגיים (איור\(\PageIndex{1}\)).

    איור\(\PageIndex{1}\): אנטיביוטיקה היא כימיקלים המיוצרים על ידי פטריות, חיידקים ואורגניזמים אחרים בעלי תכונות אנטי-מיקרוביאליות. האנטיביוטיקה הראשונה שהתגלתה הייתה פניצילין. אנטיביוטיקה מיוצרת כעת באופן מסחרי ונבדקת על הפוטנציאל שלה לעכב את צמיחת החיידקים. (אשראי "פרסומת": שינוי עבודה על ידי NIH; אשראי "לוחית בדיקה": שינוי העבודה על ידי דון סטאלונס/CDC; נתוני סרגל קנה מידה מאת מאט ראסל)

    טכניקות בסיסיות לתמרון חומר גנטי (DNA ו- RNA)

    כדי להבין את הטכניקות הבסיסיות המשמשות לעבודה עם חומצות גרעין, זכרו שחומצות גרעין הן מקרומולקולות העשויות מנוקלאוטידים (סוכר, פוספט ובסיס חנקני) המקושרים על ידי קשרי פוספודיסטר. לקבוצות הפוספט במולקולות אלו יש מטען שלילי נטו. קבוצה שלמה של מולקולות DNA בגרעין נקראת הגנום. ל- DNA שני גדילים משלימים המקושרים על ידי קשרי מימן בין הבסיסים המשויכים. ניתן להפריד בין שני הגדילים על ידי חשיפה לטמפרטורות גבוהות (דנטורציה של DNA) וניתן לחדש אותם מחדש על ידי קירור. ניתן לשכפל את ה-DNA על ידי האנזים DNA פולימראז. בניגוד ל- DNA שנמצא בגרעין התאים האוקריוטיים, מולקולות ה- RNA עוזבות את הגרעין. הסוג הנפוץ ביותר של RNA שמנותח הוא ה- RNA שליח (mRNA) מכיוון שהוא מייצג את הגנים המקודדים לחלבון המתבטאים באופן פעיל. עם זאת, מולקולות RNA מציבות כמה אתגרים אחרים לניתוח, מכיוון שלעתים קרובות הן פחות יציבות מ- DNA.

    מיצוי DNA ו- RNA

    כדי ללמוד או לתפעל חומצות גרעין, תחילה יש לבודד או לחלץ את ה- DNA או ה- RNA מהתאים. טכניקות שונות משמשות לחילוץ סוגים שונים של DNA (איור\(\PageIndex{2}\)). רוב טכניקות מיצוי חומצות הגרעין כוללות שלבים לפרוץ את התא ולהשתמש בתגובות אנזימטיות כדי להשמיד את כל המקרומולקולות שאינן רצויות (כגון פירוק מולקולות לא רצויות והפרדה מדגימת ה-DNA). תאים נשברים באמצעות מאגר תמוגה (תמיסה שהיא בעיקר חומר ניקוי); פירוק פירושו "לפצל". אנזימים אלה מפרקים מולקולות שומנים בקרומי התא ובממברנות הגרעיניות. מקרומולקולות מושבתות באמצעות אנזימים כגון פרוטאזות המפרקות חלבונים וריבונוקלאזות (RNases) המפרקות RNA. לאחר מכן מזרז ה- DNA באמצעות אלכוהול. DNA גנומי אנושי נראה בדרך כלל כמסה לבנה ג'לטינית. ניתן לאחסן את דגימות ה- DNA קפואות ב -80 מעלות צלזיוס למשך מספר שנים.

    איור זה מציג את ארבעת השלבים העיקריים של מיצוי DNA. בשלב הראשון, תאים במבחנה עוברים ליטוש באמצעות חומר ניקוי המשבש את קרום הפלזמה. בשלב השני, תכולת התא מטופלת בפרוטאז להשמדת חלבון, ו- RNAase להשמדת RNA. התרחיף המתקבל הוא צנטריפוגה כדי לגלול את פסולת התא. הסופרנטנט, או הנוזל, המכיל את ה- DNA מועבר לאחר מכן למבחנה נקייה. ה- DNA מזרז באתנול. הוא יוצר גדילים צמיגיים דמויי ריר הניתנים לסליל על מוט זכוכית
    איור\(\PageIndex{2}\): תרשים זה מציג את השיטה הבסיסית המשמשת להפקת DNA.

    ניתוח RNA מבוצע כדי לחקור דפוסי ביטוי גנים בתאים. RNA באופן טבעי מאוד לא יציב מכיוון ש-RNases נמצאים בדרך כלל בטבע וקשה מאוד להשבית אותם. בדומה ל-DNA, מיצוי RNA כרוך בשימוש במאגרים ואנזימים שונים כדי להשבית מקרומולקולות ולשמר את ה-RNA.

    ג'ל אלקטרופורזה

    מכיוון שחומצות גרעין הן יונים טעונים שלילית ב- pH ניטרלי או בסיסי בסביבה מימית, ניתן לגייס אותן על ידי שדה חשמלי. אלקטרופורזה של ג'ל היא טכניקה המשמשת להפרדת מולקולות על בסיס גודל, באמצעות מטען זה. ניתן להפריד את חומצות הגרעין ככרומוזומים שלמים או שברים. חומצות הגרעין נטענות לחריץ ליד האלקטרודה השלילית של מטריצת ג'ל נקבובית למחצה ונמשכת לכיוון האלקטרודה החיובית בקצה הנגדי של הג'ל. מולקולות קטנות יותר נעות דרך הנקבוביות בג'ל מהר יותר ממולקולות גדולות יותר; הבדל זה בקצב הנדידה מפריד בין השברים על בסיס גודל. ישנן דגימות סטנדרטיות במשקל מולקולרי שניתן להריץ לצד המולקולות כדי לספק השוואת גודל. ניתן לצפות בחומצות גרעין במטריצת ג'ל באמצעות צבעים פלואורסצנטיים או צבעוניים שונים. שברי חומצת גרעין מובהקים מופיעים כרצועות במרחקים ספציפיים מהחלק העליון של הג'ל (קצה האלקטרודה השלילית) על בסיס גודלם (איור\(\PageIndex{3}\)). תערובת של שברי DNA גנומיים בגדלים משתנים מופיעה כמריחה ארוכה, בעוד ש- DNA גנומי לא חתוך בדרך כלל גדול מכדי לעבור דרך הג'ל ויוצר רצועה אחת גדולה בחלק העליון של הג'ל.

    תמונה מראה ג'ל אגרוז מואר תחת אור UV. הג'ל מכיל תשעה נתיבים משמאל לימין. כל נתיב היה טעון בדגימה המכילה שברי DNA בגודל שונה שנפרדו כשהם עברו דרך הג'ל מלמעלה למטה. ה- DNA מופיע כרצועות לבנות דקות על רקע שחור. נתיבים אחד ותשע מכילים להקות רבות מתקן DNA. רצועות אלה מרווחות מקרוב לכיוון החלק העליון, ומרוחקות זו מזו בהמשך הג'ל. נתיבים שניים עד שמונה מכילים להקה אחת או שתיים כל אחת. חלק מהלהקות הללו זהות בגודלן ועוברות באותו מרחק לתוך הג'ל. אחרים רצים מרחק מעט שונה, מה שמעיד על הבדל קטן בגודל.
    איור\(\PageIndex{3}\): מוצגים שברי DNA משבע דגימות המופעלות על ג'ל, מוכתמות בצבע ניאון ונראות תחת אור UV. (קרדיט: ג'יימס ג'ייקוב, מכללת קהילת טומפקינס קורטלנד)

    הגברה של שברי חומצת גרעין על ידי תגובת שרשרת פולימראז

    למרות ש- DNA גנומי גלוי לעין בלתי מזוינת כאשר הוא מופק בכמויות גדולות, ניתוח DNA דורש לעתים קרובות התמקדות באזור ספציפי אחד או יותר של הגנום. תגובת שרשרת פולימראז (PCR) היא טכניקה המשמשת להגברת אזורים ספציפיים של DNA לניתוח נוסף (איור\(\PageIndex{4}\)). PCR משמש למטרות רבות במעבדות, כגון שיבוט של שברי גנים לניתוח מחלות גנטיות, זיהוי DNA זר מזהם בדגימה והגברה של DNA לרצף. יישומים מעשיים יותר כוללים קביעת אבהות וגילוי מחלות גנטיות.

    האיור מראה את ההגברה של רצף DNA על ידי תגובת שרשרת הפולימראז. PCR מורכב משלושה שלבים - דנטורציה, חישול וסינתזת DNA - המתרחשים בטמפרטורות גבוהות, נמוכות ובינוניות. בשלב 1, שלב הדנטורציה, הדגימה מחוממת לטמפרטורה גבוהה כך שגדילי ה-DNA נפרדים. בשלב 2, חישול, הדגימה מקוררת כך ששני פריימרים יכולים לחלחל לשני גדילי ה-DNA. הפריימרים מרווחים כך שרצף העניין ביניהם יוגבר. בשלב 3, סינתזת DNA, הדגימה מחוממת לטמפרטורה האופטימלית עבור טאק פולימראז, המסנתז את הגדיל המשלים מהפריימר לקצה 3' של המולקולה. מחזור זה חוזר על עצמו שוב ושוב. בכל פעם, הגדילים החדשים שסונתזו משמשים כתבניות כך שכמות ה-DNA מוכפלת עם כל מחזור. ככל שהמחזורים נמשכים, יותר ויותר גדילים הם בגודל המרחק בין שני הפריימרים; בסופו של דבר, הרוב המכריע של הגדילים הם בגודל זה.
    איור\(\PageIndex{4}\): תגובת שרשרת פולימראז, או PCR, משמשת להגברת רצף ספציפי של DNA. פריימרים - פיסות DNA קצרות המשלימות לכל קצה של רצף המטרה - משולבים עם DNA גנומי, טאק פולימראז ודאוקסינוקלאוטידים. טאק פולימראז הוא פולימראז DNA המבודד מהחיידק התרמו-יציב Thermus aquaticus המסוגל לעמוד בטמפרטורות הגבוהות המשמשות ב- PCR. Thermus aquaticus גדל באגן הגייזר התחתון של הפארק הלאומי ילוסטון. PCR טרנסקריפטאז הפוך (RT-PCR) דומה ל- PCR, אך cDNA עשוי מתבנית RNA לפני תחילת ה- PCR.

    ניתן להגביר שברי DNA גם מתבנית RNA בתהליך הנקרא PCR טרנסקריפטאז הפוך (RT-PCR). השלב הראשון הוא ליצור מחדש את גדיל תבנית ה-DNA המקורי (הנקרא cDNA) על ידי החלת נוקלאוטידים של DNA על ה-mRNA. תהליך זה נקרא תמלול הפוך. זה דורש נוכחות של אנזים הנקרא טרנסקריפטאז הפוך. לאחר יצירת ה- cDNA, ניתן להשתמש ב- PCR רגיל כדי להגביר אותו.

    קישור ללמידה

    העמיק את ההבנה שלך לגבי תגובת שרשרת הפולימראז על ידי לחיצה על תרגיל אינטראקטיבי זה.

    הכלאה, סופג דרומי וסופג צפוני

    ניתן לחקור דגימות חומצות גרעין, כגון DNA גנומי מקוטע ותמציות RNA, לנוכחות רצפים מסוימים. שברי DNA קצרים הנקראים בדיקות מתוכננים ומסומנים בצבעים רדיואקטיביים או פלואורסצנטיים כדי לסייע בזיהוי. אלקטרופורזה של ג'ל מפרידה בין שברי חומצת הגרעין לפי גודלם. השברים בג'ל מועברים לאחר מכן על קרום ניילון בהליך הנקרא סופג (איור\(\PageIndex{5}\)). לאחר מכן ניתן לחקור את שברי חומצת הגרעין הקשורים לפני השטח של הממברנה באמצעות רצפי בדיקה ספציפיים המסומנים רדיואקטיבית או פלואורסצנטית. כאשר ה-DNA מועבר לקרום ניילון, הטכניקה נקראת Southern blotting, וכאשר RNA מועבר לקרום ניילון, זה נקרא סופג צפוני. כתמים דרומיים משמשים לאיתור נוכחות של רצפי DNA מסוימים בגנום נתון, וכתמים צפוניים משמשים לזיהוי ביטוי גנים.

    ב-Southern blotting, ה-DNA מופרד על בסיס גודל על ידי אלקטרופורזה של ג'ל אגרוז. השברים עוברים דרך הג'ל מלמעלה למטה. בג'ל המוצג באיור זה, יש כל כך הרבה שברי DNA שהם מופיעים כמריחה בכל נתיב. ה-DNA מהג'ל מועבר לקרום ניילון. לשם כך, הג'ל נדחף בין נייר סינון לקרום ומונח במאגר הכלאה. מגבות נייר מעל הג'ל מנפות את הלחות ומסייעות בהעברה. קרום הניילון מודגר לאחר מכן עם בדיקה מסומנת רדיואקטיבית או פלואורסצנטית המשלימה לרצף העניין. להקות דיסקרטיות מופיעות במקום בו נמצא רצף העניין.
    איור\(\PageIndex{5}\): סופג דרומי משמש למציאת רצף מסוים בדגימת DNA. שברי DNA מופרדים על ג'ל, מועברים לקרום ניילון ומודגרים בעזרת בדיקת DNA המשלימה לרצף העניין. סופג צפוני דומה לסופג הדרומי, אך RNA מופעל על הג'ל במקום על ה- DNA. בספיגה מערבית, חלבונים מופעלים על ג'ל ומתגלים באמצעות נוגדנים.

    שיבוט מולקולרי

    באופן כללי, המילה "שיבוט" פירושה יצירת העתק מושלם; עם זאת, בביולוגיה, היצירה מחדש של אורגניזם שלם מכונה "שיבוט רבייה". הרבה לפני שנעשו ניסיונות לשבט אורגניזם שלם, החוקרים למדו כיצד לשחזר אזורים רצויים או שברי הגנום, תהליך המכונה שיבוט מולקולרי.

    שיבוט שברים קטנים של הגנום מאפשר מניפולציה ומחקר של גנים ספציפיים (ומוצרי החלבון שלהם), או אזורים לא מקודדים בבידוד. פלסמיד (נקרא גם וקטור) הוא מולקולת DNA מעגלית קטנה המשתכפלת ללא תלות ב-DNA הכרומוזומלי. בשיבוט ניתן להשתמש במולקולות הפלסמיד כדי לספק "תיקיה" שבה ניתן להכניס שבר DNA רצוי. פלסמידים מוחדרים בדרך כלל למארח חיידקי לצורך התפשטות. בהקשר החיידקי, שבר ה- DNA מהגנום האנושי (או הגנום של אורגניזם אחר הנחקר) מכונה DNA זר, או טרנסגן, כדי להבדיל אותו מה- DNA של החיידק, הנקרא ה - DNA המארח.

    פלסמידים מופיעים באופן טבעי באוכלוסיות חיידקים (כגון Escherichia coli) ויש להם גנים שיכולים לתרום תכונות חיוביות לאורגניזם, כגון עמידות לאנטיביוטיקה (היכולת לא להיות מושפעת מאנטיביוטיקה). פלסמידים עוצבו מחדש והונדסו כווקטורים לשיבוט מולקולרי וייצור בקנה מידה גדול של ריאגנטים חשובים, כגון אינסולין והורמון גדילה אנושי. מאפיין חשוב של וקטורי פלסמיד הוא הקלות שבה ניתן להכניס קטע DNA זר דרך אתר השיבוט המרובה (MCS). ה-MCS הוא רצף DNA קצר המכיל מספר אתרים שניתן לחתוך עם אנדונוקליזות הגבלה שונות זמינות. אנדונוקליזות הגבלה מזהות רצפי DNA ספציפיים וחותכות אותם באופן צפוי; הם מיוצרים באופן טבעי על ידי חיידקים כמנגנון הגנה מפני DNA זר. אנדונוקלאזות הגבלה רבות מבצעות חתכים מדורגים בשני גדילי ה-DNA, כך שלקצוות החתוכים יש תלייה חד-גדילית של 2 או 4 בסיסים. מכיוון שתלויים אלה מסוגלים לחשול עם מתלים משלימים, אלה נקראים "קצוות דביקים". תוספת של אנזים הנקרא DNA ligase מצטרפת לצמיתות לשברי ה-DNA באמצעות קשרי פוספודיסטר. בדרך זו, ניתן לחבר כל שבר DNA שנוצר על ידי מחשוף אנדונוקלאז הגבלה בין שני הקצוות של DNA פלסמיד שנחתך עם אותו אנדונוקלאז הגבלה (איור). \(\PageIndex{6}\)

    מולקולות DNA רקומביננטיות

    פלסמידים עם DNA זר המוחדר לתוכם נקראים מולקולות DNA רקומביננטיות מכיוון שהם נוצרים באופן מלאכותי ואינם מתרחשים בטבע. הם נקראים גם מולקולות כימריות מכיוון שניתן לייחס את מקורם של חלקים שונים במולקולות למינים שונים של אורגניזמים ביולוגיים או אפילו לסינתזה כימית. חלבונים המתבטאים ממולקולות DNA רקומביננטיות נקראים חלבונים רקומביננטיים. לא כל הפלסמידים הרקומביננטיים מסוגלים לבטא גנים. ייתכן שיהיה צורך להעביר את ה-DNA הרקומביננטי לווקטור (או מארח) אחר המיועד טוב יותר לביטוי גנים. פלסמידים עשויים גם להיות מהונדסים לביטוי חלבונים רק כאשר הם מעוררים על ידי גורמים סביבתיים מסוימים, כך שמדענים יוכלו לשלוט בביטוי החלבונים הרקומביננטיים.

    חיבור אמנות

    איור ממחיש את השלבים בשיבוט מולקולרי לפלסמיד הנקרא וקטור שיבוט. לווקטור יש גן lacZ, הדרוש לחילוף חומרים של לקטוז, וגן לעמידות לאמפיצילין. בתוך הגן lacZ נמצאים אתרי הגבלה, רצפי DNA שנחתכים על ידי אנזים הגבלה מסוים. ה-DNA שיש לשכפל והפלסמיד נחתכים שניהם על ידי אותו אנזים הגבלה. אנזים ההגבלה מדרדר את החתכים בשני גדילי ה-DNA, כך שלכל גדיל יש פיסת DNA חד-גדילית תלויה. על גדיל אחד, רצף הסככה הוא GATC, ומצד שני, הרצף הוא CTAG. שני רצפים אלה משלימים, ומאפשרים לשבר ה- DNA הזר להתגלגל עם הפלסמיד. אנזים הנקרא ליגאז מחבר את שני החלקים יחד. הפלסמיד המקושר הופך לאחר מכן לזן חיידקי חסר את הגן lacZ ורגיש לאמפיצילין האנטיביוטי. החיידקים מצופים על גבי מדיה המכילה אמפיצילין, כך שרק חיידקים שתפסו את הפלסמיד (שיש לו גן עמידות לאמפיצילין) יגדלו. המדיה מכילה גם X-gal, חומר כימי שעובר חילוף חומרים באותו אופן כמו לקטוז. פלסמידים חסרי התוספת מסוגלים לחילוף חומרים של X-gal, ומשחררים צבע מ-X-gal שהופך את המושבה לכחולה. לפלסמידים עם התוספת יש גן lacZ מופרע ומייצרים מושבות לבנות. לפיכך, ניתן לבחור מושבות המכילות את ה- DNA המשובט על בסיס צבע.
    איור\(\PageIndex{6}\): תרשים זה מציג את השלבים הכרוכים בשיבוט מולקולרי.

    אתה עובד במעבדה לביולוגיה מולקולרית, וללא ידיעתך, שותפך למעבדה השאיר את ה- DNA הגנומי הזר שאתה מתכנן לשבט על ספסל המעבדה בן לילה במקום לאחסן אותו במקפיא. כתוצאה מכך, הוא הושפל על ידי נוקלאזות, אך עדיין נעשה בו שימוש בניסוי. הפלסמיד, לעומת זאת, בסדר. לאילו תוצאות היית מצפה מניסוי השיבוט המולקולרי שלך?

    1. לא יהיו מושבות על צלחת החיידק.
    2. יהיו מושבות כחולות בלבד.
    3. יהיו מושבות כחולות ולבנות.
    4. יהיו מושבות לבנות בלבד.

    קישור ללמידה

    צפה באנימציה של רקומבינציה בשיבוט ממרכז הלמידה של DNA.

    שיבוט סלולרי

    אורגניזמים חד-תאיים, כגון חיידקים ושמרים, מייצרים באופן טבעי שיבוטים של עצמם כאשר הם משתכפלים באופן א-מיני על ידי ביקוע בינארי; זה ידוע בשם שיבוט תאי. ה- DNA הגרעיני משוכפל בתהליך המיטוזה, היוצר העתק מדויק של החומר הגנטי.

    שיבוט רבייה

    שיבוט רבייה הוא שיטה המשמשת ליצירת שיבוט או עותק זהה של אורגניזם רב תאי שלם. רוב האורגניזמים הרב-תאיים עוברים רבייה באמצעים מיניים, הכוללים הכלאה גנטית של שני פרטים (הורים), מה שהופך את זה לבלתי אפשרי ליצור עותק זהה או שיבוט של כל אחד מההורים. ההתקדמות האחרונה בביוטכנולוגיה אפשרה לגרום באופן מלאכותי להתרבות א-מינית של יונקים במעבדה.

    פרתנוגנזה, או "לידת בתולה", מתרחשת כאשר עובר גדל ומתפתח מבלי שהפריה של הביצית מתרחשת; זוהי סוג של רבייה א-מינית. דוגמה לפרתנוגנזה מתרחשת במינים בהם הנקבה מטילה ביצה ואם הביצית מופרית, מדובר בביצה דיפלואידית והפרט מתפתח לנקבה; אם הביצית אינה מופרית, היא נשארת ביצית הפלואידית ומתפתחת לזכר. הביצית הלא מופרית נקראת ביצה פרתנוגנית, או בתולה. כמה חרקים וזוחלים מטילים ביצים פרתנוגניות שיכולות להתפתח למבוגרים.

    רבייה מינית דורשת שני תאים; כאשר הביצית הפלואידית ותאי הזרע מתמזגים, נוצרת זיגוטה דיפלואידית. גרעין הזיגוטה מכיל את המידע הגנטי לייצור אדם חדש. עם זאת, התפתחות עוברית מוקדמת דורשת את החומר הציטופלזמי הכלול בתא הביצית. רעיון זה מהווה את הבסיס לשיבוט רבייה. לכן, אם הגרעין הפלואידי של תא ביצית מוחלף בגרעין דיפלואידי מהתא של כל פרט מאותו המין (הנקרא תורם), הוא יהפוך לזיגוטה זהה גנטית לתורם. העברה גרעינית של תאים סומטיים היא הטכניקה של העברת גרעין דיפלואידי לביצה בעלת גרעין. זה יכול לשמש לשיבוט טיפולי או לשיבוט רבייה.

    החיה המשובטת הראשונה הייתה דולי, כבשה שנולדה בשנת 1996. שיעור ההצלחה של שיבוט הרבייה באותה תקופה היה נמוך מאוד. דולי חיה שבע שנים ומתה מסיבוכים בדרכי הנשימה (איור 17.1.7). יש ספקולציות שמכיוון ש- DNA התא שייך לאדם מבוגר יותר, גיל ה- DNA עשוי להשפיע על תוחלת החיים של אדם משובט. מאז דולי, מספר בעלי חיים כגון סוסים, שוורים ועזים שובטו בהצלחה, אם כי אנשים אלה מפגינים לעתים קרובות הפרעות בפנים, בגפיים ובלב. היו ניסיונות לייצר עוברים אנושיים משובטים כמקורות לתאי גזע עובריים, המכונים לעתים שיבוט למטרות טיפוליות. שיבוט טיפולי מייצר תאי גזע כדי לנסות לתקן מחלות או פגמים מזיקים (בניגוד לשיבוט הרבייה, שמטרתו לשחזר אורגניזם). ובכל זאת, מאמצי השיבוט הטיפולי נתקלו בהתנגדות בגלל שיקולים ביו-אתיים.

    חיבור אמנות

    כדי לשבט את דולי הכבשה, כבשה סקוטית Blackface שימשה כתורמת ציטופלסמית. ביצים מכבשה זו חולצו, והגרעין הוסר. כבשה פין-דורסט שימשה כתורמת הגרעין. גרעינים חולצו מתאי החלב, וזרם חשמלי ישיר שימש למיזוג ה- DNA הגרעיני עם ביצית התורמת. לאחר מכן הורשתה הביצה להתחלק לשלב הבלסטוציסט, בו כדור תאים מכיל מקבץ תאים בצד אחד. הבלסטוציסט הושתל באם פונדקאית, וכתוצאה מכך דולי הכבשה.
    איור\(\PageIndex{7}\): דולי הכבשה הייתה היונק הראשון ששובט. כדי ליצור את דולי, הגרעין הוסר מתא ביצית התורם. לאחר מכן הוכנס הגרעין מכבשה שנייה לתא, שהורשה להתחלק לשלב הבלסטוציסט לפני שהושתל באם פונדקאית. (קרדיט: שינוי העבודה על ידי "סקווידוניוס" /ויקימדיה Commons)

    אתה חושב שדולי הייתה פין-דורסט או כבשה סקוטית בלאקפייס?

    הנדסה גנטית

    הנדסה גנטית היא שינוי הגנוטיפ של האורגניזם באמצעות טכנולוגיית DNA רקומביננטי כדי לשנות את ה-DNA של האורגניזם כדי להשיג תכונות רצויות. הוספת DNA זר בצורה של וקטורי DNA רקומביננטיים הנוצרים על ידי שיבוט מולקולרי היא השיטה הנפוצה ביותר להנדסה גנטית. האורגניזם שמקבל את ה- DNA הרקומביננטי נקרא אורגניזם מהונדס גנטית (GMO). אם ה- DNA הזר המוחדר מגיע ממין אחר, האורגניזם המארח נקרא מהונדס. חיידקים, צמחים ובעלי חיים עברו שינוי גנטי מאז תחילת שנות השבעים למטרות אקדמיות, רפואיות, חקלאיות ותעשייתיות. בארה"ב, GMO כגון פולי סויה מוכנים ל- Roundup ותירס עמיד בפני נשא הם חלק ממזונות מעובדים נפוצים רבים.

    מיקוד גנים

    למרות ששיטות קלאסיות לחקר תפקוד הגנים החלו בפנוטיפ נתון וקבעו את הבסיס הגנטי של אותו פנוטיפ, טכניקות מודרניות מאפשרות לחוקרים להתחיל ברמת רצף ה-DNA ולשאול: "מה עושה הגן או יסוד ה-DNA הזה?" טכניקה זו, הנקראת גנטיקה הפוכה, הביאה להיפוך המתודולוגיה הגנטית הקלאסית. שיטה זו תהיה דומה לפגיעה בחלק הגוף כדי לקבוע את תפקודו. חרק שמאבד כנף אינו יכול לעוף, מה שאומר שתפקוד הכנף הוא מעוף. השיטה הגנטית הקלאסית תשווה חרקים שאינם יכולים לעוף עם חרקים שיכולים לעוף, ותבחין כי החרקים הלא מעופפים איבדו כנפיים. באופן דומה, מוטציה או מחיקה של גנים מספקת לחוקרים רמזים לגבי תפקוד הגנים. השיטות המשמשות להשבית את תפקוד הגנים נקראות ביחד מיקוד גנים. מיקוד גנים הוא שימוש בווקטורי DNA רקומביננטי כדי לשנות את הביטוי של גן מסוים, בין אם על ידי החדרת מוטציות בגן, או על ידי ביטול הביטוי של גן מסוים על ידי מחיקת חלק או כל רצף הגנים מהגנום של אורגניזם.

    ביוטכנולוגיה ברפואה וחקלאות

    קל לראות כיצד ניתן להשתמש בביוטכנולוגיה למטרות רפואיות. הכרת המבנה הגנטי של המין שלנו, הבסיס הגנטי של מחלות תורשתיות והמצאת הטכנולוגיה לתמרון ותיקון גנים מוטנטים מספקת שיטות לטיפול במחלה. ביוטכנולוגיה בחקלאות יכולה לשפר את העמידות בפני מחלות, מזיקים ולחץ סביבתי, ולשפר הן את תפוקת היבול והן את איכותו.

    אבחון גנטי וטיפול גנטי

    תהליך הבדיקה לחשד למומים גנטיים לפני מתן הטיפול נקרא אבחון גנטי על ידי בדיקה גנטית. בהתאם לדפוסי הירושה של גן הגורם למחלות, מומלץ לבני המשפחה לעבור בדיקות גנטיות. לדוגמה, נשים המאובחנות עם סרטן השד מומלץ בדרך כלל לבצע ביופסיה, כך הצוות הרפואי יכול לקבוע את הבסיס הגנטי של התפתחות סרטן. תוכניות הטיפול מבוססות על ממצאי בדיקות גנטיות הקובעות את סוג הסרטן. אם הסרטן נגרם כתוצאה ממוטציות גנטיות תורשתיות, מומלץ לקרובי משפחה אחרים לעבור בדיקות גנטיות ובדיקות תקופתיות לסרטן השד. בדיקות גנטיות מוצעות גם לעוברים (או עוברים עם הפריה חוץ גופית) כדי לקבוע את נוכחותם או היעדרם של גנים הגורמים למחלות במשפחות עם מחלות מתישות ספציפיות.

    ריפוי גנטי הוא טכניקה הנדסית גנטית המשמשת לריפוי מחלות. בצורתו הפשוטה ביותר, הוא כרוך בהכנסת גן טוב במיקום אקראי בגנום כדי לסייע בריפוי מחלה הנגרמת על ידי גן מוטציה. הגן הטוב מוחדר בדרך כלל לתאים חולים כחלק מווקטור המועבר על ידי וירוס שיכול להדביק את התא המארח ולהעביר את ה- DNA הזר (איור\(\PageIndex{8}\)). צורות מתקדמות יותר של טיפול גנטי מנסות לתקן את המוטציה באתר המקורי בגנום, כמו במקרה של טיפול בחוסר חיסוני משולב חמור (SCID).

    כדי לרפא מחלות באמצעות וקטור adenovirus, גן חדש שנועד להחליף אחד פגום ארוז עם הגנום adenovirus. הגנים שהופכים את הנגיף לפתוגני מוסרים. ה-DNA שהשתנה מוכנס בתוך הקפסיד של הנגיף, או מעיל החלבון. האדם שיש לרפא נגוע בנגיף שהשתנה. DNA ויראלי נכנס לגרעין, שם הגן שהשתנה יכול להחליף את הפגום.
    איור\(\PageIndex{8}\): ניתן להשתמש בטיפול גנטי באמצעות וקטור אדנווירוס לריפוי מחלות גנטיות מסוימות שבהן לאדם יש גן פגום. (אשראי: NIH)

    ייצור חיסונים, אנטיביוטיקה והורמונים

    אסטרטגיות חיסון מסורתיות משתמשות בצורות מוחלשות או לא פעילות של מיקרואורגניזמים כדי להעלות את התגובה החיסונית הראשונית. טכניקות מודרניות משתמשות בגנים של מיקרואורגניזמים המשובטים לווקטורים כדי לייצר המוני את האנטיגן הרצוי. לאחר מכן מוחדר האנטיגן לגוף כדי לעורר את התגובה החיסונית הראשונית ולהפעיל זיכרון חיסוני. גנים המשובטים מנגיף השפעת שימשו למאבק בזנים המשתנים ללא הרף של נגיף זה.

    אנטיביוטיקה היא מוצר ביוטכנולוגי. הם מיוצרים באופן טבעי על ידי מיקרואורגניזמים, כגון פטריות, כדי להשיג יתרון על פני אוכלוסיות חיידקים. אנטיביוטיקה מיוצרת בקנה מידה גדול על ידי טיפוח ומניפולציה של תאים פטרייתיים.

    טכנולוגיית DNA רקומביננטי שימשה לייצור כמויות גדולות של אינסולין אנושי ב אי - קולי כבר בשנת 1978. בעבר, זה היה אפשרי רק לטפל בסוכרת עם אינסולין חזיר, אשר גרמה לתגובות אלרגיות בבני אדם בגלל הבדלים במוצר הגן. בנוסף, הורמון גדילה אנושי (HGH) משמש לטיפול בהפרעות גדילה אצל ילדים. הגן HGH שובט מספריית cDNA והוכנס לתאי E. coli על ידי שיבוט אותו לווקטור חיידקי.

    בעלי חיים מהונדסים

    למרות שמספר חלבונים רקומביננטיים המשמשים ברפואה מיוצרים בהצלחה בחיידקים, חלק מהחלבונים דורשים מארח בעלי חיים אוקריוטי לעיבוד נכון. מסיבה זו, הגנים הרצויים משובטים ומתבטאים בבעלי חיים, כמו כבשים, עזים, תרנגולות ועכברים. בעלי חיים ששונו לביטוי DNA רקומביננטי נקראים בעלי חיים מהונדסים. כמה חלבונים אנושיים באים לידי ביטוי בחלב של כבשים ועזים מהונדסים, וחלקם באים לידי ביטוי בביצים של תרנגולות. עכברים שימשו בהרחבה לביטוי וללימוד ההשפעות של גנים ומוטציות רקומביננטיות.

    צמחים מהונדסים

    מניפולציה של ה-DNA של צמחים (כלומר, יצירת GMO) סייעה ליצור תכונות רצויות, כגון עמידות למחלות, עמידות לקוטלי עשבים וחומרי הדברה, ערך תזונתי טוב יותר וחיי מדף טובים יותר (איור). \(\PageIndex{9}\) צמחים הם מקור המזון החשוב ביותר לאוכלוסיית האדם. חקלאים פיתחו דרכים לבחור זני צמחים בעלי תכונות רצויות הרבה לפני שנקבעו שיטות ביוטכנולוגיה מודרניות.

    תמונה מציגה קלחי תירס בצבעים שונים, כולל צהוב, לבן, אדום, ותערובת של צבעים אלה.
    איור\(\PageIndex{9}\): תירס, גידול חקלאי עיקרי המשמש ליצירת מוצרים למגוון תעשיות, משתנה לעתים קרובות באמצעות ביוטכנולוגיה צמחית. (אשראי: קית 'ולר, USDA)

    צמחים שקיבלו DNA רקומביננטי ממינים אחרים נקראים צמחים מהונדסים. מכיוון שהם אינם טבעיים, צמחים מהונדסים ושאר GMO מנוטרים מקרוב על ידי סוכנויות ממשלתיות כדי להבטיח שהם מתאימים למאכל אדם ואינם מסכנים חיי צמחים ובעלי חיים אחרים. מכיוון שגנים זרים יכולים להתפשט למינים אחרים בסביבה, נדרשת בדיקה מקיפה כדי להבטיח יציבות אקולוגית. סיכות כמו תירס, תפוחי אדמה ועגבניות היו צמחי היבול הראשונים שהונדסו גנטית.

    טרנספורמציה של צמחים באמצעות אגרובקטריום

    העברת גנים מתרחשת באופן טבעי בין מינים באוכלוסיות מיקרוביאליות. וירוסים רבים הגורמים למחלות אנושיות, כמו סרטן, פועלים על ידי שילוב ה- DNA שלהם בגנום האנושי. בצמחים גידולים הנגרמים על ידי החיידק Agrobacterium tumefaciens מתרחשים על ידי העברת DNA מהחיידק לצמח. למרות שהגידולים אינם הורגים את הצמחים, הם הופכים את הצמחים למעוכבים ורגישים יותר לתנאי סביבה קשים. צמחים רבים, כגון אגוזי מלך, ענבים, עצי אגוזים וסלק, מושפעים מ- A. tumefaciens. החדרה מלאכותית של DNA לתאי צמחים מאתגרת יותר מאשר בתאי בעלי חיים בגלל דופן התא הצמחי העבה.

    חוקרים השתמשו בהעברה טבעית של DNA מ- Agrobacterium למארח צמחים כדי להכניס שברי DNA לפי בחירתם למארחי צמחים. בטבע, הגורם למחלה A. tumefaciens יש קבוצה של פלסמידים, הנקראים פלסמידים Ti (פלסמידים מעוררי גידול), המכילים גנים לייצור גידולים בצמחים. DNA מהפלסמיד Ti משתלב בגנום של תא הצמח הנגוע. חוקרים מתמרנים את פלסמידים Ti כדי להסיר את הגנים הגורמים לגידול ולהכניס את שבר ה-DNA הרצוי להעברה לגנום הצמח. פלסמידים Ti נושאים גנים של עמידות לאנטיביוטיקה כדי לסייע בבחירה וניתן להפיץ אותם גם בתאי E. coli.

    קוטל החרקים האורגני בצילוס הטורגיינסיס

    Bacillus thuringiensis (Bt) הוא חיידק המייצר גבישי חלבון במהלך ספורולציה רעילים למיני חרקים רבים המשפיעים על צמחים. רעלן Bt צריך להיבלע על ידי חרקים כדי שהרעלן יופעל. חרקים שאכלו רעלן Bt מפסיקים להאכיל מהצמחים תוך מספר שעות. לאחר הפעלת הרעלן במעיים של החרקים, המוות מתרחש תוך מספר ימים. הביוטכנולוגיה המודרנית אפשרה לצמחים לקודד רעלן Bt קריסטל משלהם הפועל נגד חרקים. הגנים של רעלן הגביש שובטו מ- Bt והוכנסו לצמחים. רעלן Bt נמצא בטוח לסביבה, אינו רעיל לבני אדם ויונקים אחרים, והוא מאושר לשימוש על ידי חקלאים אורגניים כקוטל חרקים טבעי.

    עגבניות פלבר סאבר

    היבול הראשון של GM שהוכנס לשוק היה עגבניות Flavr Savr שיוצרה בשנת 1994. נעשה שימוש בטכנולוגיית RNA אנטיסנס להאטת תהליך הריכוך והנרקב שנגרם כתוצאה מזיהומים פטרייתיים, מה שהוביל להגדלת חיי המדף של עגבניות ה- GM. שינוי גנטי נוסף שיפר את הטעם של עגבנייה זו. עגבנית Flavr Savr לא נשארה בהצלחה בשוק בגלל בעיות בתחזוקה ובמשלוח היבול.

    סיכום

    ניתן לבודד חומצות גרעין מהתאים לצורך ניתוח נוסף על ידי פריצת התאים והשמדה אנזימטית של כל שאר המקרומולקולות העיקריות. ניתן להפריד כרומוזומים מקוטעים או שלמים על בסיס גודל על ידי אלקטרופורזה של ג'ל. ניתן להגביר קטעים קצרים של DNA או RNA על ידי PCR. ניתן להשתמש בסופג דרומי וצפוני כדי לזהות נוכחות של רצפים קצרים ספציפיים בדגימת DNA או RNA. המונח "שיבוט" עשוי להתייחס לשיבוט שברי DNA קטנים (שיבוט מולקולרי), שיבוט אוכלוסיות תאים (שיבוט תאי) או שיבוט אורגניזמים שלמים (שיבוט רבייה). בדיקות גנטיות מבוצעות לזיהוי גנים הגורמים למחלות, וטיפול גנטי משמש לריפוי מחלה תורשתית.

    לאורגניזמים מהונדסים יש DNA ממין אחר, שנוצר בדרך כלל על ידי טכניקות שיבוט מולקולריות. חיסונים, אנטיביוטיקה והורמונים הם דוגמאות למוצרים המתקבלים בטכנולוגיית DNA רקומביננטי. צמחים מהונדסים נוצרים בדרך כלל כדי לשפר את המאפיינים של צמחי היבול.

    חיבורי אמנות

    איור\(\PageIndex{6}\): אתה עובד במעבדה לביולוגיה מולקולרית, וללא ידיעתך, שותף המעבדה שלך השאיר את ה- DNA הגנומי הזר שאתה מתכנן לשבט על ספסל המעבדה בן לילה במקום לאחסן אותו במקפיא. כתוצאה מכך, הוא הושפל על ידי נוקלאזות, אך עדיין נעשה בו שימוש בניסוי. הפלסמיד, לעומת זאת, בסדר. לאילו תוצאות היית מצפה מניסוי השיבוט המולקולרי שלך?

    1. לא יהיו מושבות על צלחת החיידק.
    2. יהיו מושבות כחולות בלבד.
    3. יהיו מושבות כחולות ולבנות.
    4. יהיו מושבות לבנות בלבד.
    תשובה

    ב הניסוי יביא למושבות כחולות בלבד.

    דמות\(\PageIndex{7}\): האם אתה חושב שדולי הייתה פין-דורסט או כבשה סקוטית Blackface?

    תשובה

    דולי הייתה כבשה פין-דורסט מכיוון שלמרות שהתא המקורי הגיע מכבשה סקוטית שחורה והאם הפונדקאית הייתה שחור סקוטי, ה- DNA הגיע מפין-דורסט.

    רשימת מילים

    עמידות לאנטיביוטיקה
    היכולת של אורגניזם להיות לא מושפע על ידי פעולות של אנטיביוטיקה
    ביוטכנולוגיה
    שימוש בחומרים ביולוגיים לקידום טכנולוגי
    שיבוט סלולרי
    ייצור אוכלוסיות תאים זהות על ידי ביקוע בינארי
    שיבוט
    העתק מדויק
    DNA זר
    DNA השייך למין או DNA אחר המסונתז באופן מלאכותי
    ג'ל אלקטרופורזה
    טכניקה המשמשת להפרדת מולקולות על בסיס גודל באמצעות מטען חשמלי
    מיקוד גנים
    שיטה לשינוי רצף של גן ספציפי על ידי הצגת הגרסה שהשתנתה על וקטור
    ריפוי גנטי
    טכניקה המשמשת לריפוי מחלות תורשתיות על ידי החלפת גנים מוטנטים בגנים טובים
    אבחון גנטי
    אבחון הפוטנציאל להתפתחות מחלות על ידי ניתוח גנים הגורמים למחלות
    הנדסה גנטית
    שינוי המבנה הגנטי של אורגניזם
    בדיקות גנטיות
    תהליך בדיקה לנוכחות גנים הגורמים למחלות
    אורגניזם מהונדס גנטית (GMO)
    אורגניזם שהגנום שלו השתנה באופן מלאכותי
    DNA מארח
    DNA שנמצא בגנום של האורגניזם המעניין
    מאגר תמוגה
    פתרון המשמש לשבור את קרום התא ולשחרר תוכן התא
    שיבוט מולקולרי
    שיבוט של שברי DNA
    אתר שיבוט מרובה (MCS)
    אתר שניתן לזהות על ידי אנדונוקליזות הגבלה מרובות
    סופג צפוני
    העברת RNA מג'ל לקרום ניילון
    תגובת שרשרת פולימראז (PCR)
    טכניקה המשמשת להגברת ה- DNA
    בדיקה
    קטע DNA קטן המשמש לקביעת אם הרצף המשלים קיים בדגימת DNA
    פרוטאז
    אנזים המפרק חלבונים
    DNA רקומביננטי
    שילוב של שברי DNA הנוצרים על ידי שיבוט מולקולרי שאינו קיים בטבע; ידוע גם כמולקולה כימרית
    חלבון רקומביננטי
    תוצר חלבון של גן שמקורו בשיבוט מולקולרי
    שיבוט רבייה
    שיבוט של אורגניזמים שלמים
    אנדונוקלאז הגבלה
    אנזים שיכול לזהות ולבקע רצפי DNA ספציפיים
    גנטיקה הפוכה
    שיטה לקביעת תפקוד הגן על ידי התחלת הגן עצמו במקום להתחיל בתוצר הגן
    PCR טרנסקריפטאז הפוך (RT-PCR)
    טכניקת PCR הכוללת המרת RNA ל- DNA על ידי טרנסקריפטאז הפוך
    ריבונוקלאז
    אנזים המפרק RNA
    סופג דרומי
    העברת DNA מג'ל לקרום ניילון
    פלסמיד Ti
    מערכת פלסמיד הנגזרת מ- Agrobacterium tumifaciens ששימש מדענים להחדרת DNA זר לתאי צמחים
    מהונדס
    אורגניזם שמקבל DNA ממין אחר