Skip to main content
Global

10.2: ביוטכנולוגיה ברפואה וחקלאות

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    208639

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

    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 במחלות. ביוטכנולוגיה בחקלאות יכולה לשפר את העמידות למחלות, מזיקים ולחץ סביבתי כדי לשפר 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. במקרים מסוימים בהם קיימת מחלה גנטית במשפחתו של אדם, מומלץ לבני משפחה לעבור בדיקות גנטיות. לדוגמה, מוטציות בגנים BRCA עשויות להגביר את הסבירות לפתח סרטן שד ושחלות אצל נשים וכמה סוגי סרטן אחרים אצל נשים וגברים. אישה עם סרטן השד יכולה להיות מוקרנת עבור מוטציות אלה. אם תימצא אחת המוטציות בסיכון גבוה, ייתכן שגם קרוביה הנשים ירצו להיבדק על המוטציה המסוימת הזו, או פשוט להיות ערניים יותר להתרחשות סרטן. 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.

    מושג בפעולה

    קוד QR המייצג כתובת אתר

    ראה כיצד DNA אנושי מופק לשימושים כגון בדיקות גנטיות.

    ריפוי גנטי הוא טכניקה הנדסית גנטית שעשויה לשמש יום אחד לריפוי מחלות גנטיות מסוימות. בצורתו הפשוטה ביותר, הוא כרוך בהכנסת גן שאינו מוטציה במיקום אקראי בגנום לריפוי מחלה על ידי החלפת חלבון שעשוי להיעדר אצל אנשים אלה בגלל מוטציה גנטית. הגן הלא מוטציה מוחדר בדרך כלל לתאים חולים כחלק מווקטור המועבר על ידי וירוס, כגון אדנווירוס, שיכול להדביק את התא המארח ולהעביר את ה- DNA הזר לגנום של התא הממוקד (איור \(\PageIndex{1}\)). To date, gene therapies have been primarily experimental procedures in humans. A few of these experimental treatments have been successful, but the methods may be important in the future as the factors limiting its success are resolved.

    איור המציג וירוס המכיל DNA ויראלי בשילוב עם גן בריא שאינו מוטציה. הנגיף נכנס לשיחה הממוקדת ומזריק את הגן הלא מוטציה לגרעין תא המטרה.
    איור\(\PageIndex{1}\): תרשים זה מציג את השלבים הכרוכים בריפוי מחלות באמצעות טיפול גנטי באמצעות וקטור אדנווירוס. (אשראי: שינוי עבודה על ידי NIH)

    ייצור חיסונים, אנטיביוטיקה והורמונים

    אסטרטגיות חיסון מסורתיות משתמשות בצורות מוחלשות או לא פעילות של מיקרואורגניזמים או וירוסים כדי לעורר את המערכת החיסונית. טכניקות מודרניות משתמשות בגנים ספציפיים של מיקרואורגניזמים המשובטים לווקטורים ומיוצרים המוני בחיידקים כדי ליצור כמויות גדולות של חומרים ספציפיים כדי לעורר את המערכת החיסונית. לאחר מכן החומר משמש כחיסון. במקרים מסוימים, כמו חיסון נגד שפעת H1N1, גנים המשובטים מהנגיף שימשו למאבק בזנים המשתנים ללא הרף של נגיף זה.

    אנטיביוטיקה הורגת חיידקים ומיוצרת באופן טבעי על ידי מיקרואורגניזמים כמו פטריות; פניצילין הוא אולי הדוגמה הידועה ביותר. אנטיביוטיקה מיוצרת בקנה מידה גדול על ידי טיפוח ומניפולציה של תאים פטרייתיים. תאי הפטרייה עברו בדרך כלל שינוי גנטי כדי לשפר את התשואות של התרכובת האנטיביוטית.

    טכנולוגיית DNA רקומביננטי שימשה לייצור כמויות בקנה מידה גדול של ההורמון האנושי אינסולין ב אי - קולי כבר בשנת 1978. בעבר ניתן היה לטפל בסוכרת רק באינסולין חזיר, מה שגרם לתגובות אלרגיות אצל בני אדם רבים בגלל הבדלים במולקולת האינסולין. בנוסף, הורמון גדילה אנושי (HGH) משמש לטיפול בהפרעות גדילה אצל ילדים. הגן HGH שובט מספריית cDNA (DNA משלים) והוכנס לתאי E. coli על ידי שיבוט אותו לווקטור חיידקי.

    בעלי חיים מהונדסים

    למרות שמספר חלבונים רקומביננטיים המשמשים ברפואה מיוצרים בהצלחה בחיידקים, חלק מהחלבונים זקוקים למארח בעלי חיים אוקריוטי לעיבוד נכון. מסיבה זו, גנים שובטו והתבטאו בבעלי חיים כמו כבשים, עזים, תרנגולות ועכברים. בעלי חיים ששונו לביטוי DNA רקומביננטי נקראים בעלי חיים מהונדסים (איור). \(\PageIndex{2}\)

    בתמונה נראים 3 עכברים תחת אור אולטרה סגול. לשלושתם פרווה לבנה שנראית סגולה באור ה- UV. העכבר האמצעי אינו מהונדס ואינו פלואורסצנטי. העכברים משמאל ומימין הם מהונדסים, ועיניהם, אוזניהם, האף והזנב שלהם זורחים בירוק מתחת לאור ה- UV.
    איור\(\PageIndex{2}\): ניתן לראות ששניים מהעכברים הללו הם מהונדסים מכיוון שיש להם גן שגורם להם לזרוח תחת אור UV. לעכבר הלא מהונדס אין את הגן שגורם לקרינה. (אשראי: אינגריד מון ואח '.)

    מספר חלבונים אנושיים באים לידי ביטוי בחלב של כבשים ועזים מהונדסים. בדוגמה מסחרית אחת, ה- FDA אישר חלבון נוגד קרישה בדם המיוצר בחלב של עזים מהונדסות לשימוש בבני אדם. עכברים שימשו בהרחבה לביטוי וללימוד ההשפעות של גנים ומוטציות רקומביננטיות.

    צמחים מהונדסים

    מניפולציה של ה-DNA של צמחים (יצירת אורגניזמים מהונדסים גנטית, או GMO) סייעה ליצור תכונות רצויות כגון עמידות למחלות, קוטלי עשבים ועמידות למזיקים, ערך תזונתי טוב יותר וחיי מדף טובים יותר (איור\(\PageIndex{3}\)). צמחים הם מקור המזון החשוב ביותר לאוכלוסיית האדם. חקלאים פיתחו דרכים לבחור זני צמחים בעלי תכונות רצויות הרבה לפני שנקבעו שיטות ביוטכנולוגיה מודרניות.

    תמונה של קלחי תירס עם גרעינים בעלי צורה וצבע משתנים.
    איור\(\PageIndex{3}\): תירס, גידול חקלאי עיקרי המשמש ליצירת מוצרים למגוון תעשיות, משתנה לעתים קרובות באמצעות ביוטכנולוגיה צמחית. (אשראי: קית 'ולר, USDA)

    צמחים מהונדסים קיבלו DNA ממינים אחרים. מכיוון שהם מכילים שילובים ייחודיים של גנים ואינם מוגבלים למעבדה, צמחים מהונדסים ו- GMO אחרים 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, במיוחד באבקה ובזרעים של צמחים, נדרשת בדיקה מקיפה כדי להבטיח יציבות אקולוגית. סיכות כמו תירס, תפוחי אדמה ועגבניות היו צמחי היבול הראשונים שהונדסו גנטית.

    טרנספורמציה של צמחים באמצעות אגרובקטריום

    בצמחים גידולים הנגרמים על ידי החיידק Agrobacterium tumefaciens מתרחשים על ידי העברת DNA מהחיידק לצמח. 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 המכילים גנים המשתלבים בגנום של תא הצמח הנגוע. חוקרים מתמרנים את הפלסמידים כדי לשאת את שבר ה- DNA הרצוי ולהכניס אותו לגנום הצמח.

    קוטל החרקים האורגני בצילוס הטורגיינסיס

    חיידק הטורגיינסיס (Bt) הוא חיידק המייצר גבישי חלבון רעילים למיני חרקים רבים הניזונים מצמחים. חרקים שאכלו רעלן Bt מפסיקים להאכיל מהצמחים תוך מספר שעות. לאחר הפעלת הרעלן במעיים של החרקים, המוות מתרחש תוך מספר ימים. הגנים של רעלן הגביש שובטו מהחיידק והוכנסו לצמחים, ולכן מאפשרים לצמחים לייצר רעלן Bt קריסטל משלהם הפועל נגד חרקים. רעלן Bt בטוח לסביבה ואינו רעיל ליונקים (כולל בני אדם). כתוצאה מכך, הוא אושר לשימוש על ידי חקלאים אורגניים כקוטל חרקים טבעי. עם זאת, קיים חשש מסוים שחרקים עלולים לפתח עמידות לרעלן Bt באותו אופן שבו חיידקים מפתחים עמידות לאנטיביוטיקה.

    פלברסבר עגבניות

    היבול הראשון של GM שהוכנס לשוק היה עגבניות FlavrSavr שיוצרה בשנת 1994. טכנולוגיה גנטית מולקולרית שימשה 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 FlavrSavr לא נשארה בהצלחה בשוק בגלל בעיות בתחזוקה ובמשלוח היבול.

    סיכום

    בדיקות גנטיות מבוצעות לזיהוי גנים הגורמים למחלות, וניתן להשתמש בהן לטובת אנשים מושפעים וקרוביהם שטרם פיתחו תסמיני מחלה. לטיפול גנטי - שבאמצעותו משולבים גנים מתפקדים בגנום של אנשים עם גן מוטנטי שאינו מתפקד-יש פוטנציאל לרפא מחלות תורשתיות. לאורגניזמים מהונדסים יש DNA ממין אחר, שנוצר בדרך כלל על ידי טכניקות שיבוט מולקולריות. חיסונים, אנטיביוטיקה והורמונים הם דוגמאות למוצרים המתקבלים בטכנולוגיית DNA רקומביננטי. בעלי חיים מהונדסים נוצרו למטרות ניסוי וחלקם משמשים לייצור חלבונים אנושיים מסוימים.

    גנים מוחדרים לצמחים, באמצעות פלסמידים בחיידק Agrobacterium tumefaciens, המדביק צמחים. צמחים מהונדסים נוצרו כדי לשפר את המאפיינים של צמחי יבול - למשל, על ידי מתן עמידות לחרקים על ידי החדרת גן לרעלן חיידקי.

    רשימת מילים

    ריפוי גנטי
    הטכניקה המשמשת לריפוי מחלות תורשתיות על ידי החלפת גנים מוטנטים בגנים טובים
    בדיקות גנטיות
    זיהוי וריאנטים של גנים באדם שעלולים להוביל למחלה גנטית אצל אותו אדם

    תורמים וייחוסים