W połowie lat siedemdziesiątych ubiegłego stulecia rozpoczął się rozwój technik sztucznej rekombinacji DNA, w wyniku której powstają cząsteczki DNA o nowych układach sekwencji zasad. Metody sztucznej rekombinacji DNA opracowano początkowo w celu umożliwienia uczonym pozyskiwania wielkiej liczby kopii dowolnego fragmentu DNA o specyficznej sekwencji. Dzisiaj można powielać wybrany fragment DNA posługując się kilkoma metodami. Większość z nich wymaga wprowadzenia obcego DNA do komórek mikroorganizmów.
W odpowiednich warunkach DNA ten jest replikowany i, w momencie podziału, przekazywany komórkom potomnym. Fragment DNA o konkretnej sekwencji zostaje w ten sposób powielony, czyli sklonowany w milionach identycznych kopii, które można wyizolować w czystej postaci. Dysponujemy obecnie metodami pozwalającymi na klonowanie in vitro, tj. poza komórką. Metoda klonowania DNA potrafi dostarczyć wielu informacji o tempie i zakresie ewolucji, o zjawiskach rozwoju i zróżnicowania, umożliwia tworzenie nowych genów i wprowadzanie ich do komórek gospodarza. Klonowanie DNA rozszerzyło naszą wiedzę tak, że umożliwiło klonowanie zarodków na drodze manipulowania nie tylko konstrukcjami genów, ale całymi komórkami, zwłaszcza zarodkowymi oraz całymi zarodkami. Manipulacje te dotyczą przede wszystkim tworzenia zarodków na drodze zapłodnienia in vitro, dzielenia ich, konserwowania i przechowywania, transplantacji, a także oznaczania ich płci na wczesnych etapach rozwoju. Wymyślono między innymi techniki tzw. transferu, czyli przenoszenia do zygoty genów obcych, izolowanych z innych organizmów. Gdy połączy się metodykę klonowania z inżynierią genetyczną i embriologią, można kreować takie organizmy, których nie zna ewolucja, bo na naturalnej drodze ich nie wytworzyła. Pierwsze metodyczne eksperymenty na tym polu przeprowadzono już w 1982 r. Posługując się tą metodą i jej modyfikacjami otrzymano też transgeniczne króliki, świnie, owce i cielęta.
Co to jest klonowanie?
Klonowanie to otrzymanie organizmu identycznego z wyjściowym bez stosowania technik seksualnych. Wprowadzenie metod klonowania do badań genetycznych nad powielaniem liczby kopii cząsteczek DNA lub ich odcinków a także nad powielaniem liczby komórek jednego klonu znalazło zastosowanie w doskonaleniu genetycznego potencjału hodowanych zwierząt i roślin.
Na czym polega klonowanie zwierząt?
Aby uzyskać bardziej efektywne sposoby sterowania rozrodem zwierząt i przyspieszać jego tempo, a także zwiększać liczbę potomstwa od jednej matki, konieczne stały się badania nad techniką klonowania najpierw samego genu a potem całych komórek, a nawet organizmów, z ssakami włącznie. Opracowane w ostatnich latach metody klonowania, a potem selekcji klonowanych cząsteczek dały podstawę do izolowania wybranych genów, czyli określonych odcinków DNA. Wybrane do powielania odcinki mogą mieć długość nawet do kilku tysięcy par zasad. Odcinki te można powielać z pojedynczych kopii na wiele powtórzeń. Obce geny dla danego gatunku zwierząt mogą dzięki rozklonowaniu być wprowadzone do komórek zarodkowych zwierząt innych gatunków i tam podlegać ekspresji, tworząc tzw. zwierzęta transgeniczne. Na szczególną uwagę we współczesnej biotechnologii zasługuje klonowanie zarodków zwierząt gospodarskich. Pozwala ono ominąć wiele etapów rozrodu płciowego oraz otrzymać wiele osobników pochodzących od jednego zarodka. Takie zwierzęta wytworzone klonowaniem z jednego zarodka nazywane są często wieloraczkami monozygotycznymi. Są one cennym materiałem ze względów hodowlanych, produkcyjnych oraz poznawczych. Próby klonowania zwierząt, w tym ssaków, podejmowano już od dawna. W wielu światowych laboratoriach żyją dziś sklonowane różnymi metodami myszy, świnie, konie, bydło, owce i króliki. Jeden ze sposobów klonowania znalazł dziś zastosowanie komercyjne w rozmnażaniu zwierząt gospodarskich i przynosi znaczną obniżkę kosztów ich hodowli. Dzielenie zarodka w stadium kilkukomórkowym (do ośmiu komórek) jest często stosowane w hodowli bydła. Tak powstają zwierzęta z identycznym garniturem genetycznym, a zatem klony. Łączy je wspólna cecha: są identycznymi genetycznie kopiami bardzo młodych, jeszcze nienarodzonych osobników, najczęściej zarodków.
Dopracowywane wciąż metody klonowania mają ogromne znaczenie dla wielu praktycznych naukowych przedsięwzięć. Klonowanie dorosłych zwierząt staje się opłacalne w przypadku szczególnie cennych organizmów transgenicznych. Jedna z firm sponsorujących takie badania wydała ponad 4 mln dolarów na uzyskanie transgenicznej krowy Rosie, produkującej w swoim mleku, oprócz własnego białka alfa-laktoalbuminy, również alfa-laktalbuminę ludzką. Sklonowanie Rosie daje pewność, że jej klony wykazywałyby podobny, wysoki poziom aktywności ludzkiego genu. W Stanach Zjednoczonych sklonowano natomiast świnie i krowy również przy użyciu zmodyfikowanych genetycznie fibroblastów płodowych. Z rozwijających się transgenicznych płodów pobierane są komórki nerwowe, które mają być wykorzystane w leczeniu choroby Parkinsona. Podawanie chorym na hemofilię ekstrahodowanego z krwi czystego czynnika VIII krzepliwości krwi kosztuje dziesiątki tysięcy dolarów rocznie. To samo białko uzyskiwane z mleka klonowanych transgenicznych zwierząt byłoby nie tylko tańsze, ale także wolne od wirusów HIV i zapalenia wątroby. Wyniki prac nad klonami zwierzęcymi pomagają w odtwarzaniu uszkodzonych narządów i tkanek:
- skóry,
- nerwów,
- wątroby,
- szpiku.
Na czym polega klonowanie roślin?
Klonowanie organizmów transgenicznych pozwala na ich rozmnożenie z zachowaniem wprowadzonego genu, co przy typowym rozrodzie płciowym nie jest pewne. Klonowanie można łatwiej przeprowadzić u roślin, które w odróżnieniu od zwierząt wyższych bez problemu rozmnażają się wegetatywnie. Obecnie do hodowli roślin transgenicznych wdrażany jest etap polegający na konstruowaniu uprawnych roślin transgenicznych opornych na herbicydy oraz tolerancyjnych względem patogenów. Faza druga to produkcja ksenogenicznych białek (obcych dla rośliny) - użytecznych w medycynie, rolnictwie i przemyśle. Pierwsze projekty w tej dziedzinie są już realizowane. Etap trzeci, dotychczas realizowany w nielicznych laboratoriach, polega na ingerencji w metabolizm rośliny w celu uzyskania nowych, korzystnych cech. Biosynteza metabolizmów w roślinach podlega bardzo drobiazgowej regulacji. Każda zmiana wprowadzona w metabolizmie komórkowym może wywołać nieprzewidywalne, niepożądane efekty i wymaga wnikliwych badań. Aby z powodzeniem zmienić metabolizm roślin, konieczne jest poznanie i sklonowanie wielu genów odpowiedzialnych za reakcje prowadzące do przyłączenia grup funkcjonalnych. Ponadto konieczne jest indukowanie tworzenia się nowych struktur tkankowych, w których byłyby magazynowane produkty zmienionego metabolizmu (np. ciała oleiste, kolce). W tym kierunku również prowadzone są badania.
Nauka nie posiada jeszcze dostatecznych dowodów czy rośliny modyfikowane genetycznie nie niosą zagrożeń. Tworzone są przecież organizmy niewystępujące w przyrodzie, co może stwarzać zagrożenie dla istniejących gatunków - klonowanie może doprowadzić do zahamowania rozwoju ewolucyjnego klonów danego gatunku. Niebezpieczne może być też klonowanie organizmów pasożytniczych zmienionych genetycznie i wykorzystywanych jako broń biologiczna. Brak jest dostatecznej kontroli nad tymi badaniami i istnieje ryzyko, że mogą one wymknąć się spod kontroli naukowców. Powołano więc specjalne komisje mające za zadanie kontrolować, czy nowe odmiany roślin spełniają wszystkie wymagania bezpieczeństwa. Sprawdzana jest ich toksyczność oraz stabilność genetyczna. Kontroluje się, czy syntezowane metabolity lub białka nie powodują u ludzi odpowiedzi alergicznej. Sprawdza się także, czy geny wprowadzone do roślin mogą przedostać się do spokrewnionych z nimi roślin naturalnie występujących w przyrodzie.
Pierwsze próby klonowania ssaków
Sklonowania słynnej owieczki Dolly dokonał Ian Wiliams z Instytutu Roslin w Midlothian pod Edynburgiem, który to ośrodek jest wiodącym w Wielkiej Brytanii centrum pracującym na rzecz rolnictwa i hodowli zwierząt gospodarskich, wykorzystującym najnowocześniejsze techniki molekularne. Dolly przyszła na świat w lipcu 1996 r. Ogromny sukces dra Williama i jego zespołu polegał na tym, że użył on do procesu klonowania komórek somatycznych, a zatem innych niż rozrodcze (użyte zostały komórki z sutka laktującej owcy, z których pobrano jądro). Z drugiej owcy pobrano komórkę jajową, z której usunięto jadro, a następnie wprowadzono jądro wcześniej wydzielone z pierwszej owcy. W końcowym etapie wprowadzono otrzymane w ten sposób jajo do trzeciej owcy, w której rozwinął się zarodek. Twórcy owcy Dolly wykorzystali aż 277 zygot, z których po sześciu dniach hodowli in vitro przeżyło jedynie 29, osiągając stadia moruli lub blastocysty. Wprowadzono je chirurgicznie do macic trzynastu owiec, z których tylko jedna donosiła ciążę i wydała na świat jagniątko. Urodzona owieczka otrzymała zatem genom jądrowy od owcy pierwszej, natomiast genom mitochondrialny pochodził od owcy drugiej, czyli to nie był w pełni klon, bowiem nie mamy identyczności genetycznej w żadnym organizmie. W rzeczywistości stanowi ona wierną kopię tylko jednego zwierzęcia - dawczyni jądra komórkowego. Dolly jest pierwszym na świecie klonem ssaka, uzyskanym z komórki nierozrodczej pochodzącej od dorosłego zwierzęcia.
Gdy opublikowano wyniki badań Dolly okazało się, że jej telomery określające długość życia komórki są krótsze niż u innych owiec w tym samym wieku, co oznaczałoby że komórki sklonowanej owcy są biologicznie starsze niż ona sama. Wynikałoby z tego, że nie ma szans na zastosowanie klonowania do produkcji zastępczych narządów, ponieważ narządy te przedwcześnie zestarzałyby się. Jednakże krótkie telomery nie muszą oznaczać bardziej zaawansowanego wieku komórki i jej szybszej śmierci - np. w przypadku klonów cielaków oraz myszy okazało się, że ich telomery są dłuższe. Odpowiedzi na pytanie: "czy klonowanie prowadzi do wytworzenia genetycznie starych organizmów?" szukają współcześnie naukowcy z całego świata. W 1998 r. urodziły się trzy inne jagnięta, do powstania których użyto fibroblastów ze skóry owczych płodów, a w kilka miesięcy później jeszcze kolejnych pięć, które wywodzą się z genetycznie transformowanych fibroblastów, do których wprowadzono pewne ludzkie geny. Nieco później doniesiono z kolei o uzyskaniu klonu owiec wywodzącego się z rosnącej przez dłuższy czas linii nabłonkopodobnych komórek pochodzenia zarodkowego, a także o udanej próbie klonowania zarodków makaka, który jest nieczłekokształtną małpą, należącą jednak do wyższych naczelnych.
Czym jest klon?
Klon to zespół komórek lub całych organizmów wielokomórkowych powstałych na drodze podziału mitotycznego z jednej pierwotnej komórki macierzystej lub przez podział jednego organizmu. Słowo pochodzi z języka greckiego i oznacza dosłownie gałązkę, pęd, latorośl. Klon to identyczne genetycznie potomstwo jednej komórki, powstałe w wynika rozmnażania pozapłciowego, tzn. bezpłciowego u zwierząt i wegetatywnego u roślin. Klon nie musi być zawsze jednorodny i precyzyjnie określać homogeniczność komórek w populacji. Klon ma taki sam zasób informacji genetycznej, ale to nie oznacza, że otrzymamy identycznego ssaka. Szczególnie w przypadku ssaków wyższych oprócz cech fizycznych (wzrost, waga, kolor oczu i włosów) zasadnicze znaczenie mają cechy psychofizyczne (odwaga, inteligencja itp.). Te cechy behawioralne są wypadkową cech dziedzicznych i warunków środowiskowych, takich jak wyżywienie, wychowanie, tresura i inne. Właśnie warunki środowiskowe determinują w tym samym stopniu cechy charakterologiczne co i cechy genetyczne.
Klonowanie ludzi
Zrozumiałe, że te uwarunkowania środowiskowe byłyby szczególnie istotne w przypadku podjęcia prób klonowania człowieka. Nie wydaje się, z teoretycznego punktu widzenia, aby klonowanie ludzi było niemożliwe. Człowiek nie różni się aż tak bardzo od innych ssaków. Klon każdego człowieka byłby więc dzieckiem, którego osobowość kształtowałaby się w zupełnie innym otoczeniu, poczynając już od łona matki, a także poddawana byłaby zupełnie innym procesom wychowawczym. Poza czysto fizycznym podobieństwem, byłby najprawdopodobniej zupełnie innym człowiekiem. Klonowanie ludzi, przy obecnej wydajności techniki wymagałoby zatrudnienia całej armii kobiet, z których jedne byłyby dawczyniami oocytów, inne zaś inkubatorami, w których rozwijałyby się, najczęściej w patologiczny sposób zarodki kandydata do sklonowania. Z przybliżonych obliczeń wynika, że do sklonowania jednego dorosłego człowieka trzeba wykorzystać nie mniej niż trzysta, czterysta kobiet. Technologię klonowania rozważa się zazwyczaj jako sposób tworzenia genetycznych kopii całych dorosłych osobników. Jednakże jej zastosowanie na tym się nie kończy. W połączeniu z innymi rodzajami biotechnologii może ona w przyszłości posłużyć jako wsparcie dla terapii genowej, dokładnie terapii terminalnej (w liniach płciowych i w zarodkach), czyli genetycznie korygującej defekty dla kolejnych pokoleń. Terapia genowa i klonowanie mogłyby zmienić genetycznie uszkodzony zarodek w jego zdrowszą postać. Wyjściowe komórki zarodkowe w hodowli poddawano by działaniu genetycznego wektora. Jądro zmienionej komórki umieszczano by w pozbawionej jądra komórce jajowej. Z takiego jaja rozwinęłoby się potem zdrowe dziecko. Terapia w liniach płciowych w idealny sposób daje możliwość zapobiegania śmiertelnym lub wyniszczającym chorobom, takim jak anemia sierpowata i mukowiscydoza. W rezultacie terapii na ostatnim jej etapie pierwotny zarodek zostałby zastąpiony przez zdrowszy klon. W terminalnej terapii genowej etap klonowania nie jest konieczny, ale mógłby ją znacznie ułatwić. Przy zastosowaniu klonowania wiek i liczba komórek nadających się manipulacji nie podlegałaby ograniczeniom. Terapia genowa mogłaby być również prowadzona na komórkach jednego z rodziców. Dziecko sklonowane z takich zmienionych komórek byłoby wolne od defektu genetycznego, ale pod każdym innym względem stanowiłoby genetyczny duplikat rodzica będącego ich dawcą. Niedawno Amerykanie w warunkach laboratoryjnych wyhodowali blastocystę, która odpowiada pięciodniowemu embrionowi ludzkiemu, ale - jak zapewniają naukowcy - to na tyle wstępny etap, że nie są w stanie tą metodą sklonować człowieka.
Bibliografia
- Biologia. Warszawa 1996.
- Fikus M., Nurkowska J., Sukces w owczej skórze. Wiedza i Życie 1997 nr 5.
- Kołątaj A., Kilka słów o klonowaniu. Biologia w Szkole 1997 nr 5.
- Kowalczyk P., Nieśmiertelność… Biologia w Szkole 2009 nr 6.
- Mirsky S., Rennie J., Klonowanie a terapia genowa. Świat Nauki 1997, nr 8.
- Modliński J. A., Witaj, Dolly. Wiedza i Życie 1998 nr 1.
- Nagal J., "Nie chcę dożyć takiej chwili, że mnie z klonem ktoś pomyli…". Katecheta 2006 nr 10.
- Rudzka M., Klonowanie, nauka i metafizyka. Społeczeństwo Otwarte 1998 nr 5.
- Wypijewski K., Kierunki zastosowań inżynierii genetycznej roślin. Biologia w Szkole 2001, nr 1.
Komentarze