Veselbas zintu maistra studiju programma uzturzintn Studiju kurss

Veselības zinātņu maģistra studiju programma uzturzinātnē Studiju kurss: Jaunā un ģenētiski modificētā pārtika ĢENĒTISKI MODIFICĒTĀ PĀRTIKA INDRIĶIS MUIŽNIEKS, Rīga, 2007. gada marts

ĢENĒTISKI MODIFICĒTĀ PĀRTIKA • Ģenētiskās modifikācijas molekulārā bioloģija • ĢM pārtikas veidi (mikroorganismi un dzīvnieki) • Ģenētiski modificēti augi pārtikā • ĢM pārtikas izmantošanas riska analīze • ĢM augu un pārtikas identificēšanas metodes. • ĢM pārtikas un lopbarības aprites tiesiskā regulācija pasaulē, Eiropas Savienībā un Latvijā.

ĢENĒTISKĀS MODIFIKĀCIJAS MOLEKULĀRĀ BIOLOĢIJA Tēmu apgūstot paredzēts: • aktualizēt zināšanas par DNS uzbūvi un tās kodētās informācijas realizāciju; • precizēt zināšanas par gēnu ekspresijas regulāciju dažādos organismos; • apgūt gēnu inženierijas eksperimenta shēmu; • noskaidrot lauksaimniecībā un pārtikas ieguvē izmantojamo organismu selekcijai nepieciešamās ģenētiskās daudzveidības avotus dabā un molekulārās biotehnoloģijas lomu izmantojamās daudzveidības paplašināšanai.

Biotehnoloģija un selekcija DABĀ ATRODAMI ORGANISMI “PRIEKŠ SEVIS” SELEKCIJA MĒĢINA TOS PĀRVEIDOT PAR ORGANISMIEM “PRIEKŠ MUMS” Biotehnoloģija – jebkura kontrolēta un uz zinātnes atziņām balstīta dzīvu organismu, to kopu vai to produktu izmantošana cilvēkam vajadzīgu produktu iegūšanai. Jaunā (modernā) biotehnoloģija - ar gēnu inženierijas metodēm modificētu organismu izmantošana šiem pašiem mērķiem

PIRMĀ MOZUS GRĀMATA (SAUKTA GENESIS) 30. nodaļa 37 Un Jēkabs ņēma svaigus dzinumus no apsēm, mandeļu kokiem un platānu kļavām un izdrāza baltas svītras, atsegdams baltumu, kāds bija rīkstēm. 38 Un šīs rīkstes, kuras viņš bija nomizojis, viņš lika sīklopu priekšā ūdens tvertnēs un dzirdināmās silēs, pie kurām sīklopi nāca dzert, ka tie, nākdami dzert, apietos. 39 Un sīklopi apgājās pār šīm rīkstēm, un tiem atnesās raibi, svītraini un lāsaini jēri un kazlēni.

BIOTEHNOLOĢIJA – ŠŪNA KĀ FABRIKA Metabolisms kā ražošanas process

DEFINĪCIJAS ĢENĒTISKI MODIFICĒTIE ORGANISMI Ģenētiski modificētie organismi ir bioloģiski objekti, kuri spēj vairoties un izplatīt savu iedzimtības informāciju (arī mikroorganismi, ieskaitot vīrusus, viroīdus, dzīvnieku un augu šūnu kultūras), izņemot cilvēku, kurā ģenētiskais materiāls ir pārveidots citādā veidā, nekā tas notiek dabiski - dzimumvairošanās vai rekombinācijas rezultātā. Latvijas Republikas MK Noteikumi Nr. 333 20. 04. 2004

DEFINĪCIJAS ĢENĒTISKĀ MODIFIKĀCIJA GĒNU INŽENIERIJA 6. Organismu ģenētiskā modifikācija notiek, ja izmanto šādas modificēšanas metodes: 6. 1. nukleīnskābju rekombinācijas metodes, kas ietver jaunu ģenētiskā materiāla kombināciju veidošanu, ārpus organisma. . . ; 6. 2. metodes, kuras ietver iedzimtības materiāla tiešu ievadīšanu šūnās. . . Latvijas Republikas MK Noteikumi Nr. 333 20. 04. 2004

SINONĪMI ĢENĒTISKI MODIFICĒTS = TRANSGĒNS = REKOMBINANTS = VIEDI SELEKCIONĒTS = FRANKENŠTEINISKS ENZĪMI = FERMENTI Proteīni (olbaltumvielas), kas katalizē visas bioķīmiskās reakcijas organismā

Selekcijas materiāls ir GĒNOS 1860. - 1866. g. zirņu formas un ziedu krāsas iedzimtās īpašības nosaka “faktori” (gēni), kuri atrodami pa pāriem organismu somātiskajās šūnās, bet pa vienam dzimumšūnās.

Gēnu ķīmiskais sastāvs 1879. g. Valters Flemings (Flemming) atklāj hromosomas un apraksta to kustības šūnām daloties. 1902. g. Valters Sutons (Sutton) noskaidro, ka dzimumšūnām veidojoties hromosomu skaits samazinās uz pusi.

Selekcijas materiāls ir GĒNOS 1909. g. Vilhelms Johansens (Johansen) 1911. g. Tomass Morgans (Morgan) –gēni ir hromosomu daļas HROMOSOMAS sastāv no proteīna un nukleīnskābes, masas attiecībā ~1: 1

PROTEĪNS Zviedru ķīmiķis Jens Jakobs Bercēliuss vēstulē holandiešu ķīmiķim G. Mulderam 1838. g. 10. jūlijā: “Vārdu proteīns, ko es ierosinu lietot fibrīna un albumīna organisko oksīdu apzīmēšanai, esmu atvasinājis no grieķu πρωτειος, tādēļ, ka šie savienojumi šķiet esam pamat- vai būtiski svarīgi komponenti dzīvnieku barībā. ”

PROTEĪNS 1. struktūru veido 20 aminoskābes; 2. masas daudzveidība: 3 000 – 3 000 Da; 3. funkciju daudzveidība: katalizatori – enzīmi vai fermenti; struktūru veidojoši komponenti – nukleosomas, citoskelets; skrimslis, āda; aizsargreakcijas - imunoglobulīni, komplements; kustības – kontrakcijas, motorika; transports – caur membrānām, citoplazmas kompartmentos, utt. ; 4. struktūras daudzveidība - pirmējā, otrējā, trešējā, ceturtējā; aspirāles, b-slāņi, cilpas, globulāri un fibrillāri, subvienības, kompleksi.

Gēnu ķīmiskais sastāvs NUKLEĪNSKĀBES 1869. g. Frīdrihs Mišers (Mischer) leikocītu kodolos atklāj nukleīnu

Gēnu ķīmiskais sastāvs 1930. – 1950. g. g. , nukleīnskābju bioķīmija: 1) šūnā ir divu veidu nukleīnskābes – • kodolā – DNS, dezoksiribonukleīnskābe; • citoplazmā – RNS, ribonukleīnskābe; • DNS ir viendabīga; • RNS veido vairākas frakcijas, 2 – 5% RNS ir ļoti heterogēna, nestabila (m. RNS)

Gēnu ķīmiskais sastāvs 2) Nukleīnskābes sastāv no nukleotīdiem: d AMP Slāpekļa bāze, A Fosforskābes atlikums Cukurs, dezoksiriboze Ribozē pie cukura otrā C atoma ir hidroksilgrupa (-OH)

Gēnu ķīmiskais sastāvs 2) DNS nukleotīdus veido četras slāpekļa bāzes: C T Pirimidīni A G Purīni RNS sastāvā T nukleotīdu aizvieto U

Gēnu ķīmiskais sastāvs 3) DNS sastāvā molārās koncentrācijas: • purīni = pirimidīni; • A = T • G = C (E. Čargrafa likumi)

Gēnu ķīmiskais sastāvs Virulenti, s-morfoloģijas pneimokoki, letāla infekcija Avirulenti, r-morfoloģijas pneimokoki, infekcijas nav Avirulenti, r-morfoloģijas pneimokoki + DNS no nonāvētiem virulentiem pneimokokiem letāla infekcija 1944. g. – Osvalds Everijs (Avery) iedzimtības informāciju nes DNS

Gēnu struktūra DNS struktūras un replikācijas principu atšifrēšana Rozalinda Franklina Moriss Vilkins DNS kristālu iegūšana, rentgenstaru kristalogrāfija

Gēnu struktūra DNS struktūras un replikācijas principu atšifrēšana DNS veido vairāki pavedieni, tā ir spirāliska molekula

Gēnu struktūra Jaunie laiki, 1953. g. DNS struktūras un replikācijas principu atšifrēšana Džeimss Vatsons Frensis Kriks

Gēnu struktūra DNS struktūras un replikācijas principu atšifrēšana Ūdeņraža saites, pavedieni atdalās paaugstinot temperatūru Vatsona & Krika DNS struktūras modelis : dubultspirāle 3’ 5’ 20 Å 3’ 5’ Bāzu Nukleotīdu Spirāles solis (helical turn) pāris = pāris 10, 5 b. p, 34 angstrēmi (Å)

Gēnu struktūra DNS struktūras un replikācijas principu atšifrēšana DNS pavadieni ir antiparalēli –darbojas pretējos virzienos hidroksils fosfāts hidroksils

Gēnu struktūra DNS struktūras un replikācijas principu atšifrēšana DNS pavedienus atdala (DNS denaturē) karsējot

Gēnu darbība DZĪVĪBAS PAMATDOGMA TRANSKRIPCIJA DNS RNS TRANSLĀCIJA Proteīns Līdz 60. -to gadu sākumam: REPLIKĀCIJA • mašīnērija, kas replicē DNS; • replikācijas mehanisms; • m. RNS kā informācijas pārraides starpnieks

REPLIKĀCIJA DNS replikācijā gadās kļūdas – mutācijas; mutācijas ir nejaušas un retas – apm. 1 no 100 miljoniem nukleotīdu.

TRANSKRIPCIJA

Transkripcija un translācija

Transkripcija / translācija

Gēnu darbība DZĪVĪBAS PAMATDOGMA

Gēnu darbība 1960. gadu sākums, Nirnberg, Chorana: ĢENĒTISKAIS KODS

Gēnu darbība ĢENĒTISKAIS KODS

INFORMĀCIJA IR GĒNOS ĢM MOLEKULĀ BIOLOĢIJA GĒNS - NUKLEOTĪDU SECĪBA, KAS KODĒ PROTEĪNA STRUKTŪRU O P KODĒJOŠĀ DAĻA T GĒNA DARBĪBU REGULĒ: P - promoters, nukleīnskābes rajons, kurā sākas gēna informācijas pārrakstīšana par m. RNS O - operators, nukleīnskābes rajons, kas regulē promotera aktivitāti T - terminators, nukleīnskābes rajons, kurā tiek pārtraukta gēna transkripcija

GĒNU INŽENIERIJA RESTRIKTĀZES, LIGĀZES, DNS MODIFICĒJOŠIE ENZĪMI

GĒNU INŽENIERIJA

GĒNU INŽENIERIJA GĒNU un REGULĀCIJAS ELEMENTU IEGŪŠANA: 1) SINĒZE; 2) IZOLĒŠANA NO GENOMA; 3) SINTĒZE, IZMANTOJOT m. RNS MATRICU. Eikariotu šūnās m. RNS ir poliadenilēta un šo īpašību var izmantot m. RNS attīrīšanai

GĒNU INŽENIERIJA GĒNU IEGŪŠANA: • Pie poli(A) RNS tiek piesaistīts (d. T) oligonukleotīda praimeris • Revertāze veic pirmā DNS pavediena sintēzi par matricu izmantojot RNS • Revertāzei sasniedzot m. RNS 5’ galu, tā izveido cilpu un turpina DNS sintēzi par matricu izmantojot pirmo DNS pavedienu (aptuveni 10 - 20 n) • Revertāze hidrolizē RNS matricu • DNS polimerāze sintezē otro pavedienu par praimeri izmantojot revertāzes izveidoto cilpu • DNS cilpa tiek šķelta ar nukleāzi S 1

GĒNU INŽENIERIJA VAJADZĪGO ŠŪNU KLONU ATRAŠANA: NUKLEĪNSKĀBES PIERĀDĪŠANA EKSPRESIJAS PIERĀDĪŠANA IMUNOLOĢISKI

REKOMBINANTU BIOTEHNOLOĢIJAS METODISKIE PAMATI VAJADZĪGO KLONU ATRAŠANA:

REKOMBINANTU BIOTEHNOLOĢIJAS METODISKIE PAMATI VAJADZĪGO KLONU ATRAŠANA: Western blot 1. Elektropārnese uz membrānu filtra 2. Bloķēšanas reakcija 3. Apstrāde ar insulīna specifiskām antivielām 4. Apstrāde ar konjugētām, sugasspecifiskām antivielām 5. Attīstīšana Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

JAUNĀS BIOTEHNOLOĢIJAS SĀKUMS 1978. g. , Boyer un Swanson – pirmā jaunās biotehnoloģijas firma “Genetech”

JAUNĀS BIOTEHNOLOĢIJAS SĀKUMS 1982. gadā – pirmais rekombinantais produkts medicīnā: INSULĪNS, Genetech licence Eli Lilli ; 1985. gadā – pirmais Genetech pašas izplatītais produkts – Protropīns, augšanas hormons.

JAUNĀS BIOTEHNOLOĢIJAS ATTĪSTĪBA

Biotehnoloģija un selekcija SĀKOTNĒJO MATERIĀLU SELEKCIJAI IEGŪST VAIROŠANĀS REZULTĀTĀ: VEĢETATĪVĀ DZIMUMVAIROŠANA

Biotehnoloģija un selekcija BEZDZIMUMA (VEĢETATĪVĀ) VAIROŠANĀS: KLONĒŠANA – MUTĀCIJAS Koloniju veido 108 - 109 šūnu

Biotehnoloģija un selekcija KLONĒŠANA

DAUDZVEIDĪBAS AVOTI MAINĪBU PALIELINA DZIMUMPROCESĀ NOTIEKOŠĀ REKOMBINĀCIJA, TO IEROBEŽO SUGU BARJERAS

Klasiskā selekcija • Uz labu laimi apvieno mātesorganismu gēnu grupas, tādējādi hibrīdi iegūst un var ekspresēt gan vēlamās, gan nevēlamās pazīmes • Tikai pie vienas un tās pašas sugas piederīgus organismus var krustot, kas ievērojami sašaurina selekcijas darba bāzi

Molekulārā biotehnoloģija • Liekākas gēnu daudzveidības satrpsugu pārnese • Nepieciešamības gadījumā var precīzi pārnest vienu gēnu • Var izvēlēties tieši tos gēnus, kas dos organismam nepieciešamās īpašības

DAUDZVEIDĪBAS AVOTI GĒNU INŽENIERIJA DOD IESPĒJAS VEIDOT JAUNAS GĒNU KOMBINĀCIJAS, NEIEVĒROJOT SUGU BARJERAS GĒNU INŽENIERIJA PAPILDINA SELEKCIJAS IESPĒJAS. TĀ IR GENOMU

HORIZONTĀLĀ UN VERTIKĀLĀ GĒNU PĀRNESE

Cilvēka genoms – 3 miljardi nukleotīdu pāru; 2 pikogrami un 2 metri DNS; 750 MB informācijas Gēnu ķīmiskais sastāvs

AUGU UN DZĪVNIEKU GENOMA IZMĒRI

GĒNU SKAITS Mazākie RNS vīrusi (bakteriofāgs MS 2) 3 Mazākie DNS vīrusi (cilvēka B tipa hepatīts) 6 HIV 1 14 Mycoplasma genetalium 420 Escherichia coli 4430 Drosophila melanogaster 13, 600 Caernorhabditis elegans 19, 300 Homo sapiens ~ 30, 000

MODERNĀS BIOTEHNOLOĢIJAS ŠODIENA

JAUNĀS BIOTEHNOLOĢIJAS ŠODIENA