Biotechnologijos: nuo jogurto iki vaistų

Sveiki! Šiandien neriame į vieną įdomiausių ir sparčiausiai besivystančių mokslo sričių – biotechnologijas. Galbūt šis žodis skamba sudėtingai, tačiau jo esmė yra stebėtinai paprasta: tai technologijos, kurios naudoja gyvus organizmus arba jų dalis žmogui naudingiems tikslams pasiekti. Nuo duonos kepimo ir sūrio gamybos, kuriuos žmonės išmoko prieš tūkstančius metų, iki moderniausių vaistų nuo vėžio kūrimo ir galimybės „redaguoti“ gyvybės kodą – visa tai yra biotechnologijos.

Šioje pamokoje išsiaiškinsime, kaip šis mokslas veikia mūsų kasdienį gyvenimą – nuo maisto, kurį valgome, iki vaistų, kuriais gydomės. Susipažinsime su genų inžinerija, aptarsime genetiškai modifikuotų organizmų (GMO) privalumus ir galimas rizikas. Galiausiai, sužinosime apie neįtikėtiną lietuvių mokslininko Virginijaus Šikšnio atradimą, kuris atvėrė kelią gydyti anksčiau nepagydomomis laikytas genetines ligas. Pasiruoškite kelionei į ateitį, kuri vyksta jau dabar!

Biotechnologija, nors ir skamba moderniai, yra sena kaip pati civilizacija. Iš esmės, tai yra bet koks procesas, kuriame naudojame gyvus organizmus (pvz., bakterijas, mieles) arba jų komponentus (pvz., fermentus) norėdami sukurti ar modifikuoti produktą, pagerinti augalų ar gyvūnų savybes arba pritaikyti mikroorganizmus specifiniams tikslams.

Šiuolaikinė biotechnologija dažnai skirstoma į „spalvas“, kurios žymi skirtingas taikymo sritis. Pavyzdžiui, „raudonoji“ biotechnologija apima mediciną, „žalioji“ – žemės ūkį, o „baltoji“ – pramonę.

Tradicinė ir modernioji biotechnologija

Kad būtų aiškiau, biotechnologijas galima suskirstyti į dvi dideles grupes: tradicines, kurios naudojamos jau tūkstančius metų, ir moderniąsias, atsiradusias su mokslo apie DNR pažanga.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Infografikas, vaizduojantis biotechnologijų laiko juostą: nuo duonos kepimo senovės Egipte, per pasterizacijos atradimą, penicilino atradimą, iki DNR struktūros nustatymo ir pirmųjų GMO sukūrimo.

Modernioji biotechnologija padarė perversmą daugelyje sričių, leisdama mums spręsti problemas, kurios anksčiau atrodė neįveikiamos. Susipažinkime su pagrindinėmis sritimis, kurias принято žymėti skirtingomis „spalvomis“.

Raudonoji biotechnologija: medicina ir farmacija

Tai sritis, kurios poveikį jaučiame labiausiai. Ji apima vaistų gamybą, ligų diagnostiką ir gydymo metodų kūrimą.

Vaistų gamyba: insulino pavyzdys

Anksčiau diabetu sergantys žmonės buvo gydomi insulinu, išgautu iš kiaulių ar galvijų kasos. Šis metodas buvo brangus, neefektyvus, o gyvulinis insulinas kai kuriems pacientams sukeldavo alergines reakcijas. Genų inžinerija tai pakeitė iš esmės.

Dabar žmogaus insulinas gaminamas naudojant genetiškai modifikuotas bakterijas (dažniausiai E. coli). Procesas vyksta taip:

1. Geno išskyrimas. Iš žmogaus ląstelės išskiriamas genas, koduojantis insulino gamybą.
2. Plazmidės paruošimas. Iš bakterijos išskiriama plazmidė. Tiek žmogaus genas, tiek plazmidė „sukarpomi“ tuo pačiu restrikcijos fermentu.
3. Rekombinantinės DNR sukūrimas. Žmogaus insulino genas, naudojant DNR ligazę, įterpiamas į perkirptą plazmidę. Gaunama rekombinantinė plazmidė.
4. Transformacija. Rekombinantinė plazmidė įterpiama atgal į bakteriją. Dabar bakterija yra genetiškai modifikuota.
5. Auginimas (fermentacija). Genetiškai modifikuotos bakterijos auginamos didžiulėse talpose (fermenteriuose), kur jos sparčiai dauginasi ir, vykdydamos savo gyvybines funkcijas, kartu gamina ir žmogaus insuliną.
6. Gryninimas. Pagamintas insulinas atskiriamas nuo bakterijų ir išgryninamas. Gautas produktas yra identiškas tam, kurį gamina žmogaus organizmas.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Detali schema, vaizduojanti rekombinantinio insulino gamybos etapus: nuo žmogaus geno ir bakterijos plazmidės iki masinės gamybos fermenteryje ir galutinio produkto.

Vakcinų kūrimas ir ligų diagnostika

Biotechnologijos leido sukurti naujos kartos vakcinas (pvz., RNR vakcinas nuo COVID-19), kurios yra saugesnės ir greičiau pagaminamos. Taip pat sukurti itin jautrūs ir tikslūs ligų diagnostikos metodai, pavyzdžiui, PGR (polimerazės grandininė reakcija) testai, leidžiantys aptikti menkiausius viruso ar bakterijos pėdsakus.

Žalioji biotechnologija: žemės ūkis

Ši sritis siekia padidinti derlių, pagerinti augalų maistinę vertę ir sumažinti neigiamą žemės ūkio poveikį aplinkai.

• Atsparumas kenkėjams. Į augalus (pvz., kukurūzus, medvilnę) perkeliamas genas iš bakterijos Bacillus thuringiensis (Bt). Šis genas koduoja baltymą, kuris yra nuodingas tam tikriems vabzdžiams kenkėjams, bet nekenksmingas žmogui ir kitiems gyvūnams. Taip ūkininkams nebereikia naudoti cheminių insekticidų.
• Atsparumas herbicidams. Sukuriami augalai (pvz., sojos, rapsai), kurie yra atsparūs tam tikriems plataus veikimo spektro herbicidams. Tai leidžia ūkininkams purkšti laukus herbicidais, kurie sunaikina visas piktžoles, bet nepakenkia pasėliams.
• Pagerinta maistinė vertė. Sukurti „auksiniai ryžiai“, kurie gamina beta karoteną (vitamino A provitaminą). Tai ypač svarbu regionuose, kur žmonės kenčia nuo vitamino A trūkumo, sukeliančio aklumą.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Palyginamoji nuotrauka: kairėje – kenkėjų pažeistas kukurūzo burbuolė, dešinėje – sveika Bt kukurūzo burbuolė.

Baltoji, pilkoji ir mėlynoji biotechnologija: pramonė ir aplinkosauga

• Pramonė (baltoji). Fermentai, pagaminti naudojant GM mikroorganizmus, plačiai naudojami pramonėje: skalbimo milteliuose (skaido purvą), sūrių gamyboje, tekstilės pramonėje.
• Aplinkosauga (pilkoji). Naudojant specialiai parinktas ar genetiškai modifikuotas bakterijas, valoma aplinka nuo teršalų (bioremediacija). Pavyzdžiui, bakterijos, skaidančios naftą, naudojamos po tanklaivių avarijų.
• Vandenynų ištekliai (mėlynoji). Tiriamos ir pritaikomos jūrinės gyvybės savybės, pavyzdžiui, iš dumblių gaminamas biokuras.

Genų inžinerija yra moderniosios biotechnologijos šerdis. Tai technologija, leidžianti mokslininkams paimti geną iš vieno organizmo ir perkelti jį į kitą, net jei šie organizmai priklauso visiškai skirtingoms rūšims. Būtent šis metodas leidžia sukurti genetiškai modifikuotus organizmus (GMO).

Kaip sukuriamas GMO? Rekombinantinės DNR technologija

Įsivaizduokite, kad norime sukurti augalą, kuris šviestų tamsoje. Tam mums reikės geno, atsakingo už švytėjimą (pvz., iš jonvabalio), ir būdo, kaip tą geną įterpti į augalo ląsteles. Procesas, vadinamas rekombinantinės DNR technologija, vyksta keliais pagrindiniais etapais:

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Infografikas, žingsnis po žingsnio vaizduojantis atsparaus herbicidams augalo sukūrimo procesą naudojant Agrobacterium tumefaciens kaip vektorių.

Teoriškai išnagrinėjus genetiškai modifikuoto organizmo kūrimo etapus, laikas įtvirtinti žinias praktiškai. Šis interaktyvus modelis leis jums patiems atlikti pagrindinius genų inžinerijos veiksmus.

Užduotis: sukonstruokite rekombinantinę plazmidę

• Interaktyvus modelis: Genetiškai modifikuoti organizmai
  • Ką darysite? Naudodamiesi virtualiais įrankiais (restrikcijos fermentais, DNR ligaze), iškirpsite norimą geną iš DNR donoro ir įterpsite jį į bakterijos plazmidę.
  • Tikslas: Suprasti ir vizualizuoti rekombinantinės DNR technologijos principą, įtvirtinti restriktazių ir ligazės funkcijų supratimą bei atpažinti pagrindinius GMO kūrimo etapus.

Genetiškai modifikuoti organizmai yra viena labiausiai diskutuotinų temų visuomenėje. Mokslininkai, ūkininkai, politikai ir vartotojai išsako labai skirtingas nuomones. Svarbu į šią temą žvelgti objektyviai, įvertinant tiek galimą naudą, tiek potencialias rizikas.

Svarbu pabrėžti, kad didžiosios pasaulio mokslo organizacijos (Pasaulio sveikatos organizacija, JAV Nacionalinė mokslų akademija ir kt.) teigia, jog šiuo metu rinkoje esantys GM produktai yra saugūs vartoti, tačiau kiekvienas naujas GMO turi būti vertinamas individualiai.

Tarp biotechnologijų revoliucijos lyderių yra ir Lietuvos vardas. Vilniaus universiteto profesoriaus Virginijaus Šikšnio ir jo komandos tyrimai tapo vienu iš pamatinių darbų, atvedusių pasaulį prie genų redagavimo technologijos CRISPR-Cas9, dažnai vadinamos tiesiog „genų žirklėmis“.

Kas yra CRISPR-Cas9?

Iš esmės, CRISPR-Cas9 yra bakterijų imuninė sistema. Bakterijos milijonus metų kovoja su jas puolančiais virusais (bakteriofagais). Kovos metu jos išmoko atpažinti ir sunaikinti viruso DNR. Ši sistema veikia dviem etapais:

1. Atmintis (CRISPR). Kai virusas pirmą kartą užpuola bakteriją, ji „iškerpa“ gabalėlį viruso DNR ir įsideda jį į specialią savo genomo vietą, vadinamą CRISPR (angl. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). Tai tampa savotiška „įsibrovėlio nuotraukų kartoteka“.
2. Apsauga (Cas9). Pagal šią „nuotrauką“ bakterija pagamina RNR gidą, kuris yra identiškas viruso DNR fragmentui. Šis gidas prisijungia prie specialaus baltymo Cas9 – tų pačių „molekulinių žirklių“. Dabar Cas9 baltymas su RNR gidu skenuoja ląstelės vidų. Jei jis aptinka DNR, kuri atitinka RNR gidą (t. y., atpažįsta sugrįžusį virusą), Cas9 baltymas nedelsdamas perkerpa viruso DNR, taip jį neutralizuodamas.

V. Šikšnio indėlis

Prof. V. Šikšnys buvo vienas pirmųjų mokslininkų pasaulyje, kuris ne tik iššifravo, kaip veikia ši bakterijų sistema, bet ir suprato, kad ją galima perprogramuoti ir pritaikyti kaip universalų genų redagavimo įrankį. Jis su kolegomis įrodė, kad galima sukurti dirbtinį RNR gidą, kuris nuvestų Cas9 baltymą į bet kurią norimą DNR vietą bet kurio organizmo ląstelėje ir ją perkirptų. Šis atradimas atvėrė kelią neįtikėtinai tiksliai „redaguoti“ genus – juos išjungti, ištaisyti ar net pakeisti naujais.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Kairėje – prof. Virginijaus Šikšnio portretas. Dešinėje – supaprastinta CRISPR-Cas9 veikimo schema: RNR gidas atveda Cas9 baltymą į tikslinę DNR vietą, kur Cas9 perkerpa DNR grandinę.

CRISPR-Cas9 technologija yra vadinama didžiausiu biologijos atradimu nuo DNR struktūros nustatymo. Jos potencialas yra milžiniškas, tačiau kartu ji kelia ir labai sudėtingus etinius klausimus.

Potencialus taikymas medicinoje ir žemės ūkyje

• Genetinių ligų gydymas. CRISPR atveria galimybę gydyti tūkstančius genetinių ligų, kurias sukelia vieno geno mutacija. Jau dabar sėkmingai vykdomi klinikiniai tyrimai gydant pjautuvinę anemiją, beta talasemiją. Ateityje tikimasi pritaikyti šią technologiją Hantingtono ligai, cistinei fibrozei ir kitoms ligoms gydyti.
• Vėžio gydymas. Mokslininkai bando modifikuoti paciento imunines ląsteles (T limfocitus) taip, kad jos geriau atpažintų ir naikintų vėžines ląsteles.
• Atsparumas virusams. Bandoma sukurti žmogaus ląsteles, atsparias ŽIV virusui, arba net „išvalyti“ viruso DNR iš jau infekuotų ląstelių.
• Žemės ūkis. CRISPR leidžia daug greičiau ir tiksliau nei tradicinė selekcija ar net GMO kūrimas sukurti naujas augalų veisles, atsparias ligoms, sausrai, arba turinčias geresnių maistinių savybių.

Etinės dilemos: kur yra riba?

CRISPR technologija, ypač galimybė redaguoti žmogaus embrionų DNR, kelia daugybę etinių klausimų, į kuriuos visuomenė dar neturi atsakymų.

• Somatinė vs. lytinių ląstelių terapija. Somatinių ląstelių (pvz., kraujo, odos) redagavimas paveikia tik patį pacientą ir pokyčiai nėra paveldimi. Tai laikoma etiškesniu keliu. Tačiau lytinių ląstelių ar embrionų redagavimas (germline editing) reikštų, kad genetiniai pokyčiai būtų perduodami visoms ateities kartoms. Tai sukeltų negrįžtamus pokyčius žmonijos genofonde.
• „Dizainerių kūdikiai“. Ar turėtume leisti tėvams ne tik ištaisyti genetines ligas, bet ir „pagerinti“ savo būsimus vaikus – parinkti jiems akių spalvą, ūgį, o galbūt net padidinti intelektą? Kur yra riba tarp gydymo ir tobulinimo?
• Socialinė nelygybė. Jei genų redagavimas bus brangus, ar tai nesukurs naujos socialinės atskirties tarp genetiškai „pagerintų“ turtingųjų ir visų kitų?
• Nenumatytos pasekmės. Ar esame tikri, kad pakeitę vieną geną nesukelsime nenumatytų, neigiamų pasekmių kitose organizmo sistemose ar net ateities kartose?

Dėl šių priežasčių dauguma pasaulio šalių šiuo metu draudžia arba griežtai riboja žmogaus embrionų genetinį redagavimą, leidžiant jį naudoti tik moksliniams tyrimams.

Šioje pamokoje apžvelgėme platų biotechnologijų pasaulį. Išsiaiškinome, kad:

• Biotechnologijos – tai technologijos, naudojančios gyvus organizmus, kurios skirstomos į tradicines (duonos kepimas, selekcija) ir moderniąsias (genų inžinerija).
• Genų inžinerija leidžia kurti genetiškai modifikuotus organizmus (GMO), kurie pritaikomi medicinoje (insulino gamyba), žemės ūkyje (atsparūs kenkėjams augalai) ir aplinkosaugoje (teršalų valymas).
• GMO tema yra sudėtinga, kelianti diskusijas apie naudą maisto saugumui ir galimas rizikas biologinei įvairovei bei sveikatai.
• Lietuvos mokslininko V. Šikšnio tyrimai padėjo pagrindus CRISPR-Cas9 genų redagavimo technologijai – galingam įrankiui, kuris ateityje gali padėti išgydyti genetines ligas, bet kartu kelia ir sudėtingas etines dilemas.

Biotechnologijos yra vienas galingiausių įrankių, kokius kada nors turėjo žmonija. Kaip ir bet kuris galingas įrankis, jis gali būti panaudotas tiek didžiulei gerovei kurti, tiek nenumatytų problemų sukelti. Todėl kiekvienam išsilavinusiam žmogui svarbu suprasti šių technologijų pagrindus, kad galėtume kaip visuomenė priimti apgalvotus ir atsakingus sprendimus dėl jų ateities.