MATERIALUL GENETIC

INFORMAŢIA GENETICĂ Nucleu reprezintă compartimentul celular care încorporează genomul nuclear, deci el conţine aproape întreaga informaţie genetică. El are rol în: Păstrarea în condiţii de securitate a ADN-ului; Transmiterea nealterată a informaţiei sticate către descendenţi; Reglarea şi controlul activităţii celulare.

Nucleul celular

INFORMAŢIA GENETICĂ Prin informație genetică se înțelege informația codificată în materialul genetic cu care este înzestrat orice organism viu, (unicelular sau pluricelular) de pe planeta noastră. Totalitatea informației genetice dintr-un organism se numește genotip. Informația genetică este stocată în structura macromoleculară complexă a acidului dezoxiribonucleic (ADN), care este prezent atât în nucleul fiecărei celule (ADN nuclear care are rolul principal în stocarea informației genetice) dar și în afara acestuia (ADN extranuclear). Întreaga cantitate de material genetic dintr-un organism se numește genom. Există un genom nuclear și un genom celular. Genomul nuclear este reprezentat de una (la procariote) sau mai multe (la eucariote) macromolecule de ADN bicatenar denumite cromozomi. Numărul acestora este o caracteristică de specie, fiind același pentru toți indivizii unei specii și pentru toate celulele somatice ale unui organism.

INFORMAŢIA GENETICĂ ADN-ul reprezintă moștenirea biologică a unui organism și controlează dezvoltarea, reproducerea și auto-repararea acestuia. Pentru realizarea acestor procese este necesară transmiterea informației genetice ce se realizează prin copierea ADN-lui în proteine și alte produse. Copierea se face în două etape, transcripție și translație (la eucariote există o etapă intermediară de eliminare a intronilor): transcripția constă în preluarea informației genetice a unor porțiuni din ADN de către o moleculă a așa numitului ARN mesager - ARNm; translația constă în traducerea pe baza unui cod, numit cod genetic, a secvenței de baze azotate (ce reprezintă informația genetică preluată prin transcripție) într-o secvență de aminoacizi ( molecula de ARNm este „citită” de către niște organite celulare numite ribozomi, alcătuite din ARN ribozomal – ARNr - și alte biomolecule, și, pe baza informației conținute, este sintetizată din aminoacizi individuali catene polipeptidice ce includ și proteinele);

INFORMAŢIA GENETICĂ Codul genetic este universal, fiind același pentru toate organismele vii, în sensul că el face ca fiecărei secvențe de trei baze azotate (denumite codon) să-i corespundă un anumit aminoacid. Ultimele cercetări au pus totuși în evidență câteva excepții de la universalitatea codului genetic. Pe macromolecula de ADN, care conţine un număr extrem de mare de nucleotide, există între câteva mii și câteva sute de mii de secvenţe polinucleotidice, numite segmente, care codifică sinteza unor proteine sau a altor biomolecule. Aceste segmente (ce sunt subdiviziuni ale cromozomilor) se numesc gene structurale. În afară de acestea mai există și alte tipuri de gene (gene operatoare, gene reglatoare, promotor) cu rol de reglare a activităţii genelor structurale (reglaj genetic). Absenţa unui mecanism care să poată inversa direcţia acestui proces de la proteine către ADN stă la baza faptului că experienţa pe care un organism o câştigă în timpul vieţii nu poate fi moştenită de fiinţele biologice. Alterările apărute în transmiterea informaţiei genetice între generaţii duc la mutaţii genetice şi acestea la selecţia naturală.

INFORMAŢIA GENETICĂ Ansamblul însușirilor morfologice, fiziologice și biochimice ale unui individ, rezultate din interacțiunea genotipului cu mediul se numește fenotip. Diferitele caractere individuale sunt rezultatul interacțiunii informației genetice din moleculele de ADN nuclear și extranuclear cu condițiile de mediu. Cercetările recente au scos în evidență faptul că aceste interacțiuni nu sunt suficiente pentru a explica toate caracterele individuale, deci mai trebuie să existe undeva un stoc de informație. Unii cercetători încearcă să identifice noi structuri informaționale biomoleculare, în timp ce alții sunt de părere că această informație ar putea avea un suport de o altă natură (de natură spirituală). Deocamdată nici una din aceste versiuni nu a fost demonstrată, dar cercetările continuă.

INFORMAŢIA GENETICĂ Genele sunt unități purtătoare ale eredității în organismele vii. Ele sunt constituite din ADN (sau ARN, pentru unele virusuri) și asigură bazele dezvoltării și funcțiilor celulelor, organelor și indivizilor, fiind de asemenea responsabile pentru numeroase din formele de comportament înnăscut. În timpul reproducerii materialul genetic este transmis de la părinte/părinți la copii. Materialul genetic poate fi transmis și la indivizi neînrudiți (de exemplu prin transfecții, sau la virusuri). Genele codează toată informația necesară pentru construcția substanțelor chimice, precum proteinele, necesare funcționării organismului. Cuvântul "genă", inventat în 1909 de botanistul Danez Wilhelm Johannsen, vine din limba greacă, genos, română: origine, și este folosit de mai multe discipline, inclusiv genetica clasică, genetica moleculară, biologia evoluționistă și genetica populațiilor. Deoarece fiecare disciplină modelează biologia vieții în mod diferit, și modul de utilizare a cuvântului "genă" variază. Astfel, el se poate referi atât la partea materială, cât și la cea conceptuală. După descoperirea ADN-ului ca material genetic, și odată cu dezvoltarea biotehnologiei și o dată cu proiectul decodării genomului uman, cuvântului "genă" a început să se refere mai ales la înțelesul său din biologia moleculară, adică la segmentele de ADN pe care celulele le transcriu în ARN și le traduc (cel puțin în parte) în proteine.

INFORMAŢIA GENETICĂ În vorbirea obișnuită, "genă" se referă mai ales la cauzele ereditare ale trăsăturilor și bolilor unei ființe vii -- de exemplu se presupune că există o genă a obezității. Mai exact, un biolog se poate referi la o alelă sau o mutație care este implicată sau asociată cu obezitatea. Aceasta deoarece biologii cunosc mulți alți factori în afară de cel genetic care decid dacă o persoană va fi sau nu obeză, de exemplu modul de alimentație, mișcarea, mediul prenatal, creșterea, cultura și disponibilitatea hranei. De asemenea, este foarte puțin probabil ca variații în cadrul unei singure gene sau al unui singur locus genetic să determine în mod complet predispoziția genetică pentru obezitate. Aceste aspecte ale eredității -- efectul combinat între gene și mediu, influența mai multor gene, par să fie ceva obișnuit la multe și probabil chiar majoritatea trăsăturilor complexe. Termenul "fenotip" se referă la caracteristicile care rezultă din acest efect combinat. Un genotip este compoziția genetică (în ansamblu sau parțială) a unei celule, organism sau individ; de obicei ea e determinată în raport cu un anumit caracter, sau o anumită trăsătură). Cu alte cuvinte, genotipul e compoziția în alele, relevantă pentru trăsătura de referință. Este general acceptată ideea că genotipul moștenit, factori ambientali neereditari, precum și combinația acestor două elemente, contribuie la fenotipul unui individ.

INGINERIA GENETICĂ Ingineria genică poate fi definită drept ansamblu de metode şi tehnici prin care este posibilă manipularea materialului genetic la nivel celular şi molecular pentru a obţine pe căi netradiţionale produşi utili omului şi genotipuri noi, având la bază tehnologia moleculelor recombinate (hibride) de ADN. Ingineria genică se profilează ca direcţie ştiinţifică şi tehnologică în anii '70. Apariţia ei a fost determinată, în primul rând, de aprofundarea cunoştinţelor de genetică la nivel celular şi molecular, de dezvoltarea cunoştinţelor privind materialul genetic al organismelor vii, şi anume: descoperirea mecanismelor principale de transmitere a informaţiei ereditare: transformaţia (A.Avery, C.MacLeod, M.MacCarty, 1944) – prin intermediul fragmentelor de ADN; sexducţia (J.Lederberg, E.Tatum, 1946) – prin conjugarea bacteriilor şi transducţia (J.Lederberg, 1952) – cu ajutorul fagilor; descoperirea structurii moleculei de ADN (J.Watson, F.Crick, 1953); descoperirea şi izolarea enzimelor de restricţie şi legare a fragmentelor de ADN (H.Smith, 1970); descoperirea fenomenului transcripţiei inverse a informaţiei genetice de la ARN la ADN (H.Temin, S.Mizutani, D.Baltimor, 1970); descoperirea sintezei chimice a genelor (A.Kornberg, 1967; H.Khorana, 1970,

INGINERIA GENETICĂ Datorită cercetărilor de genetică moleculară, a fost posibilă cunoaşterea structurii de profunzime a unor gene şi genomuri, fapt ce a condus la elaborarea tehnologiei ADN-ului recombinat şi la transferul de gene peste barierele de specie. tehnica recombinării genetice în vitro include trei etape principale: extragerea sau sinteza chimică a ADN-ului din diferite specii; construirea unei molecule hibride (recombinate) de ADN; reintroducerea moleculei recombinate de ADN într-o celulă vie pentru reproducerea şi expresia ei.

REALIZĂRILE INGINERIEI GENETICE Datorită cercetărilor în tehnologia ADN-ului recombinat, au fost elaborate metode de transfer de gene în celulele procariote, care pot sintetiza multe proteine utile. Astfel, a devenit posibilă producerea şi chiar comercializarea pe scară largă a unor hormoni (insulina, somatostatina, somatotropina), a interferonului, a preparatelor de diagnosticare etc.

Obţinerea insulinei umane şi a altor hormoni. Din 60 de milioane de diabetici, circa 4 milioane necesită un tratament cu insulină. În 1916, E.Sharpy-Schafer a descoperit că insulina este secretată de celule care alcătuiesc insulele Langherhans din pancreas, ceea ce l-a determinat să numească hormonul insulină. În 1921, F.Banting şi H.Best, la Toronto, au izolat din pancreasul de câine hormonul insulină, demonstrând acţiunea lui antidiabetică. În 1923, firma farmaceutică americană “Eli Lilly” pune deja în vânzare prima insulină animală (în prezent, pentru a obţine circa 100 grame de insulină, este nevoie de 800 kg de pancreas de bou (greutatea medie a unui pancreas de bou este de 200-250 grame)). Insulina umană este alcătuită din două catene polipeptidice A şi B, compuse respectiv din 21 şi 30 de aminoacizi, a căror secvenţă a fost stabilită în 1955 de F.Sanger. În perioada 1963-1965, trei grupe de cercetători (americani, germani şi chinezi) au reuşit sinteza artificială a insulinei prin intermediul a 170 de reacţii chimice, lucru ce făcea imposibilă producerea insulinei pe cale industrială. Noile tehnologii industriale de obţinere a insulinei umane au fost posibile odată cu extragerea genei insulinei (W.Gillbert şi colaboratorii săi, 1980) şi crearea moleculelor recombinate de ADN în baza plasmidelor.

Hormonul de creştere sau somatotropina Este secretat de lobul anterior al hipofizei. Molecula hormonului cuprinde 191 de aminoacizi. Hiposecreţia provoacă nanismul hipofizar. Tratamentul cu acest hormon se realizează începând de la vârsta de 4-5 ani, până la pubertate, în doze de minimum 6 mg/săpt/persoană. Somatotropina este un hormon cu o specificaţie înaltă şi nu poate fi utilizat de la animale. Din hipofiza unui cadavru se extrag doar 4-6 mg de hormon, heterogen şi impurificat. Iată, de ce, producerea acestui hormon prin tehnici de inginerie genetică prezintă un interes deosebit.

Obţinerea interferonilor Interferonii sunt produşi de celule specializate pentru lupta împotriva infecţiilor virale. Ei au fost descoperiţi în 1957 de F.Isaacs şi I.Lindenmann la Institutul Naţional de Cercetări Medicale de lângă Londra. Interferonii reprezintă nişte substanţe proteice (din 146-166 de aminoacizi) şi sunt produşi în cantităţi infime de celula animală sau umană, când un virus pătrunde în organism. Există mai multe tipuri de interferoni: interferonul leucocitar (α), interferonul fibroblastelor (β) şi interferonul limfocitelor T sau interferonul imun (γ). Ei pot fi obţinuţi prin tehnici clasice (din celulele sanguine şi din fibroblaste) şi prin tehnici de recombinare genică. Pentru a obţine interferon din celulele sanguine sau din fibroblastele cultivate, acestea sunt infectate cu un virus, iar după 24 de ore prin centrifugare şi purificare se izolează din mediul de cultură. Dintr-un litru de sânge se poate extrage până la 1 mg (10-3 grame) de interferon.

Obţinerea interferonilor În 1980, savanţii americani W.Gilbert şi C.Weissmann şi japonezul T.Taniguki au produs interferonul uman cu ajutorul unor colibacili cu genomul modificat. Celulele de E. coli nu pot transforma predecesorul interferonului în interferon activ, de aceea, iniţial, complexul de ADN, format dintr-o regiune nucleotidică reglatoare şi o regiune ce determină structura interferonului, este supus acţiunii enzimelor de restricţie, care taie molecula de ADN aproximativ la frontiera acestor două catene (genei interferonului nu-i ajunge un triplet ATG). Codonul omis (ATG) este anexat prin sinteză chimică. Gena interferonului se încadrează în continuare într-un plasmid, care se transferă în E. coli. Astfel, colibacilii sintetizează interferonul uman. Dintr-un litru de suspensie de E. coli (circa 1011 celule) se pot extrage până la 5 mg de interferon (adică de 5000 de ori mai mult decât din 1 litru de sânge). Tehnicile de inginerie genică permit obţinerea preparatelor hibride de interferon cu un spectru larg de acţiune. Tehnicile de recombinare genetică permit transferul genelor importante în celulele de plante şi animale, iar în rezultat se obţin plante şi animale transgenice. Pentru transferul de gene la plante sunt utilizate bacteriile Agrobacterium tumerfaciens (descoperite în 1907 de E.Smith şi C.Townsend), care provoacă formarea unor tumori cancerogene (crown gall) pe tulpinile unor plante (la speciile din 93 de familii de dicotiledonate).

Transferul de gene în celulele vegetale şi animale Tehnicile de ameliorare genetică permit transferul importante în celulele de plante şi animale, iar ca rezultat se obţin plante şi animale transgenice. Pentru realizarea transferului de gene în celula vegetală este utilizată metoda culturilor de celule şi ţesuturi in vitro.