5. Klonovani a genove inzenyrstvi

Klonování a genové
inženýrství
KBC/BAM
Ivo Frébort
Klonování a genetické modifikace
Sci-fi
Skutečnost
Dolly the Sheep
Genetické modifikace a baktérií a kvasinek
Běžná praxe
Nadexprese proteinů
Velkoobjemové buněčné kultury - fermentory
Využití bakteriálních a kvasinkových expresních systémů
Biotech chymosin
• Enzym používaný pro srážení mléka při výrobě sýrů
• Dříve izolován z telat
• Nyní kvasinkový gen transformovaný do baktérie
bST (bovine somatotropin)
• Hormon zvyšující u krav produkci mléka
• Dříve pracně izolován z hypofýzy krav
• Gen z krávy naklonován do baktérie
• Přidává se do krmiva
Source: Rent Mother Nature
Lidský insulin (Humulin®)
• insulin – polypeptid (51 ak)
• inzulín pro léčbu diabetiků byl extrahován z pankreatu prasat
• prasečí insulin se liší pouze dvěmi aminokyselinami
• někteří diabetici však produkovali protilátky proti živočišnému insulinu
• lidský insulin se začal syntetizovat uměle (drahé)
• 1982 poprvé připraven pomocí rDNA technologie
• od devadesatých let se produkuje ve velkém a levně lidský insulin
pomocí transgenních kvasinek (Humulin®)
Výroba farmaceutik a očkovacích látek
Genetické modifikace a klonování zvířat
Počáteční pokusy
Klonování savců – transplantace jádra
Dolly (15.6. 1996 - 13.2. 2003)
Dolly a její náhradní matka
Dolly a její „otec“ Ian Wilmut
Dolly s prvorozeným
jehnětem Bonnie
(13.4.1998)
Klonování savců – malá úspěšnost, problémy
• Velmi malá klonovací úspěšnost, většinou pod 1%
• Vysoká úmrtnost čerstvě narozených klonů
• Časté fyzické deformace, selhání imunity
• Artritida, srdeční arytmie, respirační problémy
• Problém se stářím klonů - telomery
Využití transgenních zvířat
• Bioreaktory - domácí zvířata produkující mléko, do
kterého je vylučován produkt transgenu
– Terapeutické proteiny - inzulín, erytropoetin atd.
– Pavoučí protein (kozy fy NEXIA) – neprůstřelné vesty
• Produkce „zdravých“ zvířat
– produkce drůbeže s masem, které má nižší obsah tuku
– produkce vajec se sníženým obsahem cholesterolu
• Zvyšování
nemocem
odolnosti
hospodářských
zvířat
proti
• Xenotransplantace
– prasata imunokompatibilní s člověkem
Zakázkové klonování domácích mazlíčků (2004-2006)
genetický dárce
cena za jeden klon:
32 000 $
cena za uložení buněk
z mrtvého či živého
zvířete do banky :
850 $
gizmo
klony
malý gizmo
tahini
nicky
baba nanusch a tabouli
malý nicky
Glofish, první geneticky modifikovaný živočich, který
se prodává jako domácí zvíře
http://www.glofish.com/
Geneticky modifikovaný losos
• Geny pro chladovou toleranci
• Přijímá potravu i v chladném období
• Roste rychleji
Aqua Bounty Technologies (USA)
Konzervační biologie
• Klonování ohrožených druhů
• Antilopa bongo, malajský gaur
• Tasmánský tygr (vyhuben 1930)
• Mamut ?
• Dinosauři – sci-fi - DNA degradovaná
• Reprodukční problémy klonu
Genetické modifikace a klonování rostlin
Velký rozvoj
Šlechtění kulturních plodin
Zemědělské plodiny jsou výsledkem zásahů do genetické
informace trvajících více než 10 000 let
+
Triticum urartu
(2n = 2x = 14; AA)
+
Ae. speltoides
2ń = 2x = 14;BB
+
H. chilense
2n = 2x = 14
=
Ae. squorrosa
2ń = 2x = 14; DD
=
H. spontaneum
2n = 2x = 14
Transformace pomocí Agrobacterium tumefaciens
- Půdní baktérie, vyvolává tvorbu nádorů u rostlin
- Přenáší do genomu rostliny část plasmidu
Ti plasmid
Příprava transgenních rostlin
Genové dělo
Nastřelování DNA do buněk pomocí zlatého prachu
Využití genetických modifikací rostlin
• Zvyšování výnosů (boj s plevelem, odolnost proti
škůdcům)
• Obohacená krmiva pro dobytek (lysin)
• Potraviny obsahující vitamíny
• Jedlé vakcíny (rozvojové země, brambor, banán –
hepatitida B, cholera)
• Fytoremediace půdy (odstraňování těžkých kovů)
• Molekulární farmaření (výroba léčiv – protilátky,
terapeutika, bioplasty)
• Umlčování genů (oddálení dozrávání, rajče, květiny)
Odolnost rostlin k herbicidům - Roundup
Gen pro rozklad glyfosátu
Sója odolná vůči herbicidům
Více než 50% ploch na světě
oseto RR sójou
Kukuřice - rozmach škůdců
Vyvolávají druhotné napadení plísněmi - mykotoxiny
Bt- kukuřice - odolná vůči hmyzím škůdcům
- Široce rozšířena v USA (90%)
- Je povolena k pěstování v EU
Bacillus thuringiensis - d-endotoxin
- Specifický účinek na určitou čeleď hmyzu
- Používá se jako ekologický insekticid od 1940
- Člověku neškodí ani dávka ze 2 hektarů
Rizika vzniku rezistentních škůdců
• Rezistence je dědičná
• Založena recesivně
• Musí se udržovat pole, kde škůdci
nejsou vystaveni selekčnímu
tlaku
• Křížením vzniknou heterozygoti,
kteří jsou na Bt citliví
Rezistence vzniká na všechny pesticidy, nejen na GMO!!!
Boj s podvýživou – „zlatá rýže“
• Avitaminóza A u
konzumentů loupané rýže
(JV Asie)
• Ročně oslepne 200 tisíc dětí
• Rýže obsahující β-karoten
• Je zapotřebí obohatit stravu
i o tuky
High laurate canola
1996 – Brassica napus transformována
acyl-ACP-thiolesterasou pod specifickým
promoterem s cílením do semen
zvýšený obsah nenasycené kyseliny
laurové na úkor olejové a linoleové
myristová
palmitová
olejová
linolová
linoleová
laurová
další
4%
3%
31%
11%
7%
38%
6%
0.02% původně
využití: výroba mýdel a šampónů
výroba čokolády
výroba rostlinných sýrů
light smetana
Obohacení krmiv - změna obsahu zásobních
proteinů (obiloviny a luštěniny)
A) zvýšení syntézy nedostatkových AK
bakteriální mutovaný gen pro DIHYDROPIKOLINÁT SYNTHASU
a ASPARTÁT KINASU, které nemají zpětnou inhibici nadbytkem produktu (Lys)
transgenní rostliny 100x vyšší obsah lysinu a methioninu ten se ale nezabudovává v
tak velké míře do zásobních proteinů.
B) transgenoze genu pro zásobní protein
zein -28% methioninu
2S-albumin z paraořechů – 18% methioninu
Rozšíření GM/Biotech plodin v roce 2009
Pěstování Biotech/GM plodin v roce 2009
Nárůst produkce Biotech/GM plodin ve světě
Poměr tradičních a GM plodin v roce 2009
sója
bavlník
kukuřice
canola/řepka
Hlavní druhy GMO schválené pro komerční využívaní
na území ČR/EU
• Řepka – povolen dovoz
– tolerantní k herbicidu glufosinátu pro krmiva
• Sója – povolen dovoz
– tolerantní k herbicidu glyfosátu
• Čekanka – povolen dovoz
– částečně tolerantní k herbicidu glufosinátu s pylovou sterilitou
• Karafiáty – povolen dovoz
– se změněnou barvou květu
– karafiáty s prodlouženou trvanlivostí
• Kukuřice, povoleno pěstování, v ČR 8 tis. ha (2. místo v EU)
– rezistentní vůči hmyzu (Bt-endotoxin) (Monsanto)
• Brambory Amflora, povoleno pěstování , 150 ha
– bez amylosy ve škrobu, průmyslové využití, krmivo (BASF)
CENTRUM REGIONU HANÁ
PRO BIOTECHNOLOGICKÝ
A ZEMĚDĚLSKÝ VÝZKUM
Tento projekt je spolufinancován Evropským fondem pro regionální
rozvoj v rámci Operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace a
státním rozpočtem.
O projektu
OP Výzkum a vývoj pro inovace: CZ.1.05/2.1.00/01.0007
Příspěvek EU: 707 997 497 Kč
Státní příspěvek: 124 940 735 Kč
Doba realizace projektu: 1. března 2010 - 31. prosince 2013
Příjemce projektu: Univerzita Palackého v Olomouci
Partneři projektu: Ústav experimentální botaniky AV ČR, v.v.i.
Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i.
Rozšíření areálu Holice: 4 nové objekty VaV, dopravní a technická infrastruktura
Vytvoření 170 pracovních míst ve VaV
Vizualizace centra - 2013
Centrum strukturní a funkční genomiky rostlin
ÚEB AVČR
Technologické centrum UP
Centrum genetiky a molekulární biologie UP
Centrum aplikovaného
výzkumu zelenin a
speciálních plodin VÚRV
Předpokládané zahájení výstavby – leden 2011
Výzkumné programy centra
Zahájení výzkumných programů – 1. 7. 2010
1. Proteinová biotechnologie
2. Chemická biologie a genetika
3. Nové materiály a metody šlechtění rostlin
4. Rostlinná biotechnologie
5. Fytofarma, genetické zdroje zelenin, léčivých,
aromatických a kořeninových rostlin (od 1.1. 2013)
Klíčoví pracovníci centra
prof. RNDr. Ivo Frébort, CSc., Ph.D.
• Ředitel centra
prof. RNDr. Jozef Šamaj. DrSc.
• Buněčná biologie
• Biochemie a molekulární biologie
• Člen Českého národního komitétu pro
biochemii a molekulární biologii
prof. Ing. Miroslav Strnad, DSc.
PřF UP/ÚEB AV ČR, v. v. i.
 Růstové regulátory: topoliny a olomoucin
 Cena Města Olomouce 1998
prof. Mgr. Marek, Šebela, Dr.
PřF UP
 Biochemie a proteomika
 Cena Učené společnosti ČR 2005
doc. Ing. Jaroslav Doležel, DrSc.
ÚEB AV ČR, v. v. i.
 Vědecký ředitel centra
 Strukturní a funkční genomika
 Člen Učené společnosti ČR
Ing. Karel Dušek, CSc.
VÚRV, v. v. i.
 Genová banka zelenin a speciálních plodin
Analýza obrovského genomu pšenice obsahujícího 17 miliard párů bazí
Genom je rozdělen na 3 skupiny chromosomů
1
A
2
A
3
A
4
A
5
A
6
A
7
A
1
2
3
4
5
6
7
1
2
3
4
5
6
7
A
Dědičná informace pšenice
je uspořádaná ve 21
chromosomech
B
Analýza genomu je
zjednodušena
sekvenováním
jednotlivých chromosomů
izolovaných průtokovou
cytometrií
D
Vlajky zemí, které k mapování genomu pšenice využívají DNA získanou z příslušných chromosomů. Projekt
sekvenování genomu pšenice je koordinován Mezinárodním konsorciem (International Wheat Genome
Sequencing Consortium). Analýza jednotlivých chromozómů je rozdělena mezi členy konsorcia.
Ústav experimentální botaniky AV ČR, v. v. i.
Transgenní ječmen s upravenou hladinou rostlinných hormonů
Genetickým umlčením aktivity enzymů odbourávající
hormony, lze zvýšit koncentraci hormonů ve
specifických oblastech zrna a přímo zvyšovat výnos
Větší kořenový systém se vyvine specifickou nadprodukcí
enzymu degradující rostlinné hormony
Genetická modifikace Claviceps purpurea za účelem zvýšení
produkce námelových alkaloidů
Cílená genová manipulace parazitické houby, hojně využívané ve
farmaceutickém průmyslu, s možností snížení nákladů na výrobu léčiv
díky nadprodukci aktivních látek
Kontaktní informace
Centrum regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum
Šlechtitelů 813/21
783 71, Olomouc – Holice
telefon: +420 585 634 970, +420 585 634 971, +420 585 634 979
email: [email protected]
Webové stránky: www.cr-hana.eu
Hanácky biotechnológie só
naše ževobetí …