διαγονιδιακοί οργανισμοί

Οργανισμοί που έχουν ενσωματώσει στο γονιδίωμά τους ξένο DNA. Ονομάζονται και γενετικά τροποιημένοι οργανισμοί. Το ξένο DNA αποκαλείται διαγονίδιο και η όλη διαδικασία διαγονιδιακή τεχνολογία ή διαγένεση. Η μεθοδολογία των δ.ο. αναπτύχθηκε και τελειοποιήθηκε στα ποντίκια. Έτσι, από τις αρχές της δεκαετίας του 1980, εκατοντάδες γονίδια έχουν εισαχθεί σε ποικίλα στελέχη ποντικών. Η εισαγωγή του ξένου DNA στον οργανισμό-δέκτη μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους. Εκτεταμένη είναι η χρήση φορέων που προέρχονται από φυσικά κινητά γονιδιώματα, όπως είναι τα μεταθετά στοιχεία, τα βακτηριακά πλασμίδια ή οι ρετροϊοί. Τα μεταθετά στοιχεία είναι αλληλουχίες DNA που περιέχουν την πληροφορία για τη μεταφορά τους σε κάποια άλλη περιοχή του γονιδιώματος. Ο μηχανισμός αυτός οφείλεται στη δράση του ενζύμου μεταθετάση. Κύριος αντιπρόσωπος είναι τα Ρ μεταθετά στοιχεία της δροσόφιλας, τα οποία μπορούν να μεταφέρουν αρκετά μεγάλα τμήματα DNA. Όσον αφορά τα πλασμίδια, σημαντική ήταν η ανακάλυψη ότι ογκογόνα πλασμίδια ορισμένων εδαφοβακτηρίων, όπως το βακτήριο agrobacterium tumefaciens, έχουν την ικανότητα να ενσωματώνονται στα φυτικά κύτταρα που προσβάλλουν. Το πλασμίδιο αυτών των βακτηρίων καλείται πλασμίδιο Ti, ενώ το τμήμα DNA που μεταφέρεται ονομάζεται Τ-DNA. Το Τ-DNA, μετά την αφαίρεση των γονιδίων που είναι υπεύθυνα για τον σχηματισμό όγκων και την εισαγωγή σε αυτό των επιθυμητών γονιδίων, χρησιμοποιείται για την παραγωγή διαγονιδιακών φυτών. Οι ρετροϊικοί φορείς έχουν το πλεονέκτημα ότι ενσωματώνουν το διαγονίδιο στο γονιδίωμα των κυττάρων στα οποία εισέρχονται, όμως μπορούν να μεταφέρουν μόνο μικρά τμήματα DNA και, δεδομένου ότι οι ρετροϊοί είναι ογκογόνοι, δεν πρέπει να χρησιμοποιούνται για την παραγωγή δ.ο. που έχουν εμπορική σημασία. Η εισαγωγή του ξένου DNA στους ζωικούς οργανισμούς γίνεται συνήθως σε εμβρυϊκά βλαστικά κύτταρα, δηλαδή κύτταρα που έχουν αποχωριστεί από το στάδιο του βλαστιδίου ή της βλαστοκύστης, ενώ για τους φυτικούς οργανισμούς χρησιμοποιούνται εναιωρήματα πρωτοπλαστών (φυτικά κύτταρα από τα οποία έχουν αφαιρεθεί τα κυτταρικά τοιχώματα, διευκολύνοντας την εισαγωγή του DNA). Ένας εναλλακτικός τρόπος δημιουργίας δ.ο. είναι με μικροένεση του DNA σε γονιμοποιημένα ωάρια. Τα θηλυκά άτομα διεγείρονται με ορμόνες να παράγουν πολλά ωάρια. Ακολουθεί η γονιμοποίηση και η αφαίρεση των γονιμοποιημένων ωαρίων από τη μητέρα. Τα αβγά εμβολιάζονται αμέσως με το ξένο DNA. Συγκεκριμένα, η ένεση γίνεται στον αρσενικό προπυρήνα (στα θηλαστικά ο αρσενικός και ο θηλυκός πυρήνας δεν συντήκονται αμέσως μετά τη γονιμοποίηση), ο οποίος είναι μεγαλύτερος και περισσότερο ευδιάκριτος. Τα ωάρια, στη συνέχεια, εμφυτεύονται σε μια μητέρα-δέκτη. Από το σύνολο των ωαρίων, μόνο ένα ποσοστό περίπου 5% ή και λιγότερο ενσωματώνει το ξένο DNA και οδηγεί στη δημιουργία διαγονιδιακών ζώων. Τέλος, μια πιο εξελιγμένη μέθοδος παραγωγής διαγονιδιακών ζώων είναι με τη χρήση γενετικά τροποποιημένων εμβρυϊκών στελεχιαίων κυττάρων (ES). Τα ES είναι κύτταρα που προέρχονται από έμβρυα (στα ποντίκια ηλικίας 3,5 ημερών) και είναι πολυδύναμα, έχουν δηλαδή την ικανότητα να δίνουν όλους τους κυτταρικούς τύπους. Τα κύτταρα αυτά μπορούν να τροποποιηθούν γενετικά με την εισαγωγή ή την απενεργοποίηση γονιδίων και στη συνέχεια να εισαχθούν στη βλαστοκύστη (αναπτυξιακό στάδιο των πτηνών και των θηλαστικών, με το οποίο το έμβρυο εμφυτεύεται στη μήτρα) ενός άλλου εμβρύου. Οι οργανισμοί που προκύπτουν κατ’ αυτό τον τρόπο είναι χίμαιρες, δηλαδή αποτελούνται από δικά τους κύτταρα και κύτταρα που έχουν προέλθει από τα εμφυτευμένα ES. Με τις κατάλληλες διασταυρώσεις μπορούμε να λάβουμε αμιγή διαγονιδιακά ζώα. Σε όλες τις περιπτώσεις παραγωγής δ.ο., απαραίτητη είναι η χρήση ενός γονιδίου αναφοράς, το οποίο είναι μια αλληλουχία DNA που κωδικοποιεί για μια εύκολα προσδιορίσιμη πρωτεΐνη. Τα γονίδια αναφοράς μπορεί να αντικαθιστούν άλλες κωδικές περιοχές, έτσι ώστε να εκφράζονται μόνο αυτά ή να παράγουν πρωτεΐνες σύντηξης μαζί με άλλες πρωτεΐνες. Αποτελούν δείκτες για την ανίχνευση των γενετικά τροποποιημένων οργανισμών, αφού μεταφέρονται και ενσωματώνονται στο γονιδίωμα του οργανισμού-δέκτη μαζί με το διαγονίδιο. Μεταξύ των πιο κοινά χρησιμοποιούμενων γονιδίων αναφοράς αναφέρουμε την β-γαλακτοσιδάση, η οποία υδρολύει άχρωμα γαλακτοσίδια δίνοντας έγχρωμα προϊόντα, και τη λουσιφεράση, η οποία οξειδώνει τη λουσιφερίνη εκπέμποντας φωτόνια. Οι δ.ο. συναντούν ευρύτατες εφαρμογές στις μέρες μας. Αφενός αποτελούν χρήσιμα εργαλεία στην έρευνα και αφετέρου έχουν ποικίλες πρακτικές εφαρμογές. Όσον αφορά τη μελέτη της λειτουργίας των γονιδίων και της ρύθμισης της έκφρασής τους, οι δ.ο. έχουν συμβάλει στην έρευνα με τη δημιουργία μοντέλων στα οποία είτε υπερεκφράζεται είτε απενεργοποιείται επιλεκτικά ένα γονίδιο, παρατηρώντας έτσι την επίδραση που έχει στον τροποποιημένο οργανισμό. Στις μέρες μας υπάρχουν διαγονιδιακά ποντίκια-μοντέλα για τη μελέτη πολλών ανθρώπινων γενετικών ασθενειών, όπως η κυστική ίνωση, η μεσογειακή αναιμία, η νόσος Αλτσχάιμερ κ.ά. Εκτός από τα διαγονιδιακά ποντίκια, τα οποία χρησιμοποιούνται εκτεταμένα σε εργαστηριακές έρευνες, χαρακτηριστική είναι και η δημιουργία διαγονιδιακών ζώων για την παραγωγή, σε μεγάλες ποσότητες και με μικρό κόστος, χρήσιμων προϊόντων τα οποία είναι δύσκολο να απομονωθούν με άλλο τρόπο. Αναφέρουμε την παραγωγή διαγονιδιακών βοοειδών και αιγοπροβάτων, τα οποία παράγουν φαρμακευτικές πρωτεΐνες από τους γαλακτοφόρους αδένες τους ή επιτρέπουν την παραγωγή γάλακτος τροποποιημένης σύστασης (π.χ. γάλα χωρίς λακτόζη για τα άτομα που έχουν δυσανεξία στη λακτόζη). Παράλληλα, έχει επιτευχθεί η εισαγωγή του γονιδίου της αυξητικής ορμόνης σε διαγονιδιακά ψάρια, με σκοπό την ταχύτερη ανάπτυξή τους (π.χ. σολομός). Τέλος, απώτερος στόχος της διαγονιδιακής τεχνολογίας είναι η δημιουργία φυτικών και ζωικών δ.ο. που έχουν ανθεκτικότητα σε βακτηριακές, ιϊκές και παρασιτικές ασθένειες, όπως η μωσαϊκή του καπνού, η δυσεντερία των χοίρων κ.ά. –με την προϋπόθεση ότι η βάση της ανθεκτικότητας είναι κάποιο χαρακτηριστικό γονίδιο– μειώνοντας σημαντικά το κόστος της θεραπείας των ασθενειών αυτών, που στις μέρες μας γίνεται με τη χρήση εμβολίων και φαρμάκων και συνιστά περίπου το 20% των εξόδων παραγωγής. Σημαντική εφαρμογή της διαγονιδιακής τεχνολογίας είναι και η τροποποίηση του γενετικού υλικού οργανισμών, ώστε να χρησιμοποιηθούν στη βιομηχανία ή στη γεωργία (π.χ. παραγωγή βακτηρίων που μεταβολίζουν πετρελαιοκηλίδες ή φυτών που μπορούν να προσαρμόζονται σε δυσμενή περιβάλλοντα). Φυσικά τίθεται το ζήτημα της μη επιθυμητής μεταφοράς των ξένων γονιδίων και σε άλλους οργανισμούς, καθώς και των προβλημάτων που μπορεί να προκαλέσει στην οικολογική ισορροπία του πλανήτη μας η παρουσία οργανισμών που είναι ανθεκτικοί σε ζιζανιοκτόνα ή σε ασθένειες. Οι οργανισμοί αυτοί θα μπορούσαν να υπερισχύσουν στη διαδικασία της φυσικής επιλογής και να επικρατήσουν εις βάρος των υπολοίπων. Στις μέρες μας υπάρχουν καλλιέργειες διαγονιδιακών φυτών, πολλά από τα οποία χρησιμοποιούνται ως τρόφιμα και ζωοτροφές και διατίθενται πλέον στο εμπόριο. Τα πιο συνηθισμένα είναι η σόγια, το καλαμπόκι, η ελαιοκράμβη, το βαμβάκι κ.ά. Ο έλεγχος για τον εντοπισμό γενετικά τροποποιημένων οργανισμών επιτυγχάνεται εργαστηριακά με τη χρήση μεθόδων που βασίζονται στην ανάλυση του DNA. Η επισήμανση των γενετικά τροποποιημένων προϊόντων που προορίζονται για ανθρώπινη κατανάλωση είναι υποχρεωτική, καθώς κρίνεται απαραίτητη η πλήρης ενημέρωση του καταναλωτή σχετικά με την παρουσία δ.ο. σε τρόφιμα ή συστατικά τροφίμων και η εξασφάλιση ότι τα προϊόντα αυτά είναι ασφαλή για την υγεία του ανθρώπου. Οι βασικές αυτές προϋποθέσεις τείνουν να καλυφθούν από το υπάρχον νομικό πλαίσιο και τους ευρωπαϊκούς κανονισμούς, ωστόσο, η γρήγορη εξέλιξη της βιοτεχνολογίας απαιτεί τη συνεχή αναθεώρησή τους. Δημιουργείται, λοιπόν, ένας καινούργιος κλάδος, που στόχο έχει την εκτίμηση των κινδύνων που ελλοχεύουν από την απελευθέρωση γενετικά τροποποιημένων οργανισμών στο περιβάλλον, δεδομένου ότι αυτοί μεταφέρουν ανασυνδυασμένο DNA. Για την εκτίμηση του κινδύνου χρησιμοποιούνται μέθοδοι όπως παρακολούθηση των δ.ο., μοντέλα οικολογικών επιδράσεων, στατιστικές αναλύσεις κ.ά. Μέχρι σήμερα δεν υπάρχουν σαφείς αποδείξεις για την ύπαρξη κινδύνου από τη χρησιμοποίηση των τεχνικών ανασυνδυασμού του DNA, ωστόσο οι διάφορες απόψεις διΐστανται και οποιαδήποτε απόπειρα εξαγωγής συμπερασμάτων θεωρείται πρόωρη και επισφαλής. Σπέρματα της σόγιας, η οποία στη μεταλλαγμένη μορφή της είναι από τους πιο διαδεδομένους διαγονιδιακούς οργανισμούς.