Biotechnológia

A biotechnológia fogalma és eredete

Tágabb értelemben a biotechnológia biológiai és a biológia mellett más tudományos ismeretek alkalmazása valamilyen gyakorlati cél elérésének az érdekében. Az őskor végén a nemesítéssel, amely a növénytermesztéssel, állattenyésztéssel és állatok háziasításával szinte egy időben jelent meg, az ember befolyásolta az élőlények örökítőanyagát, azaz dezoxiribonukleinsav (DNS)-molekuláit. Bizonyos értelemben a nemesítés már biotechnológiának tekinthető, mivel a megfelelő tulajdonságú élőlények kiválogatásával (mesterséges szelekcióval) és pároztatásával (keresztezésével) az emberi céloknak jobban megfelelő állat- és növényfajtákat hoztak létre. A mikroorganizmusokat szintén felhasználták különböző élelmiszerek, mint a kenyér, a sajt és a sör, készítésére már a civilizációk megjelenésének hajnalán. A technológia szó használata a fenti esetekre némiképp túlzás abból a szempontból, hogy a korai nemesítés, vagy a mikroorganizmusok felhasználása nem igényelt semmilyen mélyebb tudományos ismeretet. A korai nemesítés például arra az egyszerű gondolatra épült, hogy a kedvező tulajdonságú élőlények kiválasztása és párosítása még kedvezőbb tulajdonságú utódokat fog eredményezni (például a gyorsan futó lovaknak még gyorsabban futó csikója lesz).

Klón és klónozás

Klónnak hívunk egy sejtet vagy egy többsejtű élőlényt, amely genetikailag azonos másolata egy másik sejtnek vagy többsejtű élőlénynek. A klón definíciójából következik, hogy a természetben a mitózissal (számtartó osztódással) létrejövő sejtek és többsejtű élőlények klónok. A többsejtű élőlényekre jó példák az egypetéjű ikrek, amikor egy zigótából mitózisok sorozatával több személy fog kifejlődni. Az ivartalan szaporodás szintén mitózisra épül, tehát az is klónokat fog eredményezni. A klón kifejezést leginkább akkor használják a fenti esetekben, ha kifejezetten a genetikai azonosságot szeretnék hangsúlyozni az utódsejteknél vagy utódoknál. A klónozás szó a klónok emberi beavatkozással történő létrehozását jelenti. A növényekre jellemző az ivartalan szaporodás, így a mezőgazdaságban a növények ivartalan szaporodási potenciálját kihasználva sokszor klónozzák a kiemelkedően jó tulajdonságú növényi egyedeket. A növények legtöbb mezőgazdasági vagy kertészeti klónozása nem igényel fejlett technológiát. Például a dugványozás során az anyanövényről levágott friss hajtást egyszerű kezelés után, a földbe ültetve új növényegyedet hoznak létre. Talán a legközismertebb klónozás fajta a többsejtű élőlény teljes klónozása. Ez már fejlett technológiát igényel. Például egy emlős klónozása során eltávolítják egy állatból kiemelt petesejt sejtmagját, majd egy felnőtt állat testi sejtjének sejtmagját juttatják be a petesejtbe az eredeti sejtmag helyére. Az így létrehozott petesejtet beültetik egy anyaállat méhébe, ahol a petesejtből a felnőtt állattal genetikailag azonos új egyed természetes módon kifejlődik. A fenti klónozás fogalommal szemben a molekuláris klónozás egy géntechnológiai fogalom, a nevével ellentétben nem hoz létre sejt- vagy élőlény klónokat, hanem itt a klónozás szó egy DNS-molekula bizonyos technikával történő megsokszorozását jelenti.

Géntechnológia

Mi a géntechnológia?

A géntechnológia egy élőlény vagy egy biológia rendszer örökítőanyagának különböző laboratóriumi módszerekkel történő módosításait és felhasználását foglalja magában. Beleértjük a gének (egy fehérjelánc információját tartalmazó DNS szakasz) fajhatárokon belüli és fajhatárokon át történő átvitelét, vagy a gének eltávolítását egy élőlényből. Már csak az alapvető géntechnológiai módszerek is rendkívül változatosak, ráadásul sokszor össze lehet őket kapcsolni bonyolultabb módszereket létrehozva, szóval alább csak a legközismertebb módszerekből villantunk fel néhány jellemző példát.

Rekombináns DNS technológia

A DNS módosítás épülhet olyan DNS-re, amely megtalálható a természetben, vagy amelyet teljese egészében kémiai szintézissel állítanak elő, de lehet olyan is, amelyet természetben előforduló DNS szakaszok összeillesztésével, azaz rekombinációjával hoznak létre. Ez utóbbit hívják rekombináns DNS technológiának, amelynek az a jelentősége, hogy a további biotechnológiai igényeknek pontosan megfelelő DNS molekulák hozhatók létre vele, nem csak olyanok, amik a természetben már eleve léteznek. Az első rekombináns DNS technikákban az élőlényekből vagy vírusokból kivont DNS molekulák megfelelő szakaszait apró kémcsővekben szintén élőlényekből kivont vágó fehérjeenzimekkel, úgynevezett endonukleázokkal, metszették ki. A különböző, kivágott DNS szakaszokat megfelelő sorrendben ligáz fehérjeenzimekkel összeragasztották, és így létrehoztak, egy új, a természetben nem létező DNS molekulát.

Molekuláris klónozás

Az első rekombináns DNS technika a molekuláris klónozás volt, amelynek sokfajta géntechnológiai célja lehet. A végső céltól függetlenül fontos az, hogy a módszer magában foglalja a rekombináns DNS molekula megsokszorozását az adott rekombináns DNS molekulát magukban hordozó baktérium sejtklónokban. Az adott DNS molekula megsokszorozása kulcsjelentőségű volt a korai biotechnológiai módszerek számára, mivel ezeknek jó része csak jelentős mennyiségű DNS molekulával tudott működni. A módszer során egy tetszőleges eredetű DNS szakaszt egy olyan DNS molekulával ragasztottak össze egy apró kémcsőben, amely lehetővé tette a baktériumoksejtekben történő DNS másolást, azaz sokszorosítást. Ezután a létrehozott rekombináns DNS-t a baktériumsejt belsejébe juttatták egy vektorral, amely általánosságban a DNS beviteléhez használt biológiai rendszert jelöl. Vektor lehet például egy plazmid vagy egy vírus. A baktériumsejt tartalmazta a DNS másolást elvégző fehérjeenzimet, a DNS-polimerázt, amely a baktériumsejt belsejébe bevitt rekombináns DNS-t sokszorosította. A baktériumsejtek a saját örökítőanyaguk mellett tovább örökítik a rekombináns DNS-t is az utódsejtjeiben. Tehát az eredeti baktérium, amelybe bejuttatták a rekombináns DNS, nagyon sok sejtklónt hozott létre, és így a rekombináns DNS-nek is rengeteg másolata volt megtalálható sejtklónokban. A baktériumklónokból nagy mennyiségű DNS molekulát lehetett kivonni, és további célokra felhasználni.

Polimeráz-láncreakció

A polimeráz-láncreakció (polymerase chain reaction, PCR) és PCR készülék első változatai a DNS molekula megsokszorosítására voltak képesek, a molekuláris klónozásnál jóval rövidebb idő alatt, illetve kisebb munkaigénnyel. A módszer baktériumból kivont DNS-polimerázt használ fel egy adott DNS szakasz PCR készülékben történő ciklikus sokszorosítására. A géntechnológiai céloktól függően a PCR bizonyos esetekben kiváltotta a molekuláris klónozást, bizonyos esetekben kiegészítette azt.

Génszerkesztés

A molekuláris klónozás vagy a PCR célja az adott DNS szakasz megsokszorozása, amelyet ezek után sokfajta géntechnológiai célra fel lehet használni. Az egyik ilyen cél az adott DNS szakasz beépítése egy sejt, illetve a sejtből származó élőlény örökítőanyagába. A sejt vagy az élőlény ezek után a kívülről származó, de beépült örökítőanyagot ugyanúgy fogja kezelni, mint a sajátját. A korai géntechnológiai módszerekben az adott DNS szakaz beépülése a gazdasejt örökítőanyagába véletlenszerűen történt meg. Később megjelentek a génszerkesztési technikák, amelyek már a gazdasejt örökítőanyagának egy jól meghatározott helyére tudták bevinni a külső forrásból származó DNS-t.

Biotechnológia a mezőgazdaságban

Talán a legismertebb biotechnolóigai fogalom a mezőgazdaság területéhez kapcsolódóan a genetikailag módosított élőlények (genetically modified organisms vagy röviden GMO), amely olyan élőlényeket takar, amelyeknek örökítőanyaga kisebb vagy nagyobb mértékben módosítva van biotechnológiai módszerekkel. Természetesen GMO nem csak növény lehet. Például az első GMO-k között voltak azok a baktériumok, amelyeket a molekuláris klónozáshoz használtak fel. GMO-k a teljes élőlény klónozással létrehozott állatok is.

A génmódosított haszonnövényekbe általában más élőlényekből származó géneket visznek be, hogy ezzel kedvezőbb tulajdonságokkal ruházzák fel a növényeket. Az első génátvitellel módosított növényeket bizonyos kártevőkkel, betegségekkel vagy vegyi kezelésekkel szemben tették ellenállóvá. Például az Egyesült Államokban a termesztett szója- és kukoricanövény döntő többsége rendelkezik a génmódosítással, amely ellenállóvá teszi a növényi egyedeket bizonyos gyomírtó szerekkel szemben. Tehát hatékonyabban lehet használni az adott gyomirtó szert ezeknek a génmódosított növényeknek a termőterületein, mert a haszonnövények ellenállóbbak lesznek vele szemben. A későbbi génmódosított növényekben további tulajdonságokat is módosítottak, mint például a tápanyag összetételt, vagy az ipari célokra történő felhasználhatóságot.

Biotechnológia az orvostudományban

Az emberi gyógyászat kiemelt jelentőségű a biológiai ismereteket felhasználó tudományágak között, így nem véletlen, hogy a biotechnológia számos, különböző módon járult hozzá az utóbbi bő fél évszázadban az orvostudomány fejlődéséhez. A fejlődésnek tudományos felfedezések sora adott lökésszerű lendületet. Ilyen volt a DNS szerkezetének felfedezése 1953-ban, a Sanger DNS szekvenálás, azaz a DNS bázissorrend laboratóriumi meghatározásának, kifejlesztése 1977-ben, vagy a Humán Genom Projekt befejezése 2003-ban. A Humán Genom Projekt az emberi genom (egy sejt vagy élőlény teljes örökítőanyaga) DNS szekvenálását végezte el, amely lehetővé tette a genom által tárolt biológiai információk megfejtését. A projekt a Sanger DNS szekvenálás egy automatizált változatát használta ehhez, de szintén használtak szuperszámítógépeket a munka során. Az informatika egyre intenzívebb használata a biológia területén önálló tudományággá fejlődött mára, amit bioinformatikának nevezünk. A Humán Genom Projekt eredményét szabadon elérhetővé tették, amely jelentősen felgyorsította a géntechnológiai eljárások tervezését, és ezáltal ezen eljárások felhasználását az orvostudományba. Például a DNS szekvencia információk alapján tervezték meg az első DNS-chipeket, amelyek többek között alkalmasak voltak a leggyakoribb genetikai változatok, illetve a különböző emberi szövetek hírvivő ribonukleotidsav (RNS)-tartalmának a vizsgálatára. A biotechnológia felhasználása az orvostudományokban nem pusztán csak a Humán Genom Projekt eredményeire épül, hanem sok más területből szintén táplálkozik.

Gyógyszer előállítás

Az első géntechnológiával előállított gyógyszer a cukorbeteg kezeléséhez használt inzulin volt. Az inzulin egy hormon, amely egészséges emberben az inzulin génjéről termelődik. Némiképp leegyszerűsítve, a cukorbetegekben különböző okokra visszavezethetően az inzulin mennyisége nem elégséges, ezért pótolni kell. A géntechnológiai módszer kidolgozásáig állati eredetű inzulint használtak a cukorbetegek kezelésére, amelyek kis mértékben eltérnek az emberi inzulintól, és ezért alacsonyabb a biológiai hatásfokuk. A géntechnológiai megoldás során az emberi inzulin génjét egy baktérium plazmidjával illesztették össze, azaz rekombináns DNS-t hoztak létre. A rekombináns DNS-t baktériumsejtbe vitték be, amelynek a sejtklónjai mind tartalmazták a rekombináns DNS-t, amely meg tartalmazta az emberi inzulin génjét. A módszer tulajdonképpen lefedi a molekuláris klónozást, de azon túl lép eggyel. A rekombináns DNS nem csak sokszorosítják a baktériumsejt-klónok, hanem a baktériumsejtek legyártják a humán inzulint a sejten belül. Az inzulin így a felszaporított sejtklónokból kinyerhető, és megfelelő biokémiai tisztítás után alkalmas az orvosi felhasználásra. A rekombináns DNS technológiával előállított emberi inzulin az emberi test által előállított inzulinnal megegyezik, ráadásul a gyógyszer előállítása is olcsóbb ezen a módon.

Vakcinák előállítása

A géntechnológia előtt a vakcinák, azaz védőoltások, a természetes forrásból származó legyengített vagy inaktívvá tett kórokozókat, illetve a kórokozók bizonyos részeit tartalmazták. A géntechnológia lehetővé tette az úgynevezett genetikai vakcinák kifejlesztését, amelyek a hagyományos vakcináktól eltérően hoznak létre. A genetikai vakcinákra jó példa az RNS vakcinák. Ezek a vakcinák egy hírvivő RNS molekulát tartalmaznak. A hírvivő RNS molekula egy, a kórokozó részét képző fehérjelánc információját tartalmazza. A hírvivő RNS molekula egy lipid nanorészecskébe van belerakva, amelyet az emberi testbe juttatva, képes a fehérvérsejtek belsejébe bevinni a hírvivő RNS-t. A hírvivő RNS-ben tárolt információ alapján a fehérvérsejt a saját belsejében felépíti a kórokozó fehérjéjét, ami ezek után aktiválni fogja az immunrendszert, és ezáltal kialakítja a szervezett védettségét az adott kórokozóval szemben. A koronavírus járvány megfékezéséhez használt leghatékonyabb vakcinák az RNS vakcinák közé tartoztak, és az ilyen típusú vakcinák kifejlesztésében játszott elévülhetetlen szerepéért Karikó Katalin orvosi Nobel-díjat kapott 2023-ban.

Génterápia

A génterápia olyan biotechnológián alapuló orvosi eljárás, amely a genetikai hátterű betegségek kóroki génjeinek helyettesítésével, javításával vagy inaktiválásával képesek a betegség gyógyítására, de legalábbis a tünetek enyhítésére. Az eljáráshoz DNS-t vagy RNS-t kell a beteg szervezetbe bevinni. A bevitel történhet a géntechológiai eljárásokhoz hasonlóan egy vektorral, ami a leggyakrabban egy megfelelően előkészített vírus. A másik módszer a sejtek kivétele a szervezetből, azok genetikai módosítása laboratóriumban, majd a módosított sejtek visszajuttatása a beteg szervezetébe. A génterápiának a betegség jellegétől és genetikai hátterétől függően több, különböző módja lehet. Egyrészt génszerkesztéssel kijavíthatja a hibásan működő gént. Másrészt hozzáadhat egy megfelelően működő gént a szervezet bizonyos sejtjeihez, amely az egészséges működését visszaállítja. Harmadrészt ellensúlyózhatja egy hibásan működő gén negatív hatását azáltal, hogy a hibásan működő gén mRNS-ét inaktíválja, és ezáltal csökkenti a kóroki fehérje mennyiségét a célsejtekben. A gyógyászatban jelenleg alkalmazott génterápiás módszerek száma egyelőre alacsony, de számos, ma még gyógyíthatatlan betegség válhat gyógyíthatóvá általuk a nem túl távoli jövőben.

Géntechnológia az orvosi diagnosztikában

A betegek DNS-ének a vizsgálata mára rutinfeladattá vált. Ez nem csak a genetikai betegségek diagnosztikáját foglalja magában, hanem a daganatokból kiemelt szövetmintákat DNS-ét is vizsgálják. Az adott daganat genetikai háttere hatást gyakorolhat a kemoterápiában alkalmazott gyógyszerek kiválasztására. Ezt a megközelítések személyre szabott gyógyászatnak hívják, mivel az egyének közötti genetikai különbségek a gyógyszeres terápia személyre szóló megválasztását teszik lehetővé. További diagnosztikai terület a fertőző betegségek DNS és RNS alapú kimutatása. Az ilyen eljárások épülhetnek például az eredeti PCR technika tovább fejlesztett változatára, amellyel a betegből jóval kisebb mennyiségű kórokozót is ki lehet mutatni, mint a fehérje alapú eljárásokkal. PCR-alapú technikákat használnak például a koronavírus kimutatására.

Géntechnológia az igazságügyi orvostanban

Az igazságügyi orvostan olyan személyek vizsgálatával foglalkozik, akiket külső vagy természetellenes okokból kifolyólag, például mérgezés, támadás vagy öngyilkosság miatt, megsérültek vagy meghaltak. Az ilyen jellegű vizsgálatokat a rendőri helyszínelőkről és nyomozókról szóló sorozatok meglehetősen közismerté tették, és bár a sorozatok, nem meglepő módon, mérsékelten szakszerűek, összeségben mégis jól tükrözik a valóságban történteket. A géntechnológia egyre hatékonyabbá tette a megfelelő minőségű DNS kivonását kis mennyiségű szövet maradékból, amely alkalmas a további összehasonlító jellegű vizsgálatokra. A vizsgálatok célja egy olyan DNS-en alapuló mintázatot kapni, amely alapján jól összevethetőek és egyedileg beazonosíthatóak a különböző DNS-ek. Például a tetthelyről származó és a gyanúsított DNS mintája. Az ilyen jellegű DNS vizsgálatok ugyanúgy nagy biztonsággal tudják azonosítani az elkövetőt, mint az ujjlenyomatok, és ennek nyomán, genetikai ujjlenyomat vizsgálatoknak nevezik az ilyeneket. Az igazságügyi orvostan mellett genetikai ujjlenyomat vizsgálatokat használnak más területeken is, mint például az apasági vizsgálatokban.

A biotechnológia mellett és ellen szóló érvek

A technikai fejlődés sohasem járt hátulütők nélkül, és ez természetesen így van a biotechnológiával is. Kétségtelen, hogy a biotechnológia jelentős előrelépést hozott az orvostudományban, beleértve például az új gyógyszereket, génterápiát, genetikai vakcinákat vagy a személyre szabott gyógyászatot. Továbbá a biotechnológia mezőgazdaság vagy környezetvédelem területén elért eredményei segíthetnek a helyi élelmiszerellátási problémák kezelésében, illetve hozzájárulhatnak a szennyezett területek megtisztításához, vagy a szennyezés csökkentéséhez. Másfelől jócskán merülnek fel ellenérvek is a biotechnológiával szemben. A következő bekezdésekben a teljesség igénye nélkül térünk ki néhányra.

Etikai és társadalmi aggályok

A biotechnológia egyes tevékenységei vagy eredményei ellentétesek lehetnek a társadalmak egyes csoportjainak erkölcsi elveivel, amik akár jelentős társadalmi konfliktusokhoz vezethetnek. A biotechnológia intenzíven manipulálja az élőlények, köztük az ember, DNS-ét, ami felvetheti a kérdést, hogy etikus-e ez a beavatkozás a „természet rendjében” vagy az „isteni akaratba”. (A fogalmak idézőjelbe kerültek, mert a természettudományok tárgykörén kívül esnek. Természetesen ez nem jelenti azt, hogy ne lennének érvényesek más szempontból.) Különösen igaz ez az élettelen anyagokból élőlények létrehozására, vagy az ember teljes klónozására. Egy ember teljes genomjának szekvenálása már észszerű áron elérhető, ami a személyes genetikai adatok kezelésének és felhasználásának a kérdését veti fel. Például egy életbiztosítás megkötésekor vajon felhasználhatja-e a biztosító a biztosítási összeg meghatározásánál a biztosított személy teljes genetikai profilját, vagy sem? Bár a génmódosított növények egy része kifejezetten a szegényebb országok élelmezési problémáinak enyhítésére lett kifejlesztve, általánosságban mégiscsak aggályos a biotechnológiai eredményekhez való hozzáférésben tapasztalható egyenlőtlenségek. A biotechnológiai fejlesztések jó részét profitorientált cégek végzik, akik a fejlesztésekbe befektetett jelentős pénzösszegek megtérülését várják el, tehát a biotechnológiai termékeik drágák lesznek. Ezekhez a biotechnológiai eredményekhez vagy termékekhez nem fognak hozzáférni a szegényebbek, ami tovább növelheti a meglévő társadalmi és gazdasági egyenlőtlenségeket.

Biztonsági aggályok

A biotechnológia tevékenységek és eredmények sok, különféle biztonsági kérdést vetnek fel. Az emberi génterápiák előre nem látható mellékhatásokkal járhatnak, szélsőséges esetben a jövő generációira is hosszútávú hatást gyakorolhatnak. Bár ez idáig nem tudunk ilyenről, de az emberi fogyasztásra szánt génmódosított növények szintén okozhatnak előre nem látható egészségügyi problémákat. Ezen felül a génmódosított növények természetes élőhelyeken való elterjedése nem kívánt ökológiai következményekkel járhat, mint például az őshonos növények kiszorulása az élőhelyekről. Továbbá a biotechnológia rosszhiszemű felhasználása felveti a bioterrorizmus lehetőségét, mivel a biotechnológiai eljárásokkal természetben nem létező, ragályos és halálos kórokozók is kifejleszthetőek.

Ha nem csak a biotechnológia, hanem az érettségi más biológia tudományágai is érdekelnek, akkor jó kiindulópont lehet a Budapesti Reáltanoda kezdőlapja.