Biotehnoloģija ir dažādu produktu iegūšana, izmantojot mikroorganismu, vīrusu, augu un dzīvnieku šūnas. Tā izsenis tiek izmantota pārtikas, piemēram, maizes, jogurta, siera, alus, gatavošanai. Septiņdesmitajos gados tā izveidojās par pastāvīgu zinātnes nozari. Tajā laikā radās arī gēnu inženierija, kuras mērķis ir pārveidot organismus, izmantojot dzīvu organismu ģenētisko materiālu, kā arī mākslīgi radītus gēnus.
Gēnu inženierija ir tehnoloģiju komplekts, kas ļauj manipulēt ar ģenētisko materiālu jeb DNS, t.i., izdalīt, pievienot, izmainīt, kopēt, pavairot gēnus un pārvietot tos no vienas sugas uz citu.
Gēns no organisma X tiek ievietots organismā Y, lai radītu jaunu organismu Z. Z ir Y, kam piemīt dažas X īpašības, kas saglabāsies turpmākajās paaudzēs.
Gēni
Informācija, pēc kuras veidojas atsevišķas šūnas un organisms kopumā, ir ierakstīta organisma genomā. Genomu veido divpavedienu dezoksiribonukleīnskābes (DNS) molekulas, kas atrodas šūnas kodolā. Viena DNS molekula veido vienu hromosomu. Visa ģenētiskā informācija ir organizēta gēnos. Gēns ir noteikts iecirknis garajā DNS molekulā, kurš atbild par viena veida ribonukleīnskābes (RNS) vai proteīnu molekulu sintēzi šūnā. Šīs molekulas pilda noteiktas funkcijas, līdz ar to atbildot par šūnas (organisma) noteiktu morfoloģisku, anatomisku, fizioloģisku vai bioķīmisku pazīmi.
Ģenētiskā informācija visās viena organisma šūnās, lai gan to funkcijas atšķiras, ir vienāda. Tomēr tikai neliela daļa (5-10%) no šūnā esošajiem gēniem darbojas un nodrošina konkrētās šūnas funkciju veikšanu.
Process
Gēnu inženierijā ar biokatalizatoru – enzīmu – palīdzību pārrauj DNS dubultspirāli un izņem laukā gēnus, kas nosaka konkrētu vēlamo īpašību. Tāpat atver otra organisma DNS, kurā ievieto un ar enzīmu palīdzību nostiprina svešos gēnus.
Lai pavairotu gēnu kopijas un tās ievietotu šūnās, kas normāli nepieņemtu svešos gēnus, lieto mākslīgi konstruētus parazītiskus ģenētiskus elementus jeb vektorus. Vektori iekļūst saimnieka organisma genomā, ģenētiski pārveidojot šūnas. Gēnus šūnās var ievietot arī ar mehāniskiem palīglīdzekļiem – tievu adatu vai īpašu “gēnu šauteni”. Tas ir neprecīzs process, kas izraisa daudzus ģenētiskus traucējumus ar bīstamām sekām, tāpēc ļoti reti izdodas veiksmīgi radīt iecerētos ģenētiski modificētos organismus (ĢMO). Parasti, lai iegūtu dažus organismus, kuriem piemīt vēlamās īpašības, svešie gēni jāievada daudzās šūnās vai embrijos.
Gēnu nevar novietot noteiktā hromosomas vietā, taču tā darbība ir atkarīga no līdzās esošajiem gēniem un atrašanās vietas hromosomā. Tas nozīmē, ka rodas neparedzētas blakus parādības vai izpaliek gaidītais rezultāts. Piemēram, Skotijā lasis, kurš tika ģenētiski modificēts, lai ātrāk augtu, nokrāsojās zaļš.
Vektori
Gēnu inženierijā lietotie vektori parasti ir rekombinēti dažādi dabiskie ģenētiskie parazīti, tostarp vēzi un citas slimības izraisoši vīrusi, kuru patogēnās funkcijas nedarbojas. Visbiežāk augu ģenētiskajās manipulācijās lietotais vektors ir veidots no audzēju izraisošas baktērijas Agrobacterium tumefaciens plazmīdas (baktērijas DNS molekulas neliela gredzenveida fragmenta). Dzīvnieku modificēšanā lieto vektorus no vēzi un citas slimības izraisošiem vīrusiem. Vektoram, ar ko modificē zivis, pamatā ir vīruss, kas pelēm un arī citiem zīdītājiem izraisa leikēmiju. Vēl tajā ir sastāvdaļas no vīrusa, kas vistām izraisa sarkomu, un vīrusa, kas liellopiem, zirgiem, cūkām un cilvēkiem rada bojājumus mutes dobumā.
Jauno gēnu identificēšana
Izmainītā DNS tiek ielikta atpakaļ šūnā. Ir radīts jauns organisms, kura īpašības iedzims tā pēcnācējos. Lai noteiktu, vai gēni implantēti veiksmīgi, lieto viegli identificējamus dominantos gēnus: «marķiergēnus». Ja to darbība izpaužas pārveidotajā organismā, pieņem, ka tur atrodas arī citi jaunie gēni. Līdz šim visbiežāk lietoti marķiergēni, kas ļauj atšķirt pārveidotās šūnas, apstrādājot tās ar antibiotikām.
Atšķirība no krustošanas
Galvenā gēnu inženierijas atšķirība no tradicionālās krustošanas ir tā, ka iespējams pārkāpt tradicionālās sugu robežas. Tiek pārvietoti gēni starp sugām, kam citādā veidā bieži vien ir ļoti maza varbūtība apmainīties ar gēniem. Tradicionālajā krustošanā maina to pašu gēnu dažādas formas starp tuvu radniecīgām sugām. Gēnu inženierija ļauj ieviest pilnīgi jaunus (eksotiskus) gēnus, kas neparedzami ietekmē pārveidotā organisma fizioloģiju un bioķīmiju.
Turklāt tas, ka tiek pārvietoti tikai atsevišķi gēni, nevis, kā tradicionālajā selekcijā, veseli to kopojumi, palielina dažādu neparedzētu blakus parādību, kas var izpausties arī tikai pēc vairākām paaudzēm, rašanās risku.