Skip to content
Graad 12 · Molekulêre, Sellulêre & Weefselvlak · Les 3

Genetiese Manipulasie & Biotegnologie

Hoe wetenskaplikes DNS sny, kopieer en lees — en dié vermoë gebruik om insulien te maak, gewasse te verander, en vaderskap- en forensiese sake op te los. Laat 'n virtuele jel loop en interpreteer self 'n werklike DNS-profileringsaak.

Wat is genetiese manipulasie?

Genetiese manipulasie is die doelbewuste verandering van 'n organisme se DNS deur middel van biotegnologie — deur 'n geen uit een organisme te sny en dit in 'n ander in te voeg, sodat die tweede organisme nou 'n nuwe eienskap uitdruk. Dit verskil van selektiewe teling: in plaas daarvan om generasies te wag vir 'n gewenste kombinasie van gene om natuurlik te verskyn, verskuif wetenskaplikes 'n spesifieke, bekende geen direk.

Die molekulêre gereedskapstel

GereedskapWat dit doen
Restriksie-ensiem'n Bakteriese ensiem wat DNS by 'n spesifieke, kort herkenningsvolgorde sny, wat fragmente met passende "kleefpunte" produseer
Vektor (bv. plasmied)'n Klein sirkelvormige stuk DNS (dikwels van bakterieë) wat gebruik word om 'n vreemde geen na 'n gasheersel te dra
DNS-ligase'n Ensiem wat DNS-fragmente aanmekaar bind, wat die vreemde geen in die vektor toeseël om rekombinante DNS te vorm
PKR (polimerase-kettingreaksie)'n Tegniek wat vinnig miljoene kopieë van 'n gekose DNS-volgorde uit 'n baie klein aanvangsmonster maak
JelektroforeseSkei DNS-fragmente volgens grootte deur hulle deur 'n jel te trek met behulp van 'n elektriese stroom
Kleefpunte: Die meeste restriksie-ensieme sny DNS in 'n verspringende patroon, wat kort enkelstring-oorhange laat. As DIESELFDE restriksie-ensiem gebruik word om beide die vreemde geen en die plasmiedvektor te sny, is hul kleefpunte komplementêr en sal hulle basispaar — dit is wat DNS-ligase in staat stel om hulle tot een deurlopende rekombinante molekule saam te voeg.

Rekombinante DNS maak — die insulien-voorbeeld

Voor genetiese manipulasie is insulien vir diabete uit die pankreas van beeste en varke onttrek — duur, beperk in voorraad, en effens anders as menslike insulien. Vandag vervaardig geneties-gemodifiseerde bakterieë menslike insulien direk:

  1. Die menslike geen vir insulien word geïdentifiseer en met 'n restriksie-ensiem uitgesny.
  2. 'n Bakteriese plasmied word met dieselfde restriksie-ensiem oopgesny, wat passende kleefpunte skep.
  3. Die menslike insuliengeen word in die plasmied ingevoeg en met DNS-ligase vasgeseël, wat rekombinante DNS vorm.
  4. Die rekombinante plasmied word in 'n bakterium ingevoeg (algemeen E. coli) — hierdie stap word transformasie genoem.
  5. Die bakterium word in groot fermentasietenks gekweek. Soos dit voortplant, kopieer elke nakomeling ook die plasmied, en elke sel lees die menslike geen en produseer menslike insulien.
  6. Die insulien word onttrek, gesuiwer, en vir mediese gebruik verpak.
Omdat die insulien wat op hierdie manier geproduseer word identies aan menslike insulien is, veroorsaak dit veel minder allergiese reaksies as die ouer dier-onttrekte weergawes — en bakterieë kan in onbeperkte, goedkoop, vinnig-vermenigvuldigende bondels gekweek word.

Jelektroforese en DNS-profilering

DNS is negatief gelaai, sodat dit wanneer dit in 'n jel geplaas en aan 'n elektriese stroom blootgestel word, na die positiewe elektrode migreer. Die jel tree op soos 'n molekulêre sif: kleiner DNS-fragmente beweeg vinniger deur die jelmatriks en beweeg verder, terwyl groter fragmente nader aan die laaiputjie teruggehou word. Dit produseer 'n patroon van bande, gesorteer volgens grootte.

DNS-profilering (DNS-"vingerafdrukke") maak gebruik van gebiede van DNS wat baie tussen individue verskil (kort herhalende volgordes wat in aantal van persoon tot persoon verskil). Die tipiese proses is:

  1. Versamel 'n DNS-monster (bloed, wangswap, haarwortel, of misdaadtoneelbewys).
  2. Gebruik PKR om die veranderlike gebiede van belang te vermeerder, aangesien misdaadtoneel- of forensiese monsters dikwels te klein is om direk te ontleed.
  3. Sny die vermeerderde DNS met restriksie-ensieme (of skei die vermeerderde gebiede direk volgens grootte).
  4. Laat die fragmente deur jelektroforese loop, wat 'n unieke bandpatroon vir elke individu produseer.
  5. Vergelyk bandpatrone tussen monsters — bv. 'n kind se patroon behoort een band te wys wat met die moeder ooreenstem en een wat met die biologiese vader ooreenstem.
Toepassings: vaderskaptoetsing, forensiese ondersoek (om misdaadtoneel-DNS met 'n verdagte te vergelyk), die identifisering van rampslagoffers, en die bevestiging van familiebande in immigrasiesake.

Toepassings: GMO's in landbou en medisyne

VoorbeeldWat gemanipuleer is, en waarom
Bt-mielies / Bt-katoen'n Geen van die bakterium Bacillus thuringiensis word ingevoeg, sodat die plant 'n proteïen produseer wat giftig is vir spesifieke insekplae — wat die behoefte aan chemiese plaagdoderbespuiting verminder
Onkruiddoder-bestande gewasseGemanipuleer om 'n spesifieke onkruiddoder te oorleef, sodat boere kan spuit om onkruid te verwyder sonder om die gewas te beskadig
Goue RysGemanipuleer om beta-karoteen ('n vitamien A-voorloper) in die graan te produseer, om vitamien A-tekort te help aanspreek in streke waar rys 'n stapelvoedsel is
Rekombinante menslike insulienBakterieë wat met die menslike insuliengeen gemanipuleer is, massaproduseer insulien vir diabetesbehandeling (sien hierbo)
Geenterapie'n Funksionele kopie van 'n geen word in 'n pasiënt se selle ingebring om 'n foutiewe geen reg te stel of te vergoed (bv. proewe vir sistiese fibrose en sommige immuunafwykings)

Voordele, nadele en etiese kwessies

KABV verwag van jou om genetiese manipulasie te kan bespreek en evalueer, nie net beskryf nie — weeg dus altwee kante op:

Punte geopper
VoordeleHoër gewasopbrengste; minder gebruik van chemiese plaagdoders (Bt-gewasse); verbeterde voeding (Goue Rys); goedkoper, veiliger, onbeperkte-voorraad mediese produkte (insulien); potensiële genesings deur geenterapie; die oplos van misdade en die onskuldigverklaring van verkeerdelik beskuldigdes deur DNS-profilering
Nadele / bekommernisseOnbekende langtermyn-gesondheidseffekte van GM-voedsel word steeds gedebatteer; gemanipuleerde gene kan deur kruisbestuiwing na wilde populasies versprei (bv. onkruiddoderweerstand wat na onkruid oorspring); verminderde genetiese diversiteit weens monokultuurboerdery; saadpatentering kan klein boere benadeel; etiese bekommernisse oor "ontwerper"-genetiese verandering by mense; privaatheids- en misbruikbekommernisse oor DNS-profileringsdatabasisse
Eksamenwenk: "Bespreek"- of "evalueer"-vrae oor genetiese manipulasie vereis dat jy punte oor BEIDE kante aanbied en, waar gevra, 'n gemotiveerde mening — 'n eensydige antwoord verloor punte, selfs al is elke punt wat jy gee korrek.

CRISPR-Cas9: presisie-geenredigering

CRISPR-Cas9 is 'n nuwer, meer presiese genetiese manipulasiemiddel in vergelyking met tradisionele restriksie-ensiemmetodes. Cas9 is 'n ensiem wat soos programmeerbare "molekulêre skêr" optree: gelei deur 'n kort stukkie RNS wat met 'n spesifieke teiken-DNS-volgorde ooreenstem, sny Cas9 die DNS by daardie presiese ligging. Sodra dit gesny is, kan die sel se eie herstelmeganisme gebruik word om 'n geen te deaktiveer, of om 'n nuwe stuk DNS by daardie presiese plek in te voeg.

CRISPR teenoor kunsmatige seleksie: albei behels dat mense doelbewus 'n eienskap kies om in 'n organisme te versterk of te verwyder, tot voordeel van die mens — maar CRISPR redigeer die DNS-volgorde self direk, terwyl kunsmatige seleksie werk deur te kies watter bestaande organismes oor baie generasies teel, sonder om hul DNS direk aan te raak.

Omdat CRISPR vinnig, relatief goedkoop, en hoogs presies is, word dit ondersoek vir geenterapie by mense, siekte-bestande gewasse, en die uitwissing van siekte-dravende insekpopulasies — maar enige nuwe mediese toepassing (soos 'n CRISPR-gebaseerde behandeling) moet eers deur uitgebreide kliniese proewe gaan, om te bevestig dat dit veilig en doeltreffend is, vry van skadelike "buite-teiken"-snye elders in die genoom, en dat die voordele daarvan die risiko's oortref.

Die genoom

'n Organisme se genoom is sy volledige stel genetiese materiaal — al die DNS/gene wat dit besit. Die vergelyking van genome tussen individue toon dat die meeste DNS-volgorde gedeel word, maar sekere nie-koderende gebiede verskil aansienlik tussen individue — hierdie veranderlike gebiede is presies wat DNS-profilering (jelektroforese) benut om een persoon se DNS van 'n ander s'n te onderskei.

Jelektroforese-simulator — 'n vaderskapsaak

'n Moeder, haar kind, en 'n beweerde vader word by een veranderlike gebied DNS-geprofileer. Laat die jel loop en besluit: kan hierdie man die biologiese vader wees?

Voorspel eers: Wat moet waar wees van elke band in die kind se DNS-profiel as hierdie man die vader is? Toets dit dan: Laat die jel loop en pas elk van die kind se bande by die moeder of die man.

Jelresultaat

Klik "Laat jel loop" om die monsters te laai en kyk hoe die DNS-fragmente volgens grootte skei.
0/8
Gaan die verduidelikings hierbo na.
Beantwoord in jou oefeningboek. Wys alle redenasie vir "bespreek"/"verduidelik"-vrae.
Vraag 1 · (3 punte)
Definieer genetiese manipulasie, en noem TWEE ensieme wat in die proses gebruik word, met vermelding van die funksie van elk.
Vraag 2 · (5 punte)
Beskryf, in die korrekte volgorde, die stappe wat gebruik word om bakterieë geneties te manipuleer om menslike insulien te produseer.
Vraag 3 · (3 punte)
Verduidelik waarom DNS-fragmente van verskillende groottes tydens jelektroforese skei, en gee aan watter fragmente (groot of klein) die verste beweeg.
Vraag 4 · (4 punte)
Bespreek TWEE voordele en TWEE nadele van geneties-gemodifiseerde gewasse.
Vraag 5 · 'n DNS-profiel Interpreteer (8 punte)
In 'n betwiste vaderskapsaak het DNS-profilering by een veranderlike gebied die volgende fragmentgroottes (in basispare, bp) vir elke persoon opgelewer:
PersoonFragmentgroottes (bp)
Moeder600 en 200
Kind600 en 450
Beweerde Vader 1450 en 300
Beweerde Vader 2350 en 200
(a) 'n Kind erf een DNS-fragment van elke biologiese ouer. Watter een van die kind se TWEE fragmente moes van die moeder gekom het? Verduidelik met behulp van die data. (2)
(b) Die kind se ander fragment moes van die biologiese vader gekom het. Gebruik die data om te bepaal watter van die twee beweerde vaders meer waarskynlik die biologiese vader is. Verduidelik. (3)
(c) Sou die 200 bp-fragment op 'n jel nader aan die putjie, of verder van die putjie af, as die 600 bp-fragment beweeg? Verduidelik. (2)
(d) Verduidelik waarom PKR dikwels op 'n DNS-monster uitgevoer word VOORDAT jelektroforese in werklike forensiese of vaderskapsake gedoen word. (1)