Biotechnologia (el)

Bakterie i grzyby naprawiają błędy człowieka

Utworzono: sobota, 29, październik 2011 Joanna Stojak

Konserwanty, detergenty, pestycydy, metale ciężkie i inne ksenobiotyki (substancje nie występujące w środowisku naturalnym) – zanieczyszczenie naszej planety rośnie w zastraszającym tempie. Jak sobie z tym radzić?

Najczęściej ksenobiotyki usuwa się metodami drastycznymi, niszczącymi strukturę gleby (m.in. przez spopielanie, wymywanie zanieczyszczeń, przesiewanie). Można to jednak robić lepiej i taniej - wykorzystując naturalne szlaki metaboliczne organizmów żywych, czyli - posługując się niektórymi gatunkami roślin, grzybów i bakterii.

Dnia 24 marca 1989 roku ponad 3800 kilometrów południowego wybrzeża Alaski zamarło. W rejonie Zatoki Księcia Williama, tankowiec Exxon Valdez uległ kolizji (nieudolnie wymijając ławice kry lodowej) i uwolnił do morza olbrzymią plamę ropy naftowej (prawie 50 mln litrów). Oznaczało to śmierć żyjących tam ryb, ptaków, fok, uchatek, morsów i wielorybów. Oczyszczanie kosztowało koncern Exxon200 mln dolarów – mimo to, dziesięć lat później odkryto, że większość ropy nadal znajdowało się na brzegach Alaski.


Co więcej, nie była to jedyna tego typu historia (np. katastrofa tankowca Erika w 1999 roku, czy tankowca Prestige w 2002 roku, wyciek mazutu z cystern wykolejonego pociągu w Swarzędzu k. Poznania w 2007 roku).

Człowiekowi wystarczyło zaledwie kilka godzin, by spowodować tak wielkie zniszczenia w przyrodzie. Ile czasu potrzebuje przyroda, aby naprawić szkody wyrządzone jej przez ludzi – wciąż nie wiadomo. Warto jednak przyjrzeć się, jakie mechanizmy wykorzystywane są przez mikroorganizmy i czego możemy się od nich nauczyć.

Sposób na plamę – bioremediacja

Degradacja zanieczyszczeń organicznych (takich jak ropa naftowa) przez mikroorganizmy (bioremediacja) możliwa jest dzięki wykorzystywaniu przez nie tych zanieczyszczeń jako źródło węgla i elektronów, uczestniczących w pozyskiwaniu energii do wzrostu czy reprodukcji – odbywa się to na drodze oddychania beztlenowego, fermentacji czy redukcyjnej dehalogenacji (eliminacji atomów np. fluoru, chloru, bromu czy jodu z cząsteczki związku chemicznego). Oczywiście, należy zapewnić im odpowiednie warunki, gdyż wielkie znaczenie mają tu takie czynniki jak kwasowość (pH), wilgotność, temperatura czy dostępność pierwiastków biogennych (azotu i fosforu) Często pomocne okazują się w tej metodzie także środki powierzchniowo czynne (detergenty), których cząsteczki obniżają napięcie powierzchniowe i międzyfazowe cieczy oraz emulgują zanieczyszczenia, poprawiając tym samym dostępność oraz transport związków do komórek mikroorganizmów. Detergenty mogą być produkowane przez wykorzystywane w bioremediacji zmodyfikowane genetycznie bakterie i grzyby (np. emulsan, surfaktyna) lub otrzymane syntetycznie (np. SDS czy Triton X-100).

W zależności od rodzaju użytych mikroorganizmów, wyróżnia się trzy typy bioremediacji, w tym – naturalną degradację zanieczyszczeń (atenuacja). Pozostałe to biostymulacja (wykorzystana przy oczyszczaniu wybrzeży Alaski po katastrofie Exxon Valdez), przyspieszająca biodegradację przez zwiększenie aktywności mikroorganizmów autochtonicznych (pochodzących z zanieczyszczonego środowiska) oraz bioaugmentacja. Ta ostatnia – polegająca na wprowadzeniu do zanieczyszczonego środowiska namnożonych autochtonicznych mikroorganizmów o selektywnie wzmocnionych cechach (np. powinowactwie do określonych związków) - sprawdza się najlepiej.


Rośliny metalolubne

Statystyki pokazują, że najbardziej zanieczyszczonym rejonem w Polsce jest Wyżyna Śląska. Duże zagęszczenie przemysłu pociąga za sobą skażenie powietrza czy zmniejszenie natężenia promieniowania słonecznego (i tym samym zwiększenie zachmurzenia). Zgodnie z przyjętymi normami, na 1 km² nie powinno opadać więcej niż 200 ton pyłów rocznie – obecnie w Górnośląskim Okręgu Przemysłowym wskaźnik ten wynosi 1000 t/ km² !

Już w małych ilościach metale ciężkie mogą spowodować m. in. choroby układu naczyniowego, uszkodzenia nerek, kości, zaburzenia w funkcjonowaniu układu rozrodczego. Ich związki nieorganiczne łatwo rozpuszczają się w wodzie, dzięki czemu bez przeszkód przenikają przez błony komórkowe, dostając się do narządów wewnętrznych. Przyczyniają się także do procesów nowotworowych. Do najbardziej toksycznych metali ciężkich należą: ołów, rtęć, kadm i arsen.

Ołów przedostaje się do powietrza wraz z dymem fabryk, hut, stalowni, spalin samochodowych, papierosów. Z powietrza opada na glebę, z gleby przenika do wód. Wchodzi także w skład produktów takich jak np. baterie, akumulatory, stara amunicja czy dodatki do paliw.

Rtęć jest metalem płynnym, rozpadającym się z łatwością na małe kuleczki, co zwiększa powierzchnię jej parowania. Można znaleźć ją wszędzie tam, gdzie produkuje się termometry i barometry, aparaturę badawczą, materiały wybuchowe oraz w przemyśle farmaceutycznym i chemicznym.

Związki arsenu wchodzą m. in. w skład pestycydów, barwników i niektórych lekarstw, kadm natomiast występuje w dużych ilościach na obszarach uprzemysłowionych oraz w dymie tytoniowym (według specjalistów to właśnie ten metal stanowi główny czynnik wywołujący raka płuc).

Do usuwania tych i innych toksycznych produktów przemysłu można użyć roślin, które z zadaniem tym radzą sobie coraz lepiej (metodę tę nazwano fitoremediacją). Istnieją takie gatunki, które poza wysoką tolerancją i zdolnością do akumulacji metali ciężkich, charakteryzują się także wysokim przyrostem biomasy (zwykle roślina reaguje na stres spowolnieniem wzrostu). Oczywiście, zdolności do pobierania określonego metalu ciężkiego zależą od właściwości fizyko-chemicznych gleby czy obecności mikroorganizmów współpracujących z organizmem roślinnym.

Najbardziej popularne rodzaje fitoremediacji to m.in.: fitoekstrakcja (metal jest akumulowany w częściach nadziemnych roślin, które następnie niszczy się), fitodegradacja (zanieczyszczenia organiczne są przekształcane na związki nietoksyczne przez układ enzymatyczny rośliny), fitostabilizacja (wydzieliny korzeniowe unieruchamiają toksyny w glebie i zapobiegają ich dalszemu rozprzestrzenianiu się) czy fitowolatyzacja (związki toksyczne są rozkładane do nietoksycznych form lotnych i uwalniane do atmosfery).

Najlepszymi akumulatorami zanieczyszczeń okazały się niektóre rośliny z rodziny Brassicaceae (Kapustowate) – w tym najbliższy ideałowi rzepak (Brassica napus). W rzepaku jony metali nie są transportowane do nasion (zatem można je potem wysiać bez żadnego ryzyka), a masę poremediacyjną można wykorzystać do produkcji biopaliwa czy smarów.


Wartościowe odpady

W dobie prognozowanego kryzysu energetycznego warto wspomnieć o biogazie (mieszanina 40% dwutlenku węgla i 60% metanu), który okazuje się cennym biopaliwem. Substratami niezbędnymi do jego wytworzenia są m. in. różnego rodzaju odpady – odchody zwierząt hodowlanych, wywary pogorzelniane, odpady poubojowe czy osady z oczyszczalni ścieków, które poddaje się fermentacji metanowej.

Proces ten polega na rozkładaniu cząsteczek związków organicznych w czterech etapach do związków prostych z wydzieleniem metanu. Najbardziej metanogenna jest faza ostatnia – uzyskuje się z niej aż 72% metanu. Otrzymany agrogaz wymaga jeszcze oczyszczenia go z wody, domieszki wodoru, siarkowodoru, tlenu i azotu, które znajdują się w nim bezpośrednio po fermentacji.

Proces fermentacji metanowej jest ściśle kontrolowany – bakterie muszą mieć zapewnione optymalne warunki - większość z nich preferuje środowisko beztlenowe i temperaturę 37 - 420C .

Otrzymany biogaz spalany jest w silnikach spalinowych, a z uzyskanej energii elektrycznej otrzymuje się ciepło. Co ważne, z procesu utylizacji w biogazowni uzyskuje się nie tylko energię odnawialną, ale nie ma też emisji dwutlenku węgla do atmosfery. Na dodatek przefermentowana biomasa wykazuje wyższą o 95% mineralizację i zredukowaną ilość substancji szkodliwych (w porównaniu z materiałem początkowym), przez co wzrasta wydajność nawożenia.

Najwyższym rozwojem energetyki biogazowej poszczycić się mogą Niemcy, którzy dodatkowo uzdatniają biogaz i wprowadzają go do sieci gazu ziemnego (taki uszlachetniony biogaz zawiera ponad 96% metanu). Obecnie zasila się w ten sposób np. sieć gazową Monachium. Biogazownie pojawiają się tam jak grzyby po deszczu, w przeciwieństwie do Polski, gdzie mają one więcej przeciwników niż zwolenników, a wszystko za sprawą... nieprzyjemnego zapachu.


Nauka przyszłości

Poznanie przeprowadzanych przez naturę procesów biologicznych nie tylko pomaga likwidować zanieczyszczenia w sposób przyjazny środowisku, ale także pozwala zapobiegać dalszemu jego niszczeniu i rabunkowej eksploatacji zasobów naturalnych. Biodiesel produkowany w coraz większych ilościach może okazać się następcą ropy naftowej, oczyszczalnie ścieków ułatwiają proces utylizacji zanieczyszczeń poprzez wykorzystanie osadu czynnego (tlenowa metoda oczyszczania ścieków z wykorzystaniem mikroorganizmów naturalnie występujących w środowisku wodnym, w sztucznie stworzonych zbiornikachz napowietrzaniem), a wysoki poziom ekonomiczności i ekologiczności w produkcji energii sprawia, że biogazownie cieszą się coraz większym zainteresowaniem m.in. w Szwecji czy Niemczech. Doświadczenie tych krajów pokazuje, że działalność na rzecz ochrony środowiska może również okazać się bardzo opłacalnym biznesem.

Joanna Stojak



                              Organizmy wykorzystywane przez człowieka w walce z zanieczyszczeniami i odpadami:

                                                                               Bioremediacja

                                                      Bakterie tlenowe: Pseudomonas, Vibrio-Aeromonas, Bacillus, Micrococcus

Bakterie beztlenowe: Methanospirillum, Geobacter metallidurans

       Grzyby: Aspergillus ochraceus, Penicillium janthinellum, Bjerkandera sp.

Fitoremediacja

                                                 Brassica napus (rzepak), Brassica juncea, Populus L. (topola), Salix L. (wierzba), T.caerulescens, Medicago sativa (lucerna siewna), Sinapis alba (gorczyca biała)

Osad czynny

bakterie z rodzajów Pseudomonas, Eutrobacter

Bacillariophyta (okrzemki), Rhizopoda (korzenionóżki), Flagellata (wiciowce), Ciliata (orzęski)

Biogazownie

bakterie metanogenne z rodzajów: Methanobacterium, Ethanobrevibacter, Methanococcus, Methanogenium, Methanothrix

Bałagan z gmo

Utworzono: wtorek, 21, kwiecień 2009 Anna Leszkowska

W grudniu ub. r. ukazał się raport Najwyższej Izby Kontroli * dotyczący postępowania z organizmami genetycznie zmodyfikowanymi. NIK ocenia negatywnie zakres działań podejmowanych w sprawach dotyczących uwalniania do środowiska organizmów genetycznie zmodyfikowanych (GMO).

Czytaj więcej...

Czy grozi nam atak klonów?

Utworzono: niedziela, 24, kwiecień 2016 Joanna Stojak

Codziennie dookoła nas rozwijają się tysiące klonów – bakterie, jednokomórkowce, rozmnażające się wegetatywnie rośliny – w każdym z tych przypadków powstają nowe, prawie lub całkowicie identyczne genetycznie organizmy. Obecnie jednak termin
klonowanie nabiera nowego, często budzącego niepokój znaczenia. Czy słusznie?

 

Kto w tym macza palce

 

Idea klonowania popularna jest w dziejach ludzkości od czasów starożytnych. W ten właśnie sposób zachowano przez tysiąclecia pożądane cechy roślin uprawnych, m.in. winorośli, tak istotnych do wyrobu wina. Termin klonowanie został wprowadzony w XX wieku przez brytyjskiego genetyka i biologa, Johna B. Haldane’a.


Klonowanie organizmów zwierzęcych jest procesem polegającym z reguły na przeniesieniu jądra komórki somatycznej dawcy do pozbawionej wcześniej własnego jądra komórki jajowej biorcy. W wyniku tego działania powstaje funkcjonalna zygota. Transfer ten przeprowadza się w obrębie komórek tego samego gatunku, ponieważ przeprowadzone do tej pory próby uwzględniające różne gatunki zazwyczaj okazywały się nieskuteczne.


Niezwykle istotne w całym procesie jest odpowiednie przygotowanie komórek używanych do klonowania. Zarówno komórka, z której pobiera się jądro, jak i komórka jajowa muszą znajdować się w tej samej fazie cyklu komórkowego (np. gdy w obu zachodzi synteza mRNA). Komórki dawcy powinny również zostać dobrane tak, aby w czasie przeprowadzania eksperymentu nie zachodziła w nich replikacja DNA. Można to kontrolować poprzez hodowanie komórek na ubogiej w składniki odżywcze pożywce, gwarantującej przejście komórek w stan spoczynku. Połączenie obu składników – jądra komórkowego i komórki jajowej – i rozpoczęcie podziałów powstałej hybrydy wymaga potraktowania ich słabymi impulsami elektrycznymi.


W przypadku klonowania roślin doprowadza się do odróżnicowania komórek dawcy do komórek merystematycznych, czyli tkanki twórczej. Tkanka ta, składająca się z dużego jądra komórkowego i niewielkich wakuoli, zdolna jest do regularnych podziałów komórkowych, w wyniku których powstają potomne komórki dające początek tkankom stałym.


W genetyce wyróżnić jeszcze można klonowanie genów. Technika ta pozwala na uzyskanie wielu kopii tego samego genu. Wybrane fragmenty materiału genetycznego łączy się z cząsteczką wektora molekularnego, co pozwala na przeniesienie ich i namnażanie w innym organizmie.


Powszechnie panujący w społeczeństwie pogląd głosi, że wszystkie uzyskane klony są identyczne. Jednak prowadzący do ich powstania proces jądrowy sprawia, że nie jest to prawdą. W trakcie łączenia jądra komórkowego dawcy z komórką jajową biorcy wymienia się jedynie materiał genetyczny znajdujący się w genomie jądrowym. Informacja zawarta w genomie mitochondrialnym biorcy pozostaje nietknięta. Faktem jest, że mitochondrialne DNA wnosi minimalny wkład w proces dziedziczenia cech, przez co jego pozostawienie w zygocie nie stanowi przeszkody w klonowaniu.

 

Jak wskrzesić dinozaury

 

Pierwszym sukcesem w klonowaniu zwierząt było sklonowanie przez Johna B. Gurdona w 1958 roku żaby Xenopus laevis. Najbardziej znanym przykładem jest jednak owca Dolly – pierwszy sklonowany ssak (w 1996 roku). Do jej stworzenia wykorzystano komórki pobrane z gruczołu mlekowego dorosłej owcy, których wyodrębnione jądra komórkowe przeniesiono do komórek jajowych innej owcy. W wyniku tych działań uzyskano dwadzieścia dziewięć gotowych do wszczepienia zarodków, z których tylko jeden udało się doprowadzić do końca eksperymentu. Udowadnia to, że jedną z poważniejszych wad klonowania jest wysoka wadliwość i krótka żywotność tworzonych zygot.

Owca Dolly przeżyła tylko sześć lat, stanowiła jednak niezbity dowód na to, że możliwe jest sklonowanie całego organizmu z wykorzystaniem materiału genetycznego pobranego z dowolnej części ciała, z komórek somatycznych w pełni rozwiniętych i zróżnicowanych.


Do tej pory naukowcom udało się sklonować wiele różnych gatunków zwierząt, m.in. małpę, świnię, kota, krowę, mysz, muszkę owocową, psa, wilka czy konia. Rozbudziło to w badaczach nowe marzenia i pomysły, w tym ideę przywracania do życia gatunków wymarłych. Wciąż jednak pozostaje to ideą tylko, ale badania i próby trwają.
 

Projekty zakładające wskrzeszenie gatunków wymarłych napotykają kilka głównych trudności.

Pierwszym niewątpliwie jest brak odpowiedniego materiału genetycznego. Kopalne lub pozyskane z prób muzealnych DNA cechuje jego niewielka ilość i wysoki stopień pofragmentowania, zatem niska jakość. Oznacza to brak kompletnych danych i tym samym niemożność odtworzenia pełnego genomu wymarłego gatunku.


Kolejnym problemem jest fakt, że w procesie klonowania należy przeprowadzić transfer jądra komórkowego, których naukowcy nie posiadają. Jedynym narzędziem mógłby być wyizolowany „nagi” DNA, nie wiadomo jednak jaki byłby tego efekt.
Nawet jeśli udałoby się pokonać wyżej wymienione trudności, pojawia się pytanie:  kto mógłby zostać donorem komórki jajowej? Jak wspomniano wcześniej, eksperymenty przeprowadzane z wykorzystaniem komórek różnych gatunków nie były zbyt efektywne.

 

Ludzie z probówek

 

Sukcesy w klonowaniu zwierząt nasunęły niektórym naukowcom myśl o klonowaniu ludzi. Idea ta spotyka się jednak z potępieniem ze strony społeczeństwa, środowisk naukowych, politycznych i religijnych, wzbudzając wiele kontrowersji etycznych.
W roku 1997 w wydanej przez UNESCO Powszechnej Deklaracji o Genomie Ludzkim i Prawach Człowieka prawnie zakazano klonowania.


Pierwsze doniesienia o udanym sklonowaniu pluripotentnych komórek macierzystych z blastocyst pojawiły się w 2004 roku i pochodziły z południowej Korei. Mimo, iż informacje okazały się fałszywe, wzbudziły ogólnoświatowy niepokój i rozpoczęły zagorzałą dyskusję wyłaniającą za i przeciw klonowania człowieka.


Niedoskonałości techniczne i powszechnie występujące w komórkach ludzkich mutacje somatyczne pozwalają na postawienie tezy, że tworzone ludzkie klony cechować będą liczne, uniemożliwiające poprawne funkcjonowanie nowego organizmu, zaburzenia genetyczne.
Proces klonowania niewątpliwie ogranicza naturalną zmienność i powstawanie cech przystosowawczych do warunków środowiskowych, a także prowadzi do zanikania wielu niezwykle istotnych procesów, warunkujących dziedziczenie. Skutkuje to niższym przystosowaniem sklonowanego organizmu.


Ludzie boją się sklonowania człowieka. Zbyt wiele niewiadomych i zbyt wiele pytań niesie ze sobą ta możliwość. Czy poprawianie natury jest etyczne? Co z unikatowością i godnością człowieka? Genetycznie bylibyśmy nieśmiertelni, jednak czy z biologicznego punktu widzenia jest to opłacalne? Przecież punktem wyjścia w procesie klonowania jest dojrzała komórka, zatem stworzony organizm od razu ma określony wiek.

Klonowanie całych organizmów budzi zatem wciąż więcej negatywnych niż pozytywnych emocji.
Ale klonowanie może dotyczyć nie tylko całych organizmów. Komórki macierzyste mogą się różnicować do wszystkich typów komórek, zatem pozyskiwanie ich techniką klonowania potencjalnie znajduje zastosowanie terapeutyczne.

Jedni uznają więc klonowanie za szansę, inni za zagrożenie. Wciąż jednak nie widać na horyzoncie jednego, odpowiadającego wszystkim rozwiązania tego sporu. Nauka się jednak ciągle rozwija, zatem ustalenie statusu prawnego tej techniki staje się naglące.   

Joanna Stojak

Instytut Biologii Ssaków PAN w Białowieży

  

Encyklopedia życia dla dociekliwych

Utworzono: wtorek, 21, kwiecień 2009 Joanna Szlichcińska

Skończyły się drugie już warsztaty „DNA - Encyklopedia Życia". Ta ogólnopolska poświęcona biotechnologii impreza (której patronuje m.in. nasza redakcja), podobnie jak dwa lata temu, cieszyła się dużym zainteresowaniem - ocenia się, że uczestniczyło w niej (w całej Polsce) około czterech tysięcy osób.

Czytaj więcej...

DMC Firewall is developed by Dean Marshall Consultancy Ltd