Wstęp do przetrwania. Kwas DNA.
Różni są królowie życia, a ja najbardziej zapamiętałem tych z restauracji „Soplica” , która dawno, dawno temu mieściła się w moim bloku mieszkalnym na ul. Głogowskiej w Poznaniu. Oj, tam to dopiero przesiadywali prawdziwi królowie życia, mieli w sobie super kwas DNA, z apaszką pod szyją, w kolorowych koszulach, białych skarpetkach i super laczkach na nogach, a po biesiadzie w restauracji chwiejnym krokiem i z trudno zdobytym piwem w ręku przychodzili na nasze podwórko położone na tyłach. W takich okolicznościach przyrody usiłowali grać z nami w piłkę nożną, a w zasadzie stali tylko na bramce (trzepaku). Gdy wzięliśmy pijaczków na celownik i piłki z impetem uderzały w ich gębę i korpus, w większości przypadków królowie polegli i zniknęli tak szybko jak się pojawili. Przetrwali tylko ci, którzy mieli w sobie geny przetrwania. I tak samo jest w naturze, według prawa Darwina i doboru naturalnego, geny są poddane nieustannej presji środowiska i tylko te organizmy, które zdołają się przystosować – poprzez ekspresję potrzebnych im genów (jeśli je mają) – mogą dalej się rozmnażać i przetrwać. Wtedy te cenne geny przekazywane są potomstwu i u nich się ujawniają, a to właśnie nazywamy dziedziczeniem. No i mamy, Moi Drodzy, wstęp do genetyki, i gdybyśmy selekcjonowali naszych bohaterów pod kątem wytrwałości i waleczności na bramce, stworzylibyśmy jeszcze lepsze kopie lowelasów. I tak to właśnie działa, a o wszystkim decydują geny i DNA – prawdziwy król życia, bo bez niego nic się nie uda.
Co to jest gen ?
W ostatnim odcinku o organizmach NO GMO pisałem, że geny można zmieniać, usuwać lub dokładać nowe – często pochodzące od obcych gatunków, aby wzmocnić pożądany przez nas efekt. Tym trudni się inżynieria genetyczna. Geny nie są niczym nowym ani dodatkowym, tak nazywa się po prostu poszczególne odcinki DNA, a dokładniej sekwencje nukleotydów, które są częściami składowymi DNA. Każdy gen różni się od siebie ułożeniem jego części czyli sekwencją, niektóre geny są krótkie, a niektóre długie. Geny decydują o wszystkim w organizmie poprzez uruchamianie produkcji właściwych białek i w odpowiedniej kolejności czego przejawem zewnętrznym jest pojawienie się konkretnej cechy np. niebieskich oczu, ciemnej skóry, dobrej mleczności itd. Jest to dość skomplikowane, a opiera się na biosyntezie białka. Życie na ziemi oparte jest na białkach, zatem najważniejszą kwestią jest odpowiednie sterowanie ich wytwarzaniem i wtedy gdy jest tego potrzeba. Taką funkcję nadzorczą mają właśnie geny, a według terminologii jeden gen odpowiada za wytworzenie tylko jednego białka. Żeby uzyskać widoczny efekt potrzeba jednak wielu białek, a więc geny muszą być ułożone w nici DNA po kolei według odpowiedniego porządku i tworzy się w ten sposób cały zestaw genów zwany kodem genetycznym. Zestaw genów nazywa się też często genomem. Jest to ogół materiału genetycznego mieszczący się w komórce. Są jednak geny (części DNA) aktywne czyli kodujące i nieaktywne, które nic nie robią, a taki odcinek DNA w którym są nazywa się „śmieciowym”. Znam nawet sporo typków, którzy nie robią nic przez całe życie i w zasadzie wygląda na to, że ich DNA w 100% jest śmieciowe, ale jednak dają radę i trwają. Przez słowo: „kodować” należy rozumieć przekazywanie informacji co i jak ma być zrobione, jakby przepisu na placek z kruszanką. Jeśli będziesz dokładnie go wypełniać, to otrzymasz taki placek jaki miał być, a jeśli coś zmienisz, to otrzymasz coś innego. Żeby otrzymać to co się chce, istotne jest najpierw poznanie genów, który i za co odpowiada, a taki proceder nazywamy mapowaniem. Naukowcy starają się zlokalizować miejsca genów i śledzą je za pomocą markerów genetycznych. Marker to właściwość zauważalna w wyglądzie organizmu, a powiązana z danym genem. Łącząc sprawę wytwarzania białek i kodowania możemy teraz stwierdzić, że kawałek DNA zwany genem jest po prostu kodem mówiącym całej biochemicznej machinie w organizmie co ma robić. Machina odczytuje po kolei geny, jak paciorki różańca i działa według założeń. To tak jakbyś miał listę: ubierz się, idź do sklepu, kup szampon, wróć do domu, umyj głowę itd., a każdą czynność zapisałbyś sobie na kartce symbolem obrazkowym. Wystarczy więc odczytywać listę i działać, w sekwencji zdarzeń jaka została określona.
Allele – dwie odmiany tego samego genu
Żeby nie było tak prosto, wspomnę, że każdy gen ma swoje dwie odmiany, jedna jest dominująca i na pewno dojdzie do głosu – czyli cecha, za którą odpowiada ujawni się w wyglądzie zewnętrznym, a druga recesywna czyli uległa wobec tej pierwszej (ujawni się tylko w sprzyjających warunkach). Te odmiany jednego genu nazywane są allelami. Mogą być cztery kombinacje par odmian: jedna dominująca (AA), jedna recesywna (aa), i dwie mieszane: dominująca + recesywna (Aa) oraz recesywna + dominująca (aA). Allele położone są naprzeciwko siebie w tzw. locci czyli w garażu. Organizm z podwójnymi genami (odmianami) nazywany jest w skrócie 2n (mają podwójny garnitur genów). Jedynie komórki rozrodcze (plemniki i komórki jajowe) są 1n czyli mają tylko pojedyncze wersje genów (pojedynczy garnitur), bo powstają na skutek rozdziału alleli i tylko po jednym z nich trafia do potomka od każdego z rodziców. Dzięki temu potomstwo znów ma podwójną pulę genów po połączeniu ich w całość. I tutaj dochodzimy do najważniejszego aspektu tego procederu, bo żeby przekazać cenne geny musi dojść do rozrodu, odpowiedniego krzyżowania się, tak aby właściwe allele trafiały do potomstwa. Dlatego w hodowli tak ważna jest selekcja czyli dobór do rozrodu, a nie brakowanie najgorszych egzemplarzy. Najkorzystniejsze okazują się być pary: Aa i aA zwane heterozygotami. Tak się już porobiło, że to one odpowiadają za witalność, zdrowotność, wysoką wydajność, za cechy przez nas pożądane, a homozygoty: aa, AA prowadzą do uwsteczniania się czyli depresji włącznie z ciężkimi powikłaniami chorobowymi (np. zaniku czaszki, kręgosłupa itp.). Na tych prawidłowościach zasadza się cała genetyka użytkowa, a tym więcej wystąpi potrzebnych heterozygot im większa będzie zmienność genetyczna, stąd tak ważne są krzyżówki międzyrasowe czyli wybujałość mieszańców. „Multi kulti” górą ! Chociaż w krzyżowaniu w czystości rasy też można zwiększać różnorodność genetyczną poprzez krzyżowanie ze sobą różnych linii, które mają inne pochodzenie.
Wszechobecny DNA (inaczej kwas dezoksyrybonukleinowy)
A zatem to on jest najważniejszy, bo w nim – jak w szkatule – pochowane są skarby czyli geny. DNA jest w każdej komórce ciała, w każdym żywym organizmie i każdy gatunek ma swój specyficzny kod genetyczny. DNA ma wygląd niewinny i nieskomplikowany. Składa się z dwóch nici połączonych ze sobą wiązaniami w poprzek i które są razem skręcone dookoła własnej osi, dzięki czemu układ wygląda tak samo jak skręcona drabina. Jeśli tę drabinę przetniesz pionowo na dwie połowy, a każdą z nich na poziome kawałki to otrzymamy nukleotydy, które są podstawowym elementem funkcjonalnym DNA. Żeby nie wchodzić w szczegóły budowy biochemicznej, mówi się w genetyce, że nici DNA łączą się ze sobą na zasadzie komplementarności. Nie można łączyć ich dowolnie. Nukleotydy pasują do siebie jak puzzle czyli każdy z nich połączy się zawsze tylko ze ściśle określonym elementem, a nie według zasady: „róbta co chceta”. Nukleotydy na pierwszej nici decydują lub warunkują to, z jakimi nukleotydami połączą się na drugiej nici. Taki porządek rzeczy wykorzystywany jest w replikacji DNA czyli odtwarzaniu się nici, po ich rozdzieleniu. Tak dzieje się podczas podziałów komórkowych, gdy każdy organizm wzrasta od etapu zygoty (dwóch komórek) i dzięki temu w każdej komórce ciała jest taki sam zestaw DNA czyli genów, choć podczas życia komórki nie wszystkie odcinki DNA są wykorzystywane w taki sam sposób. Komórki w zależności od pełnionej funkcji korzystają tylko z niektórych jego odcinków i wykorzystują to co jest im potrzebne (dlatego komórki różnią się między sobą wyglądem).
Dlaczego DNA jest cudem natury ?
James Watson i Francis Crick pierwsi na świecie opracowali model pierwszej cząsteczki DNA na Uniwersytecie Cambridge w 1953 r. DNA jest uważany za nośnik informacji genetycznej dla wszystkich organizmów, a informacje zawarte w tej substancji podlegają dziedziczeniu czyli przekazywaniu następnym pokoleniom – poprzez gamety rozrodcze. Na świecie nie ma takiego pendrive’a, który mógłby zawierać tyle danych ile zapisanych jest w strukturze DNA. Zlokalizowane jest głównie w jądrze komórkowym – tam jest pełen zestaw. DNA może mieć nawet do 2 metrów długości, co wydaje się niewyobrażalne, skoro mieści się w małej komórce, której nie widać gołym okiem. Żeby długie nici zmieściły się tam, gdzie powinny, nawinięte są na specjalnie towarzyszące im białka – nukleosomy. W ten sposób wygląda struktura pakująca (to tak jakbyś z plików elektronicznych utworzył paczkę, żeby skompresować w niej dane i nie potrzebujesz już tyle pojemności). To tak, jakbyś wyrzucił na ziemię swoje żyłki wędkarskie i to rozwinięte, i zrobi się z tego bałagan, a potem żyłki nawiniesz na małe bębenki, to nagle zrobi się miejsce i długie żyłki będą upakowane oraz uporządkowane. Tak powstaje chromatyna czyli DNA nawinięte na system białek. Dzięki niej działa natura i upakowuje ogromną ilość nici – nukleotydów w jednym miejscu. To właśnie jest cudem. A drugim są chromosomy, które można łatwo obserwować pod mikroskopem. Chromosomy powstają przed podziałem komórek poprzez zagęszczanie chromatyny, struktura DNA tworzy wtedy fizyczny i specyficzny twór podobny do pałeczek, które ustawiają się w pary. Potem pary chromosomów ulegają skopiowaniu i dodatkowe twory są przekazywane do nowych komórek. Jeśli akurat tworzy się plemnik lub komórka jajowa, to chromosomy rozdzielają się bez kopiowania i w ten sposób redukuje się zawartość genomów o połowę. Jakie geny i gdzie trafią, a przede wszystkim jaki plemnik połączy się z komórką jajową, to zależy już od losu. Na każdym chromosomie są inne geny, a więc podczas rozrodu możemy uzyskać olbrzymią ilość możliwości. Twoja poczciwa krowa ma 60 chromosomów czyli 30 par, a na nich zapisane jest wszystko to co chciałbyś wiedzieć o krowach. Żubr i bizon mają tyle samo chromosomów, a więc gatunki mogą się ze sobą krzyżować.
Jak oceniać geny ?
Cała istota sprawy zasadza się na rzetelnym i żmudnym ocenianiu fentotypów zwierząt czyli ich wyglądu i wydajności, cech fizycznych, które możemy zaobserwować i zmierzyć, a na których nam zależy. Samych genów nie potrafimy zmierzyć. W teorii Darwina to natura działała na genotypy i wchodziła z nimi w interakcję powodując, że przeżywały najsilniejsze osobniki w ramach selekcji naturalnej. W hodowli to my wywołujemy presję i określamy warunki. Zespół cech, które bierzemy pod uwagę przy ocenie przydatności danych sztuk do dalszej hodowli nazywamy indeksem selekcyjnym i to my sami określamy co bierzemy w nim pod uwagę ? Kiedyś porównywało się wydajność potomstwa po tych samych rodzicach albo tylko po buhaju i powstawał model ojca. Teraz ocenia się często całe populacje zwierząt i powstają skomplikowane macierze, bazy danych o zwierzętach i na rodziców kolejnego pokolenia wyszukujemy te osobniki, których wydajność jest wyższa od średniej w całej populacji. Zatem różnica między odchyłką na plus, a średnią jest właśnie postępem hodowlanym. Cała baza danych i rodowody są naszymi narzędziami selekcyjnymi. System ma jednak pewne wady, bo po pierwsze musimy wyeliminować wszelkie niegenetyczne czynniki wpływające na wydajność, aby móc „czytać” ekspresję samych genów, a populacje muszą być ze sobą mocno spokrewnione, ale dzięki inseminacji jest to łatwe do osiągnięcia. Niestety rośnie z czasem inbred czyli spokrewnienie osobników, jeśli jest zbyt duże to rośnie niekorzystny wpływ depresji inbredowej. Ważne jest, aby zwierzęta przebywały w jak najlepszych warunkach zoohigienicznych, żywione zgodnie z zapotrzebowaniem, aby geny miały szansę się ujawnić. Jeśli kupisz sobie Porsche i będziesz trzymać je w dziurawej szopie i jeździć po wiejskich, dziurawych drogach z ograniczeniem prędkości do 50 km/h, to nigdy nie skorzystasz z potencjału tego samochodu. Tak samo jest z genami, najpierw muszą być zapewnione doskonałe warunki, a później licz na geny.
Ocena genomowa przyspiesza sprawę
Zanim skończysz czytać ten artykuł, to może rzucisz okiem na tekst o organizmach GMO ?
W klasycznym układzie ocena młodego buhaja trwa bardzo długo, co zwiększa mocno koszty. Musi on dorosnąć, zostać ojcem, a potem trzeba odchować jego córki, musi być oceniona ich laktacja, a zatem muszą być skutecznie inseminowane (bydło mleczne) lub kryte naturalnie na pastwisku (bydło mięsne). Pojawia się duża różnica w pokoleniach. Ocena genomowa polega na ocenie zestawu genów już u cielęcia i na podstawie przewidywania można od razu określić przydatność do rozrodu i zdecydować o losie małych byczków: zostają w stadzie czy też będą opasami ? Ocena genomowa jest obciążona małym błędem, bo ocena fenotypowa jest dokładniejsza (jest po fakcie), jednak duży bonus z uwagi na krótki czas oceny i niższe koszty równoważą ten mankament. W krajach rozwiniętych ocena genomowa jest na porządku dziennym, ale u nas w Polsce dopiero raczkuje i mówi się o otwarciu centrum oceny genomowej. Szkoda, bo dzięki niej moglibyśmy szybko wyłuskać naszych dzielnych królów życia z restauracji „Soplica” bez konieczności poddawania ich bolesnej próbie ognia, a właściwie piłki posyłanej między oczy i w krocze.