Biologia molekularna – krok w przyszłość
Wśród przełomowych odkryć biologii należy wymienić wprowadzenie w latach 70 XX w. technologii sekwencjonowania kwasów nukleinowych, co doprowadziło do przełomu w badaniach nad filogenezą organizmów żywych oraz umożliwiło poznanie struktury genomów wielu gatunków drobnoustrojów, roślin, zwierząt i człowieka.
W latach 80 XX w. wprowadzono molekularną miarę stopnia pokrewieństwa organizmów żywych w oparciu o sekwencję genu rybosomalnego RNA. Dlatego też np. identyfikacja nowych gatunków drobnoustrojów nie jest możliwa bez ustalenia sekwencji genu kodującego 16S rRNA, którego transkrypt jest podstawowym składnikiem małej podjednostki rybosomu.
Przełom w rozwoju technik molekularnych nastąpił w 1985 r., kiedy Kary Mullis przedstawił społeczności naukowej reakcję łańcuchowej polimerazy (PCR), która praktycznie pozwala na tworzenie nieograniczonej liczby kopii określonego fragmentu DNA w reakcji in vitro w pojedynczej probówce. Metoda spotkała się z wielkim zainteresowaniem naukowców i niewątpliwie jej zastosowanie w badaniach przyczyniło się do ogromnego postępu w biologii molekularnej, która istotnie wpłynęła na rozwój wielu dyscyplin biologii, a także medycyny, biotechnologii, farmacji czy rolnictwa.
Kolejnym osiągnięciem jest klonowanie genów w komórkach prokariotycznych i eukariotycznych, które umożliwia m.in. syntezę białek i hormonów stosowanych w farmakologii (np. wykorzystanie komórek pałeczki okrężnicy z wklonowanym genem ludzkiej insuliny do masowej produkcji tego hormonu).
Prawdziwą furorę robi obecnie biologia molekularna. Dlaczego?
Badania molekularne przyczyniają się m.in. do postawienia szybkiej i trafnej diagnozy schorzeń uwarunkowanych genetycznie, jak również wielu chorób zakaźnych i inwazyjnych. Techniki biologii molekularnej pozwalają na identyfikację mutacji w genomie człowieka, zwiększających prawdopodobieństwo rozwoju danego schorzenia, m.in. różnych typów nowotworów złośliwych, cukrzycy, choroby Alzheimera czy miażdżycy. W przypadku chorób zakaźnych techniki biologii molekularnej umożliwiają szybką identyfikację patogenu bezpośrednio w materiale pobranym od pacjenta, w próbce żywności bądź w próbce środowiskowej. W oparciu o metody molekularne wykrywane są geny drobnoustrojów kodujące charakterystyczne dla danego drobnoustroju białka odpowiedzialne za chorobotwórczość lub warunkujące oporność na antybiotyki. W przypadku chorób infekcyjnych bardzo istotne jest ustalenie dróg rozprzestrzeniania się drobnoustrojów, np. w warunkach szpitalnych. Współczesne metody molekularne umożliwiają prześledzenie drogi transmisji patogenu i ustalenie źródła zakażenia poprzez ustalanie typów genetycznych w obrębie gatunku. Czas wykonania analiz genetycznych wynosi około kilku godzin, natomiast zastosowanie klasycznych technik mikrobiologicznych lub parazytologicznych jest związane z kilkudniowym oczekiwaniem na ostateczny wynik.
Jak w związku z tym zmieniły się – na przestrzeni ostatnich lat laboratoria analityczne i diagnostyczne?
Aktualnie w laboratoriach o różnym profilu badawczym wykorzystuje się podobne techniki analityczne, wymagające wiedzy z zakresu biologii, chemii i nauk pokrewnych oraz podstawowego przygotowania praktycznego. Wiedza na temat budowy i właściwości kwasów nukleinowych oraz oparte o nią techniki molekularne są szybko wdrażane do praktyki laboratoryjnej. Techniki molekularne stanowią dzisiaj integralną część standardowej praktyki diagnostycznej, umożliwiającej np. wykrywanie niebezpiecznych chorób oraz wczesne rozpoczęcie działań profilaktycznych.
Zmiany, jakim uległy laboratoria analityczne i diagnostyczne, dotyczą głównie wprowadzenia nowoczesnych i wielofunkcyjnych aparatów badawczych, umożliwiających w pełni zautomatyzowaną izolację biomolekuł (np. ekstrakcja kwasów nukleinowych) oraz przeprowadzanie ich jakościowej i ilościowej analizy (np. termocyklery, automatyczne sekwenatory DNA). Od wielu lat można odnotować tendencję do miniaturyzacji tych urządzeń, skrócenia czasu pojedynczej analizy oraz poszerzanie spektrum wykonywanych badań przez dany bioanalizator.
Czy badania prowadzone z użyciem metod molekularnych prowadzone są również w kierowanym przez Panią instytucie?
Badania z użyciem metod molekularnych prowadzone są w Instytucie Biologii od kilkunastu lat. Pierwsze badania, w których zastosowano reakcję łańcuchowej polimerazy (PCR) dotyczyły identyfikacji genów zjadliwości patogennych bakterii z gatunku Yersinia enterocolitica, a ich wyniki opublikowaliśmy w 1997 r. Badania te prowadziliśmy współpracując z Wojskowym Instytutem Higieny i Epidemiologii w Warszawie. Od tego czasu ciągle stosujemy metody molekularne w badaniach mikrobiologicznych. W oparciu o te metody dokonujemy identyfikacji gatunków bakteryjnych, identyfikujemy geny kodujące białka warunkujące chorobotwórczość drobnoustrojów lub mechanizmy oporności na antybiotyki. W celu ustalenia dróg transmisji różnych patogenów ludzkich i zwierzęcych wykorzystujemy metody molekularne charakteryzujące się dużą siłą dyskryminującą, co pozwala na wykrywanie subtelnych różnic genetycznych między izolatami bakteryjnymi. Jesteśmy autorami metod opartych o techniki molekularne, które pozwalają na szybkie wykrywanie niektórych patogennych grup bakterii w żywności, np. w mięsie, mleku. Diagnostyka molekularna patogenów człowieka transmitowanych przez kleszcze prowadzona jest w ramach współpracy wieloośrodkowej (Instytut Parazytologii PAN, Warszawski Uniwersytet Medyczny oraz Instytut Gruźlicy i Chorób Płuc w Warszawie).
Metody molekularne wykorzystywane są także w badaniach dotyczących oceny poziomu ekspresji genów zaangażowanych w powstawanie reaktywnych form tlenu oraz uczestniczących w mechanizmach przeciwutleniających w siewkach kukurydzy zaatakowanych przez mszyce zbożowe oraz w badaniach aktywności transkrypcyjnej genów uczestniczących w syntezie i przemianach 2-fenyloetyloaminy w siewkach kukurydzy i gryki, poddanych oddziaływaniu jasmonianu metylu. Metody molekularne wykorzystywane są także w badaniach ornitologicznych prowadzonych przez pracowników Instytutu Biologii. Dotyczą one analizy równowagi genetycznej wybranych populacji gatunków ptaków. Techniki molekularne stosowane są również do oznaczania płci piskląt w lęgach oraz ustalania ojcostwa u ptaków.
W siedleckiej uczelni rusza nowy kierunek studiów – analityka z diagnostyką molekularną. Jakimi umiejętnościami będą mogli pochwalić się jego absolwenci?
Najogólniej mówiąc takimi, które pozwalać będą na przeprowadzenie szybkiej i precyzyjnej analizy materiału biologicznego, w tym: klinicznego, roślinnego, tkanek ludzkich, zwierzęcych, żywności i próbek środowiskowych.
W odróżnieniu od innych uczelni, które w ofercie dydaktycznej mają kierunki przygotowujące do pracy w określonym rodzaju laboratorium, nasz absolwent będzie kompetentny do prowadzenia analiz w różnych typach laboratoriów: medycznych, weterynaryjnych, środowiskowych, przemysłowych oraz w laboratoriach wykonujących analizy żywności, kosmetyków i farmaceutyków.
Pytanie, jakie zada każdy z zainteresowanych nowym kierunkiem: czy będę miał pracę?
Propozycja kształcenia studentów, którzy już w trakcie studiów opanują zarówno umiejętności praktyczne, jak i podstawy teoretyczne analiz z wykorzystaniem diagnostycznych technik molekularnych – w szerszym niż na innych kierunkach przyrodniczych zakresie, została pozytywnie oceniona przez interesariuszy zewnętrznych. Poza tym ukończenie analityki z diagnostyką molekularną pozwoli w sposób szybki i płynny dostosować warsztat pracy do oferty rynkowej, w tym oferty tysięcy małych firm biotechnologicznych, których powstanie prognozuje się w najbliższych latach również w naszym kraju.
Dziękuję za rozmowę.
KL