Biotechnologie
Pokroky biotechnologií v chovu prasat
Produkce vepřového masa stále čelí mnoha výzvám. U prasat existuje vysoká míra embryonálních ztrát, omezení růstu v děloze a úhynu selat před odstavem. Energie krmiva, zejména na konci růstu, se snadno a rychle ukládá ve formě bílé tukové tkáně. Prasata mají průměrnou schopnost trávit rostlinné zdroje, minerály a vlákninu. Během odchovu a reprodukce jsou náchylná k tepelnému stresu a infekčním chorobám a v neposlední řadě jsou v chovu prasat naléhavě zapotřebí alternativy k používání antibiotik. Čelit těmto výzvám lze snáze pomocí nových biotechnologií, jako jsou klonování, genové inženýrství a tvorba transgenních zvířat.
Biotechnologie
Biotechnologie jsou technologie používané v biologickém výzkumu a aplikacích. V širším slova smyslu mohou být biotechnologie klasifikovány jako klonování zvířat (prostřednictvím jaderného přenosu embryonálních nebo somatických buněk) a genové inženýrství (technologie rekombinantní DNA, editace genů a tvorba transgenních zvířat). Klonování a genové inženýrství jsou dvě různé techniky, ale často jsou kombinovány při vzniku konkrétních zvířat.
Klonování
Klonování je v podstatě přenos jádra z donorové buňky do zralého oocytu, jehož vlastní jádro bylo odstraněno. V praxi může být přenos jader prováděn elektrofúzí dvou buněk, přímou mikroinjekcí jádra (nebo celé buňky) do oocytu nebo odstraněním zony pellucidy z recipientního oocytu s následnou fúzí donorové buňky. Oocyt se vyvíjí do raného stádia embrya v kultivačním médii a poté se implantuje do dělohy dospělé samice, která nakonec porodí zvíře se stejným genetickým složením jako mělo zvíře, jenž darovalo jádro z embryonální nebo somatické buňky (viz schéma 1). Toto mladé zvíře je označováno jako klon, pokud je odvozeno z geneticky identických rodičovských buněk.
Schéma 1. Klonování prasat z embryonálních nebo somatických buněk
Živočišná věda má přibližně 40 let zkušeností s klonováním. V roce 1979 se vědcům podařilo vytvořit první geneticky identické myši štěpením embryí ve zkumavce a následnou implantací do dělohy dospělých samic. Vědcům ze skotského institutu se v roce 1996 po 276 pokusech podařilo vyprodukovat zdravé jehně, známé jako Dolly, z buněk mléčné žlázy dospělých ovcí. Stejně tak u prasat proběhla a probíhá celá řada úspěšných pokusů s klonováním pomocí přenosu emryonálních nebo somatických buněčných jader.
Využití klonování
Jasnou předností klonování je využití pro zachování či obnovu plemen nebo druhů (zejména těch, které jsou ohroženy vyhynutím), čímž se udržuje nebo zvyšuje genetická rozmanitost v populaci. Klonování také umožňuje kastrovaným jedincům s vynikajícími vlastnostmi, aby předali své geny potomstvu. V živočišném zemědělství je hlavním přínosem klonování produkce chovných zvířat. U prasat je zájem o klonování zvýrazněn využitím pro transplantaci orgánů. Klonování je tedy užitečné nejen pro biomedicínský a zemědělský výzkum, ale také pro výrobu léčiv a přírodní genetickou ochranu.
Nedostatky klonování
U klonovaných zvířat je zatím velmi nízká účinnost produkce potomků, jejich špatné zdraví a nízká míra přežití. To může být způsobeno nevhodným přeprogramováním donorové jaderné DNA na metabolicky normální fenotypy nebo nevhodnou interakcí mezi embryem/plodem a dělohou matky příjemkyně. Faktem zůstává, že u prasat dokončí březost pouze 1 až 20 % případů, u 25 % březích příjemkyň se vyvine hydrops plodu (abnormální hromadění tekutin v serózních dutinách) a 20–25 % potomků má vývojové abnormality. Ačkoli proces klonování je přímočarý, výsledky nejsou vždy předvídatelné v důsledku řady komplexních faktorů zahrnujících buněčnou fúzi, embryonální vývoj a funkci mateřské dělohy. Vzhledem k nízké účinnosti je nepravděpodobné, že klonování bude v blízké budoucnosti ekonomicky efektivní pro produkci vepřového masa pro lidskou spotřebu.
Technologie rekombinantní DNA
Molekula rekombinantní DNA (rDNA) je vytvořena laboratorními metodami z genetických materiálů odvozených ze dvou nebo více zdrojů. Sekvence DNA použité při konstrukci molekul rDNA mohou pocházet z jakéhokoliv organismu (bakterií, rostlin a živočichů).
Základní strategií technologie rDNA je vložit požadovaný fragment DNA (např. prasečí DNA) do vektorového nosiče (molekuly DNA nebo plazmidu), který je schopen nezávislé replikace v hostitelské buňce (např. E. coli). Kromě plazmidů (kruhové molekuly DNA, které vznikly z bakterií) jsou dalšími nejčastěji používanými vektory viry a kvasinkové buňky (nechromozomální DNA). Uvnitř hostitelské buňky se může rDNA nesoucí inzert DNA prasete rychle replikovat spolu s bakteriemi, aby se vytvořily miliony kopií plazmidové DNA, která řídí syntézu požadovaného proteinu nebo polypeptidu (viz schéma 2).
Schéma 2. Technologie rekombinantní DNA
Využití rDNA
Technologie rDNA nabízí mnoho využití. Může například modifikovat jeden genový lokus, aniž by se narušil zbytek genomu a má velký význam pro základní výzkum, medicínu a zemědělství. Tato biotechnologie je základem pro produkci transgenních zvířat (včetně prasat). Kromě toho mohou vědci využít technologie rDNA k tvorbě bakterií produkujících proteiny (včetně interferonů, hormonů a krmných enzymů), peptidy, vakcíny, aminokyseliny, mastné kyseliny a vitamíny. Náklady jsou nízké a přínosy obrovské. Například dostupnost esenciálních aminokyselin může podstatně snížit obsah bílkovin v krmivu, čímž se sníží vylučování dusíku do životního prostředí. Odhaduje se, že snížení obsahu proteinů v krmivu o 1 % může snížit vylučování celkového dusíku u rostoucích prasat až o 8,5 %.
Nedostatky rDNA
Nedostatečné informace vyvolávají otázky ohledně biologické bezpečnosti proteinů (např. rekombinantního bovinního růstového hormonu) vytvořených technologií rDNA. Stejně tak existují nejasnosti v potenciálních vedlejších produktech. Dále, vložení nebo delece genu v genomu může ovlivnit funkci nebo stabilitu genů existujících v organismech. Konečně, podmínky kultivace in vitro nemusí být optimální pro vysoké rychlosti transkripce a translace rekombinantních genů v nových buňkách. Řešením těchto důležitých otázek se v současnosti zabývá řada vědeckých týmů.
Editace genů (genomu)
Počáteční metody použité pro generování transgenních hospodářských zvířat měly za následek náhodné vložení transgenu, což vede k nepředvídatelným profilům transgenní exprese. Tyto nedostatky mohou být částečně překonány vývojem genových (genomových) editačních postupů, které používají umělou nukleázu jako molekulární nůžky k vytvoření dvojitého řetězce v DNA na požadovaném genomovém lokusu.
Prvním nástrojem pro přesnou editaci genů byla nukleáza označovaná jako zinkový prst ZFN (z angl. Zinc Finger Nuclease), po ní následovalo objevení návrhářské nukleázy TALEN (z angl. Transcription Activator-Like Effector Nuclease) a v posledních letech získává popularitu systém CRISPR-Cas9 (z angl. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) jako konstruktivní nukleáza k přesnému střihu DNA v určitém bodě. Systém CRISPR-Cas9 se skládá ze dvou složek (endonukleázy Cas9 a vodící RNA). Experimentálně může být vodící RNA navržena s použitím nástrojů molekulární biologie v laboratoři, aby nasměrovala Cas9 na specifickou sekvenci DNA pro štěpení na prakticky libovolném lokusu genomu.
Využití editace genů
Tradiční chov hospodářských zvířat se stále potýká s dlouhými generačními cykly a omezenými genetickými zdroji. Nástroje pro úpravu genomu mohou poskytnout přesnější, předvídatelnější a rychlejší řešení těchto problémů za relativně přijatelných nákladů.
Mnoho laboratoří zaznamenalo úspěch s genovou úpravou prasat, která mohou potenciálně sloužit jako dárci orgánů, modely onemocnění, bioreaktory, mohou inaktivovat prasečí endogenní retroviry nebo zakládat genetické linie se zvýšenou produktivitou (např. svalový růst) nebo odolností vůči nemocem.
Nedostatky editace genů
Ačkoli metoda ZFN poskytla první průlom v úpravách genů na specifickém místě, má jistá omezení. Jednak je drahá, časově náročná a má nízkou účinnost (najednou lze provádět pouze jednu genomovou editaci). Technika TALEN je flexibilnější, protože jeho DNA-vazebná doména může cílit širší rozsah sekvencí DNA, avšak je nákladná a technicky obtížná, pokud se provádí více úprav v genomu současně. O metodě CRISPR-Cas9 je známo, že má vyšší frekvenci účinků mimo cíl.
Navíc u všech v současné době dostupných metod úpravy genů je prenatální úmrtnost plodů s editovaným genomem mnohem vyšší než u kontrolních plodů. Dosud není účinnost úpravy genů u hospodářských zvířat, včetně prasat, optimální. Postupy pro editaci genů by měly být snazší a levnější, aby bylo možné tutu inovativní techniku plošně využívat pro zlepšení chovu zvířat.
Transgenní zvířata
Technologie transgenních živočichů umožňuje zavedení cizího genu do zvířete, aby se vytvořila žádoucí užitková vlastnost (např. intenzivní růst svalové tkáně, vysoká konverze krmiva nebo syntéza proteinu s nutriční aplikací). Ve spolupráci s tradičními šlechtitelskými postupy zlepšuje výkonnost živočišné produkce.
Prasata s vyřazeným myostatinem (inhibitorem růstu svalových buněk) mají výrazně svalnatý fenotyp
Transgenní zvířata mohou produkovat nutričně esenciální mastné kyseliny a aminokyseliny, terapeutické proteiny, nutričně významné proteiny a enzymy, které eliminují antinutriční faktory. Posledně uvedený přístup může zlepšit účinnost využití živin s cílem snížit počet zvířat na farmách, jakož i znečištění životního prostředí dusíkem a fosforem. Transgenní zvířata dále produkují lysozomy (které mají bakteriostatické vlastnosti proti bakteriím způsobujícím mastitidy), proteiny lidského a hovězího laktoferinu (které mají širokospektrální antimikrobiální aktivitu) a vakcíny v mléce (např. účinné malariální vakcíny). Kromě toho mohou transgenní prasata poskytnout orgány pro xenotransplantaci v biomedicíně.
V posledních letech došlo k revolučnímu pokroku v oblasti biotechnologií živočichů za účelem produkce rekombinantních proteinů (enzymů), organických živin (aminokyselin a vitamínů), klonů a genově modifikovaných organismů pro biomedicínské a zemědělské účely. Nové technologie pro editaci genů (resp. genomu) umožňují odstranění, vložení nebo modifikaci genomu na specifických místech DNA. Díky neustálému zlepšování mají biotechnologie velkou perspektivu v zachování rozmanitých plemen prasat, zvyšování účinnosti krmiv, produkce vepřového masa a v neposlední řadě pro vývoj alternativ k antibiotikům.
