Genetisk modificering af planter

Denne underside om genetisk modificering af planter udgør tredje del af teorien for Biotech Academys materiale om Fremtidens fødevarer.

Har du nogensinde glemt din stueplante udenfor og først kommet i tanke om det, efter frosten er kommet? Du henter måske din plante ind, men planten er ikke som før. Planten er helt slap, og den ser ærlig talt ikke for godt ud. Mange planter kan nemlig ikke tåle frost.

I dette afsnit vil du lære, hvordan forskerne tog en fisk og en kartoffel og lavede en kulderesistent kartoffel.

Vi gennemgår skridtene fra almindelig kartoffel til superkartoffel, og gennemgår undervejs nogle af de bioteknologiske metoder, der bruges i stor stil i industrien.

Hvorfor kan planter ikke tåle frost? (før musen over kassen for at se svaret!)

Svar:

Grunden til, at mange planter ikke kan tåle frost er, at iskrystallerne inden i plantens celler er skarpe, og faktisk kan springe eller ”punktere” plantecellerne, så planten dør. Planter, der kommer fra steder, hvor det er varmere end i Danmark, er ikke vant til frost. Derfor har de ikke noget forsvar mod kulden – de er simpelthen ikke bygget til frost. Disse planter har ikke haft tid til at tilpasse sig frostgraderne gennem evolution – de har altså ikke det DNA, der skal til, for at de kan tåle frost.

Hvordan kan nogle planter overleve i minusgrader?

Svar:

Nogle planter har faktisk evnen til at overleve i minusgrader. Det gælder f.eks. træer, der gror steder, hvor det er meget koldt. Der er flere måder at sikre sig mod kulden, når man er en plante. En af dem er at sænke frysetemperaturen inde i planten. Planter kan gøre dette ved at danne en sukkerholdig masse, som beskytter mod frosten. Vi kender bl.a. denne masse som sirup fra ahorntræet! Se figur 1.

Kuldesikre planter

I Danmark er vintrene ofte så kolde, at temperaturerne kommer under vands frysepunkt, altså nul grader celsius. Det betyder, at de fleste afgrøder ikke kan overleve – og dør. Det giver ikke mening at gro planter, der ikke kan tåle frost på markerne – i hvert fald ikke i måneder, hvor der er risiko for frost. Det betyder, at markerne nogle gange står tomme – og så producerer vi ikke mad.

En måde at bekæmpe dette problem på er at kigge på organismer, der overlever i ekstrem kulde. Vinterflynderen svømmer glad rundt i havvand, der er under 0 grader celsius. Det gør den, fordi den kan lave et protein, som sænker fiskens frysepunkt. Ret sejt!

Et hold af forskere så dette og tænkte: ”Wow, det er godt nok smart! Gad vide, om vi også kan få en plante til at overleve ved lave temperaturer?”.
Det lykkedes dem faktisk at lave en kartoffel, som var i stand til at overleve ved meget lave temperaturer, og derfor kan plantes og gro hele året rundt, se figur 2.

Figur 1. Saften i ahorntræet hjælper træet med at overleve frost.

Kulderesistens i kartofler gennem genmodificering

Figur 2. Ved at isolere et antifrys-gen fra vinterflynderen og indsætte dette gen i en kartoffel, lykkedes det forskere at lave en kulderesistent kartoffel.

Sådan overlever vinterflynderen i koldt vand

Svar:

Vinterflynderen kan overleve i vand, der er koldere end 0 grader celsius! ”Hvordan kan det lade sig gøre”, tænker du måske? Jo, det fungerer faktisk på samme måde, som når vi salter vejene for, at de ikke skal blive glatte af is. Saltet (og andre molekyler) i havvandet gør, at vandet faktisk ikke fryser til is ved 0 grader celsius, men nærmere omkring -1.9 grader celsius. Skulle vandet alligevel være fyldt med is, har vinterflynderen et smart værktøj; vinterflynderen kan producere et protein, som sætter sig hele vejen rundt om de iskrystaller, som fisken sluger. På den måde kan isen ikke sprede sig inde i fiskekroppen, og fisken kan svømme videre.

Vigtige begreber

For at vi kan komme rigtigt i gang, er der lige nogle koncepter, vi skal have styr på:

Nukleotider: Byggesten i DNA. Der findes 4 forskellige nukleotider i DNA; (A) adenin, (C) cytosin, (G) guanin og (T) thymin. Nukleotider kaldes også baser.
DNA: Et molekyle, der findes i alt levende. DNA bærer på informationen, der gør dig til dig. I cellerne findes DNA ofte bundet op i kromosomer. DNA består af de fire nukleotider. DNA er desuden dobbeltstrenget. Det betyder, at der faktisk er to strenge af nukleotider, der løber ved siden af hinanden. A og T vil altid være overfor hinanden, og G og C vil altid være overfor hinanden.
Gen: Et stykke DNA. Et gen koder for et protein, som giver en speciel egenskab/funktion f.eks. øjenfarve, kulderesistens, etc..
(DNA) sekvens: Et stykke af DNA. Det kan både være et gen, en del af et gen (kortere sekvens end genet) eller mere end et gen (længere sekvens end genet).
Enzymer: Små biologiske maskiner, der hjælper med at få kemiske reaktioner til at ske i vores krop, bakterier, planter osv.. Enzymer bliver dannet ud fra DNA. Enzymer er specialiserede proteiner.
Plasmider: Et stykke cirkulært DNA, der bruges til at transportere DNA’et (og altså informationen DNA’et gemmer på) imellem forskellige organismer.

På figur 3 til nedenunder kan du se, hvordan nogle af begreberne passer sammen.

Figur 3. Oversigt over begreber. DNA består af nukleotider og er bundet op i kromosomer. Cirkulære stykker af DNA kaldes plasmider. Gener findes som sekvenser af nukleotider i DNA’et.

Nu er vi klar til at gennemgå den overordnede proces, som forskerne var igennem, da de lavede en kulderesistent kartoffel;

Step 1: Isolér genet fra DNA

Det allerførste skridt på vejen mod kulderesistente kartofler er at finde genet, der gør, at fisken kan overleve i det kolde vand. Det er der heldigvis rigtig mange, der er interesserede i, så det behøver vi ikke gøre denne gang. Når vi kender genet, skal vi sørge for, at der er en masse kopier af genet, så vi kan arbejde med det. Flere kopier af genet betyder nemlig flere forsøg.

Cellen kopierer et gen vha. DNA-polymeraser. DNA-polymeraser er enzymer (altså bittesmå, biologiske maskiner), der tager DNA og kopierer det, så du får dobbelt så meget DNA efter én reaktion. Vi kan få DNA-polymerasen til at hjælpe os. Ved hjælp af en maskine, kan vi i løbet af meget kort tid få en masse kopier af vores gen. Denne smarte metode hedder PCR. Hvis du er interesseret, kan du lære mere om PCR i videoen i dette link.

Når vi har mange kopier af vores gen, er vi klar til at arbejde videre – det gør vi ved at sætte genet ind i kartoflen. Der er rigtig mange måder at sætte genet ind i kartoflen på, og her vil du blive præsenteret for en metode, man ofte bruger, når man arbejder med planter.

Step 2: Indsæt gen i Ti-plasmid fra T. agrobacterium

Før vi kan komme videre, skal vi kende en bakterie, der hedder Agrobacterium tumefaciens. Den er nemlig virkelig smart: Bakterien Agrobacterium tumefaciens lever i jorden, nær plantens rødder. Hvis planten bliver såret, kan bakterien ’sanse’ det, og skynder sig hen til rødderne, hvorfra den kan komme ind i planten. Her gør bakterien noget virkelig smart; den snyder sig til noget af plantens energi. Bakterien kan nemlig indsætte et lille stykke DNA i et af plantens kromosomer. Dette lille stykke DNA gør, at planten ikke kun producerer de sukre, den selv skal bruge for at gro, men også nogle sukre, som planten slet ikke kan bruge til noget. Det kan bakterien til gengæld. På den måde kan man sige, at bakterien snylter på planten. Planten kan stadig leve, men den vokser langsommere end før.

DNA-stykket fra bakterien, der indsættes i plantens DNA, er en del af bakteriens Ti-plasmid, som du kan se på figur 4. Ti-plasmidet er et stykke cirkulært DNA. En organisme bruger et plasmid til at overføre gener fra et sted til et andet. En lille del af TI-plasmidet indeholder det gen, der indsættes i planten. En anden del af plasmidet sørger for, at vi kan overføre genet. Alle delene i det cirkulære plasmid har en speciel funktion, men vi går ikke i dybden med dem her.

Forskere har arbejdet med TI-plasmider i lang tid, og derfor kender man dem rigtig godt. Forskerne har fjernet de gener, som normalt bliver overført med Ti-plasmidet, altså dem, der får planter til at producere nye sukre. Tilbage er et Ti-plasmid, der kan overføre et gen til en plante – der mangler bare et gen at overføre! Det kunne f.eks. være vores antifrys-gen.

Figur 4. Agrobacterium tumefaciens er en bakterie. Den indeholder Ti-plasmid, som forskere kan udnytte til at indsætte nye gener i planter.

Man har også fundet steder rundt om det DNA, der indsættes, hvor det er let at klippe DNA’et op. Vi udnytter at DNA er dobbeltstrenget – hvis vi ’lyner DNA’et op’, vil det finde sammen igen.
Først klippes DNA’et i TI-plasmidet op vha. enzymer, der klipper helt præcist. Enzymerne genkender en speciel DNA-sekvens og laver det samme klip hver gang. Klippet er dog lidt skævt; der er nogle nukleotider, der hænger frit og leder efter nogle matchende nukleotider. Det interessante gen (antifrys-genet), bliver klippet med det samme klippe-enzym – 2 steder. På den måde har det interessante gen ender, der matcher perfekt med enderne i Ti-plasmidet.

Hvis Ti-plasmidet finder sammen med det nye gen, vil plasmidet lukke sig, og vi vil have et nyt plasmid – et med genet indsat, ligesom på figur 5 herunder. Når det nye gen er indsat i Ti-plasmidet, kalder vi Ti-plasmidet for et rekombinant Ti-plasmid.

Figur 5. Når et Ti-plasmid bliver klippet med det samme klippeenzym som det gen, vi er interesserede i, er der en mulighed for, at genet og Ti-plasmidet kan sætte sig sammen. Hvis det sker, får vi dannet et rekombinant Ti-plasmid.

Så: Hvis vi klipper vores antifrys-gen og Ti-plasmidet med det samme enzym, vil vi få de præcis samme klip i TI-plasmidet og genet. Det betyder, at de frithængende baser i det opklippede TI-plasmid kan vælge enten at finde sammen med sig selv igen, ELLER at finde sammen med det nye gen.

Klippe-enzymet genkender sekvensen GAATTC, og når enzymet finder sekvensen, klipper den det dobbeltstrengede DNA op, så vi får to ender, som det ses i figur 5.

Kan du se noget specielt ved sekvensen som klippe-enzymet genkender?

Svar:

Sekvensen er palindrom! Det vil sige, at sekvensen er den samme forfra og bagfra, når vi kigger på det dobbeltstrengede DNA. Faktisk er alle klippe-enzymer indrettet sådan, at de genkender palindrome DNA-sekvenser. Andre palindromer (der dog ikke har noget med DNA at gøre) er f.eks. kajak, Otto og sætningen ’tal ud nu undulat’)

Grunden til at vi skulle bruge alle de kopier af genet er, at vi får mange forsøg. DNA’et kan ikke tænke, og kan derfor ikke vide, hvordan vi ønsker os, at det rekombinante Ti-plasmid skal se ud. Nogle gange lukker TI-plasmidet sig om sig selv, nogle gange bliver genet indsat omvendt. Der er mange ting, der kan gå galt, og det er altså rent held, hvis TI-plasmidet sætter sig rigtigt sammen med anti-frys genet. Men når man har mange forsøg, så er man heldig en gang imellem! PCR er her en kæmpestor hjælp for os.

Alle de rekombinante Ti-plasmider bliver nu sat ind i en gruppe A. tumefaciens bakterier.

Step 3: Vælg bakterie med genet indsat korrekt

Vi lader nu bakterierne, vi har forsøgt at genmodificere, gro. Nogle få af dem vil have genet indsat rigtigt, men mange af dem vil ikke være det, vi leder efter. Forskerne har mange smarte måder at udvælge de bakterier, de leder efter. Man kan f.eks. bruge antibiotika til at slå de bakterier man ikke skal bruge ihjel. Nu er vi klar til rent faktisk at få anti-frys genet overført til kartoflen.

Step 4: Overfør gen fra TI-plasmid til plante.

Bakterier med det rekombinante Ti-plasmid – altså med antifrys-genet indsat – overføres nu til en kartoffelplante. Dette kan f.eks. gøres ved at lave små rifter i plantens rødder og tilføje den genmodificerede bakterie til jorden.

Step 5: Gro en ny, kulderesistent plante

Den nye plante kan nu gro sig stor og med tiden lave nye kartofler, som også vil have udtrykke det nye gen. Kartofler formerer sig nemlig ved at lave kloner!

Vi kan undersøge, om kartoflen rent faktisk har optaget genet ved at sekventere plantens genom. Det betyder, at vi undersøger hele plantens DNA-sekvens. Vi kender DNA-sekvensen for antifrys-genet, og hvis sekvensen kan findes i plantens DNA-sekvens, har vi altså indsat genet.

Vidste du, at DNA faktisk er så stort, at vi kan se det med det blotte øje, hvis vi tager de rigtige skridt? Prøv øvelsen ”Træk DNA ud af jordbær”, hvor du nemt og hurtigt kan gøre DNA synligt! Tryk på denne knap for at downloade en PDF af øvelsen!

En anden måde at undersøge, om planten har modtaget antifrys-genet er at vente og teste. Hvis vi venter til kartoffelplanten har vokset sig stor, kan vi udsætte den for kulde, som normale kartoffelplanter ville dø under. Hvis kartoffelplanten overlever, har vi klaret det!

Vi har nu lavet en kulderesistent kartoffelplante, og denne kartoffelplante er en GMO; en genmodificeret organisme. På figur 6 kan du se et overblik over de skridt man skal tage, for at genmodificere en plante vha. Ti-plasmider.

Figur 6. Brugen af Ti-plasmider til at genmodificere planter.

Øvelser i klassen:

Der er mange forskellige holdninger til GMO – og det er vigtigt, at vi bliver ved med at debattere, hvad der er OK, og hvad, der ikke er OK. Her kan du se nogle øvelser, som I kan lave i klassen.

Prøv Kahoot-quizzen, der hører til dette emne.

Tankeeksperiment:

Tal sammen om, hvilke begrænsninger de planter vi bruger til fødevareproduktion har. Kan I forestille jer en anden plante eller et dyr, der kan overkomme de(n) begrænsning? Tror I man kan bruge genetiske metoder til at overføre evnen fra den ene organisme til den anden?

Tegn, hvordan I forestiller jer planten nu ser ud/opfører sig!

Idéer til problemer:

Hvis sommeren er meget tør, har mange planter svært ved at klare sig (løsning: planter, der lever meget tørre steder (kaktus med speciel fotosyntese) eller måske dromedaren)
Afgrøder, der vokser langsomt (løsning: kig på planter, der vokser hurtigt, f.eks. ukrudt)

I kan også google ”Golden-Rice” og ”Flavr Savr tomato”, som begge er eksempler på GMO’er.

Prøv nu at lave det samme eksperiment med dyr i stedet for planter.

Idéer til problemer: Koen, der ikke producerer nok mælk, fåret med for lidt uld, fisken, der plages af mikroorganismer i vandet

Kan vi løse de her problemer uden GMO?

Ja, vi vælger de bedste kandidater og avler på dem – det tager bare lang tid. For eksempel vokser landbrugsdyr i dag langt hurtigere end de gjorde for bare 100 år siden. Det gør de, fordi landmænd avlede videre på de hurtigst voksende kandidater og undlod at avle på de langsomt voksende.

En samtale om etik og GMOs grænser:

Hvordan kan vi bruge genteknologiske metoder til at forbedre de fødevarer, vi har i dag?

Hvilke problemstillinger bør man tænke på, når man overvejer at genmodificere en fødevare?

Tal sammen om, hvad I synes om genetisk modificerede organismer. Hvornår er det okay, og hvornår er det ikke okay?

Flere opgaver og forsøg kan findes på forsiden.