Wetenschappers creëren recombinant DNA door in het laboratorium DNA uit verschillende bronnen – vaak andere soorten – te combineren. Met DNA-klonen kunnen onderzoekers specifieke genen bestuderen door ze in gemakkelijk te manipuleren cellen, zoals bacteriën, in te brengen. Organismen die recombinant DNA bevatten, staan bekend als genetisch gemodificeerde organismen (GGO's). Recombinant-DNA-technologie produceert organismen met nieuwe genen die de wetenschap, geneeskunde en landbouw ten goede kunnen komen.
Het creëren van recombinant DNA omvat het inbrengen van een interessant gen in een vector – een vehikel dat vreemd DNA in gastheercellen brengt voor DNA-replicatie en eiwitexpressie. De meest gebruikte kloneringsvectoren zijn plasmiden, kleine cirkelvormige stukjes DNA die onafhankelijk repliceren van het chromosomale DNA van de gastheer.
Om recombinant DNA te creëren, worden zowel het donor-DNA, met het interessante gen, als de vector geknipt op specifieke nucleotidenequences – restrictieplaatsen genoemd – met behulp van restrictie-enzymen. Het enzym DNA-ligase sluit de suiker-fosfaat-keten af waar het interessante gen en het plasmide met elkaar in verbinding staan.
Het resultaat is een recombinant DNA-molecuul dat bestaat uit een vector met een geïntegreerd stuk donor-DNA – een insert genoemd. Een wetenschapper kan dit hybride DNA-molecuul vervolgens in een gastheerorganisme introduceren – meestal bacteriën of gist – waar het zich gemakkelijk en snel repliceert. Hierdoor ontstaan veel kopieën van het gen van interesse, wat nodig is voor wetenschappelijk onderzoek en andere toepassingen. Het gen kan ook getranscribeerd en getransleerd worden in het gewenste eiwit – zoals humane insuline – door gebruik te maken van de cellulaire machinerie van de gastheer.
Het maken van recombinant DNA is een onvolmaakt proces en er komen vaak fouten voor. De vector kan bijvoorbeeld sluiten zonder dat de insert aanwezig is of de insert kan onjuist zijn (bijvoorbeeld achterwaarts zijn). Voordat het recombinant-DNA voor verdere studies gebruikt kan worden, moeten onderzoekers controleren of er fouten aanwezig zijn. Nucleotide-sequencing kan helpen bij het identificeren van bacteriekolonies die plasmiden dragen met de juiste insert.
Wetenschappers gebruiken recombinant DNA om genen en eiwitten te bestuderen
Recombinant-DNA-technologie is bijzonder voordelig wanneer een wetenschapper veel kopieën van een interessant gen of een eiwitproduct nodig heeft. Het onderzoek van een wetenschapper kan echter een extra complexiteitsniveau vereisen, zoals de detectie of zuivering van het gewenste eiwit. Om dit doel te bereiken, kan een onderzoeker een label of reporter – eiwitten die worden gebruikt om een genproduct te identificeren – aan het gewenste eiwit bevestigen om een fusiegen of chimeer gen te creëren.
Wetenschappers gebruikten eerst recombinant-DNA-technologie om menselijke insuline in bacteriën te produceren, wat resulteerde in een behandeling voor diabetes. Sinds die eerste ontdekking hebben onderzoekers andere recombinante DNA's gegenereerd voor therapeutisch gebruik. Recombinante bacteriën maken het menselijke groei hormoon – een eiwit dat nodig is voor normale groei en ontwikkeling – om patiënten met groeihormoondeficiëntie te behandelen. Recombinante zoogdiercellen, afkomstig van mensen en hamsters, produceren factor VIII – een eiwit dat nodig is voor normale bloedstolling – om patiënten met hemofilie te behandelen. Blijkbaar is recombinant-DNA-technologie een krachtig hulpmiddel voor de grootschalige productie van essentiële eiwitten.
Vooruitgang in de landbouw in recombinant-DNA-technologie heeft ook invloed op het welzijn van de mens. Maïsboeren leden bijvoorbeeld aanzienlijke gewasschade door de plaag van de Europese maïsboorder. Als reactie hierop isoleerden wetenschappers genen uit een bacterie die in de bodem leefde – Bacillus thuringiensis (Bt) – om genetisch gemodificeerde, ongediertebestendige maïs te creëren. Bacillus thuringiensis produceert van nature eiwitten die giftig zijn voor bepaalde insecten, maar niet voor mensen, planten of andere dieren. De introductie van ongediertebestendige Bt-maïs verbeterde de oogstopbrengsten en verminderde het gebruik van chemicaliën en pesticiden. Dergelijke landbouwtoepassingen verhogen de kwaliteit en kwantiteit van de wereldwijde voedselvoorziening.
