Banki spermy, komórek jajowych, nasion, genów. Czym są i po co są?

Czym są banki nasienia, banki komórek jajowych (oocytów), banki zarodków? W jakim celu gromadzi się nasiona albo ich pyłek? Po co zbierane są dane o sekwencji nukleotydów w DNA wszelkich genów czy aminokwasów w białkach dla rozmaitych organizmów w bioinformatycznych bazach danych? Rzeczywiste i potencjalne zastosowania takich repozytoriów materiału biologicznego lub informacji o nim są bardzo szerokie – od podstawowych, fundamentalnych badań, przez przemysłowe wykorzystanie aplikacyjne, po powszechne użycie do celów medycznych. To o nich będzie niniejszy artykuł.

Repozytoria materiału
biologicznego, nie będące „martwymi” zbiorami muzealnymi, tylko magazynami aktywnych
biologicznie komórek, ich fragmentów lub wyizolowanego DNA czy informacji o nim,
są tworzone z różnych powodów. W zasadzie zawsze można znaleźć jakieś nowe,
jeśli tylko będą potrzebne, zależnie od okoliczności. Fundamentalnie chodzi o
posiadanie czegoś, co pozwoli na odtworzenie – na dzisiejsze możliwości
technologiczno-naukowe lub na przewidywane, przyszłe perspektywy – osobnika
jakiegoś gatunku, uzyskanie hodowli jego komórek bądź tkanek albo też
fragmentów jego genomu, które można potem wykorzystać.

Przeczytaj także: Czym
jest bioróżnorodność i jakie ma znaczenie dla człowieka?

Po co konkretnie magazynować
materiał biologiczny w biobankach? Do jakich celów miałoby to służyć? Na
początek zawsze można powiedzieć o patetycznie brzmiącej idei zachowania
bioróżnorodności dla przyszłych pokoleń, która pomimo przejedzonej podniosłości
wcale nie jest argumentem fałszywym. Wręcz przeciwnie, a jego prostota sprawia,
że wielu bierze go w dyskusjach czy opracowaniach za pierwszy przykład. Jeśli
zastanowimy się nad sprawą bardziej w kontekście aplikacyjnym, od razu
dostrzeżemy inny ważny – i po części tożsamy z pierwszym – powód gromadzenia
materiału genetycznego. Chodzi o możliwość uzyskania albo odtworzenia
poszczególnych gatunków i odmian roślin uprawnych i zwierząt hodowlanych do
produkcji żywności czy surowców na ubrania i inne dobra materialne. Dla ludzi,
bezpośrednio, banki biologiczne mogą być też nadzieją na posiadanie potomstwa.

Przykład, jaki nasuwa się na
początek, nie do końca w ścisłym znaczeniu uchodzący za bank genów, to ogród
zoologiczny. Zoo początkowo służyły bardziej jako kolekcje żywych, egzotycznych
zwierząt dla wysoko postawionych i bogatych ludzi. Z czasem jednak coraz
częściej pełniły funkcje rozrywkowe, a później edukacyjne i dotyczące ochrony
zarówno osobników poszczególnych gatunków, jak i gatunków samych w sobie.
Dzisiaj, w niewoli, w tym w ogrodach zoologicznych i jednostkach im podobnych czy
hodowlach, żyje wiele zwierząt, które nie występują już na wolności (lub ich
populacje w stanie dzikim są poważnie zagrożone) i w tym rozumieniu zoo da się
uznać za pewnego rodzaju magazyn biologiczny. Podobnie powiedzieć można o
ogrodach botanicznych czy dendrologicznych.

Przeczytaj także: Polskie
i światowe sukcesy ochrony zagrożonych gatunków

Przechodząc do bardziej dosłownie
rozumianych magazynów biologicznych i banków genów, tworzonych głównie dla „tu
i teraz” (np. zastosowania medyczne i weterynaryjne) lub prewencyjnego
chronienia bioróżnorodności ogólnej, rolniczej czy hodowlanej, wymienia się
wśród nich banki nasion, banki spermy i oocytów, banki zarodków,
banki komórek (także komórek macierzystych; w tym miejscu warto zaznaczyć, że
przytłaczająca większość
terapii komórkami macierzystymi to scam i oszustwo, w niewielu przypadkach
wykazano, że są one skuteczne) i tkanek oraz bioinformatyczne bazy genomiczne,
transkryptomiczne czy proteomiczne. O nich będę pisał w dalszej części tekstu.

Banki oocytów (komórek jajowych) są
prowadzone przede wszystkim po to, aby przeczekać lub ominąć zaburzenia
zdrowotne związane z niepłodnością. Na przykład w sytuacji, gdy kobieta wydaje
zdrowe oocyty, ale nie może z powodów zdrowotnych zajść w ciążę, może je
zachować w banku komórek jajowych na później. Ze względu na to, że oocyty
kobiet po 35. roku życia znacznie częściej wykazują aberracje genetyczne
prowadzące do zespołów wad wrodzonych (np. brak czy nadmiar jakiegoś
chromosomu), to kobiety przed osiągnięciem tego wieku, chcące mieć dzieci, ale
„jeszcze nie teraz”, decydują się na przechowanie „młodszych”, zdrowych
oocytów, aby później wykorzystać je do uzyskania zarodka i ciąży. Na
marginesie, ciekawostką jest, że nowoczesne zabiegi z zakresu biologii
reprodukcyjnej i manipulacje oocytami pozwalają mieć potomstwo, które
biologicznie posiada aż trzy matki: dawczynię jądra (DNA jądrowe), dawczynię
jaja i ooplazmy z mitochondriami (mitochondrialne DNA zgromadzone w ooplazmie)
oraz kobietę, która donosi ciążę i urodzi dziecko.

Przeczytaj także: Niepłodność
i bezpłodność

Częstsze i szersze zastosowanie
mają banki nasienia. Przechowywane w nich plemniki mogą być zastosowane do
uzyskania ciąży u par, w których mężczyzna jest bezpłodny (plemnik pochodzi
oczywiście od innego mężczyzny, dawcy). Czasami na taki krok decydują się też
bogate, samotne kobiety, chcące wychowywać dzieci bez ojca. W wielu krajach
jest to również sposób na zakładanie rodzin przez pary lesbijek. Banki nasienia
są jeszcze bardzo popularne w zootechnice – sperma dobrego rodowodu byka czy
ogiera potrafi sporo kosztować, a naturalne zapłodnienie podczas stosunku w
nowoczesnych hodowlach bywa rzadkością.

Bank genów Departamentu Rolnictwa USA

W przypadku ludzi tego rodzaju
metody budzą etyczne obawy – dziecko jest z góry skazywane na brak kontaktu z
biologicznym ojcem, co może być rozpatrywane jako wyrządzona mu krzywda. Bardziej
kontrowersyjne jest użycie do uzyskania ciąży nasienia zmarłego mężczyzny, bo i
to oferują niektóre firmy w USA. Co gorsza, są miejsca gdzie komercyjnie
dostępne jest sortowanie plemników w celu wybrania sobie płci dziecka, a to
uznawane jest za dyskryminację potencjalnego płodu i przyszłego potomka ze
względu na płeć. To ostatnie niejednokrotnie jest w wysokorozwiniętych krajach
nielegalne, chyba że istnieje wyraźne ryzyko wystąpienia choroby sprzężonej z
płcią. Wówczas dla jej uniknięcia selekcja płci jest legalna – tak jest np. w
Wielkiej Brytanii.

Przeczytaj także: Wiek
kobiety a płodność

Oprócz gromadzenia zarodków, różnego
rodzaju komórek, w tym oocytów i plemników, za bank genów czy informacji
biologicznej uznać można również bioinformatyczną bazę danych. Tego rodzaju przedsięwzięcia,
dostępne często za darmo w Internecie (np. na stronie ncbi), zbierają miliony
zapisów dotyczących genomów (sekwencje DNA), epigenomów (miejsca modyfikacji
epigenetycznych), transkryptomów (informacji o ekspresji genów), proteomów (informacji
o aktywności białek), metabolomów (jak w transkryptomice i proteomice, ale o
produktach przemiany materii). Wchodząc w odpowiednią bazę danych możemy
sprawdzić np. z jakich nukleotydów zbudowany jest gen syntazy kwasów
tłuszczowych u człowieka czy u szczura, jak jest metylowany, w jakich tkankach
i o jakich porach dnia czy roku bądź po jakich zdarzeniach poddawany jest
większej ekspresji, z jakich aminokwasów składa się tworzone na bazie tego genu
białko itd.

Dla roślin, oprócz hodowania ich,
gromadzenia pyłku i danych bioinformatycznych, prowadzi się także banki nasion.
Pozwala to zachować różnorodność genetyczną flory w swego rodzaju magazynach, z
czego korzystają na przykład rolnicy, sadownicy, ogrodnicy. Nie chodzi tu wyłącznie
o całe gatunki i ich odmiany, ale także – co zasugerowałem wcześniej w tekście
– poszczególne ich cechy, np. produkcji jakiejś prowitaminy, antocyjanów czy
pożądanych białek insektobójczych, mniejszej podatności na niekorzystne warunki
pogodowe (np. susze) bądź po prostu przyziemnego, lepszego smaku, które wskutek
odpowiedniego krzyżowania albo zastosowania inżynierii genetycznej mogą być
wykorzystane.

Przeczytaj także: Ekożywność
czy ekościema? Czy żywność ekologiczna i rolnictwo ekologiczne są dobre dla
zdrowia i przyjazne środowisku?

Banki nasion, podobnie jak banki
spermy, oocytów czy zarodków, muszą spełniać określone warunki, w których
przechowywany materiał biologiczny pozostanie aktywny, żywy. W tym przypadku rośliny
muszą być odpowiednio odwilgocone i trzymane w niskiej temperaturze. Według ONZ
ds. Wyżywienia i Rolnictwa dla zachowania jak najdłuższego potencjału nasion,
powinny być one trzymane w -20 stopniach Celsjusza przy 20% wilgotności
względnej (stosunkowej). Warunki te nie są uniwersalne dla wszystkich gatunków
– niektóre trzeba przechowywać w ciekłym azocie, a inne wystarczy wysuszyć. Czas,
jaki wytrzymać mogą nasiona, też jest różny, dlatego pracownicy banków nasion
muszą regularnie sprawdzać jaki procent z nich wykiełkuje i uzupełniać zbiory.

Fasola w banku genów w Kolumbii. Autor: Neil Palmer

Spełnienie wymaganych dla
poszczególnych gatunków roślin warunków to tylko część wyzwań, jakie stoją
przed bankami nasion. Ich zarządcy muszą planować, jakie dokładnie nasiona
przechowywać, tzn. o jakich genotypach, tak aby magazyny te jak najlepiej
spełniały swą aplikacyjną rolę. Nie może być też tak, że botanik pracujący w
takiej placówce stwierdza sobie, że weźmie garść tych nasion, trzy tamtych i
jeszcze tuzin innych. Muszą być one dobrane, różnorodne genetycznie, żeby bank
nasion spełniał swą funkcję co do rzeczywistej i prewencyjnej ochrony
bioróżnorodności.

Przeczytaj także: Czy
grozi nam gorsza żywność przez globalne ocieplenie?

Nie da się ukryć, że gromadzenie
nasion podszyte jest także obawami o skutki ewentualnej katastrofy
ekologicznej, takiej jak uderzenie planetoidy w Ziemię czy globalne ocieplenie,
bądź też efekty rozległych działań wojennych z wykorzystaniem broni masowego
rażenia, które w obliczu posunięć m.in. Rosji i Chin w ostatnich latach w
świadomości wielu osób wydają się być coraz bardziej prawdopodobne. Większa
świadomość, co do bioróżnorodności ogólnej czy w rolnictwie, jest więc jedynie
jednym z powodów większej popularności banków nasion. Banki nasion są zresztą
często dotowane przez instytucje publiczne, wobec czego muszą zainteresować
decydujących o funduszach polityków i urzędników.

Globalny Bank Nasion, który
znajduje się na Svalbardzie, na wyspie Spitsbergen, w wiecznej zmarzlinie,
dzięki otaczających go ujemnych temperaturach może być prowadzony bez
wykorzystania zamrażarek. Odpowiednia, podziemna lokalizacja, czyni magazyn
schronem przeciwatomowym – na wypadek wojny nuklearnej zgromadzone w nim
materiały powinny być bezpieczne. Największy zaś bank nasion – Bank Nasion
Millenium – leży niedaleko Londynu. Mniejsze banki nasion są położone w wielu
różnych krajach na całym świecie. W Polsce głównym bankiem nasion jest Krajowe Centrum Roślinnych Zasobów Genowych.

Przeczytaj także: Polska
stacja polarna na Svalbardzie

A jak jest w Polsce? Jednym z magazynów
jest u nas organizowany przez poznański Ogród Botaniczny Uniwersytetu im. Adama
Mickiewicza w Poznaniu (UAM) bank nasion,
gdzie rozwijany jest
również projekt digitalizacji zasobów przyrodniczych tak, aby można z nich było
korzystać przez Internet. Co więcej, Ogród Botaniczny UAM w Poznaniu – wraz z
m.in. Śląskim Ogrodem Botanicznym, Ogrodem Botanicznym PAN w Powsinie czy
Leśnym Bankiem Genów w Miłkowie – uczestniczy w projekcie FlorNatur ROBiA (Rady
Ogrodów Botanicznych i Arboretów), współtworząc sieć regionalnych banków nasion
w Polsce. W przyszłości powinno zaowocować to większym zabezpieczeniem
bioróżnorodności naszego kraju.

Artykuł napisałem we współpracy z
Uniwersytetem im. Adama Mickiewicza w Poznaniu.