Gentechnik -Genetic engineering

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Gentechnik, auch genetische Veränderung oder genetische Manipulation genannt, ist die Veränderung und Manipulation der Gene eines Organismus mithilfe von Technologie . Es handelt sich um eine Reihe von Technologien, die verwendet werden, um die genetische Ausstattung von Zellen zu verändern, einschließlich des Transfers von Genen innerhalb und über Artengrenzen hinweg, um verbesserte oder neuartige Organismen zu produzieren . Neue DNA wird entweder durch Isolieren und Kopieren des interessierenden genetischen Materials unter Verwendung rekombinanter DNA - Methoden oder durch künstliche Synthese der DNA gewonnen. Üblicherweise wird ein Konstrukt erstellt und verwendet, um diese DNA in den Wirtsorganismus einzufügen. Das erste rekombinante DNA-Molekül wurde 1972 von Paul Berg hergestellt, indem DNA des Affenvirus SV40 mit dem Lambdavirus kombiniert wurde . Das Verfahren kann nicht nur zum Einfügen von Genen verwendet werden, sondern auch zum Entfernen oder " Ausschalten " von Genen. Die neue DNA kann zufällig eingefügt oder auf einen bestimmten Teil des Genoms ausgerichtet werden .

Ein durch Gentechnik erzeugter Organismus gilt als gentechnisch verändert (GM) und die resultierende Einheit ist ein gentechnisch veränderter Organismus (GMO). Der erste GVO war ein Bakterium, das 1973 von Herbert Boyer und Stanley Cohen erzeugt wurde. Rudolf Jaenisch erschuf das erste gentechnisch veränderte Tier, als er 1974 fremde DNA in eine Maus einfügte . Das erste Unternehmen, das sich auf Gentechnik konzentrierte, Genentech, wurde 1976 gegründet und begann mit der Produktion menschlicher Proteine. Gentechnisch verändertes Humaninsulin wurde 1978 hergestellt und insulinproduzierende Bakterien wurden 1982 kommerzialisiert. Genetisch veränderte Lebensmittel werden seit 1994 mit der Einführung der Flavr-Savr - Tomate verkauft. Das Flavr Savr wurde entwickelt, um eine längere Haltbarkeit zu haben, aber die meisten aktuellen GM-Pflanzen werden modifiziert, um die Resistenz gegen Insekten und Herbizide zu erhöhen. GloFish, der erste als Haustier konzipierte gentechnisch veränderte Fisch, wurde im Dezember 2003 in den Vereinigten Staaten verkauft. 2016 wurde mit einem Wachstumshormon modifizierter Lachs verkauft.

Gentechnik wird in zahlreichen Bereichen eingesetzt, darunter Forschung, Medizin, industrielle Biotechnologie und Landwirtschaft. In der Forschung werden GVO verwendet, um die Genfunktion und -expression durch Funktionsverlust, Funktionsgewinn, Nachverfolgung und Expressionsexperimente zu untersuchen. Durch das Ausschalten von Genen, die für bestimmte Zustände verantwortlich sind, ist es möglich, tierische Modellorganismen für menschliche Krankheiten zu schaffen. Neben der Herstellung von Hormonen, Impfstoffen und anderen Arzneimitteln hat die Gentechnik das Potenzial, genetische Krankheiten durch Gentherapie zu heilen . Dieselben Techniken, die zur Herstellung von Arzneimitteln verwendet werden, können auch industrielle Anwendungen finden, wie z. B. die Herstellung von Enzymen für Waschmittel, Käse und andere Produkte.

Der Aufstieg kommerzialisierter gentechnisch veränderter Pflanzen hat den Landwirten in vielen verschiedenen Ländern wirtschaftlichen Nutzen gebracht, war aber auch die Quelle der meisten Kontroversen um die Technologie. Dies ist seit seiner frühen Verwendung vorhanden; die ersten Feldversuche wurden von Anti-GM-Aktivisten zerstört. Obwohl es einen wissenschaftlichen Konsens darüber gibt, dass derzeit verfügbare Lebensmittel aus gentechnisch veränderten Pflanzen kein größeres Risiko für die menschliche Gesundheit darstellen als herkömmliche Lebensmittel, ist die Sicherheit von gentechnisch veränderten Lebensmitteln ein Hauptanliegen der Kritiker. Genfluss, Auswirkungen auf Nichtzielorganismen, Kontrolle der Lebensmittelversorgung und geistige Eigentumsrechte wurden ebenfalls als potenzielle Probleme angesprochen. Diese Bedenken haben zur Entwicklung eines regulatorischen Rahmens geführt, der 1975 begann. Er führte zu einem internationalen Vertrag, dem Cartagena Protocol on Biosafety, das im Jahr 2000 verabschiedet wurde. Einzelne Länder haben ihre eigenen Regulierungssysteme in Bezug auf GVO entwickelt Die deutlichsten Unterschiede treten zwischen den USA und Europa auf.

IUPAC- Definition

Gentechnik : Vorgang des Einbringens neuer genetischer Informationen in bestehende Zellen, um einen bestimmten Organismus zu modifizieren, um seine Eigenschaften zu verändern.

Hinweis : Adaptiert von ref.

Überblick

Vergleich konventioneller Pflanzenzüchtung mit transgener und cisgener gentechnischer Veränderung

Gentechnik ist ein Prozess, der die genetische Struktur eines Organismus verändert, indem entweder DNA entfernt oder eingeführt oder vorhandenes genetisches Material in situ modifiziert wird. Im Gegensatz zur traditionellen Tier- und Pflanzenzüchtung, bei der mehrere Kreuzungen durchgeführt und dann der Organismus mit dem gewünschten Phänotyp ausgewählt wird, nimmt die Gentechnik das Gen direkt von einem Organismus und überträgt es auf den anderen. Dies ist viel schneller, kann zum Einfügen beliebiger Gene aus beliebigen Organismen (auch aus verschiedenen Domänen ) verwendet werden und verhindert, dass auch andere unerwünschte Gene hinzugefügt werden.

Die Gentechnik könnte möglicherweise schwere genetische Störungen beim Menschen beheben, indem das defekte Gen durch ein funktionierendes ersetzt wird. Es ist ein wichtiges Werkzeug in der Forschung, mit dem die Funktion bestimmter Gene untersucht werden kann. Medikamente, Impfstoffe und andere Produkte wurden aus Organismen geerntet, die manipuliert wurden, um sie herzustellen. Es wurden Pflanzen entwickelt, die die Ernährungssicherheit unterstützen, indem sie den Ertrag, den Nährwert und die Toleranz gegenüber Umweltbelastungen erhöhen.

Die DNA kann direkt in den Wirtsorganismus oder in eine Zelle eingebracht werden, die dann mit dem Wirt fusioniert oder hybridisiert wird . Dies beruht auf rekombinanten Nukleinsäuretechniken, um neue Kombinationen von vererbbarem genetischem Material zu bilden, gefolgt von der Inkorporation dieses Materials entweder indirekt durch ein Vektorsystem oder direkt durch Mikroinjektion, Makroinjektion oder Mikroverkapselung .

Gentechnik umfasst normalerweise nicht traditionelle Züchtung, In-vitro-Fertilisation, Induktion von Polyploidie, Mutagenese und Zellfusionstechniken, die keine rekombinanten Nukleinsäuren oder einen genetisch modifizierten Organismus in dem Prozess verwenden. Einige breite Definitionen der Gentechnik umfassen jedoch die selektive Züchtung . Klonen und Stammzellenforschung sind eng miteinander verbunden, obwohl sie nicht als Gentechnik gelten, und Gentechnik kann in ihnen verwendet werden. Synthetische Biologie ist eine aufstrebende Disziplin, die die Gentechnik einen Schritt weiterbringt, indem sie künstlich synthetisiertes Material in einen Organismus einführt.

Pflanzen, Tiere oder Mikroorganismen, die durch Gentechnik verändert wurden, werden als gentechnisch veränderte Organismen oder GVO bezeichnet. Wenn dem Wirt genetisches Material einer anderen Art hinzugefügt wird, wird der resultierende Organismus als transgen bezeichnet . Wenn genetisches Material derselben Art oder einer Art, die sich auf natürliche Weise mit dem Wirt fortpflanzen kann, verwendet wird, wird der resultierende Organismus als cisgen bezeichnet . Wenn Gentechnik verwendet wird, um genetisches Material aus dem Zielorganismus zu entfernen, wird der resultierende Organismus als Knockout - Organismus bezeichnet. In Europa ist genetische Veränderung gleichbedeutend mit Gentechnik, während in den Vereinigten Staaten von Amerika und Kanada genetische Veränderung auch verwendet werden kann, um sich auf konventionellere Züchtungsmethoden zu beziehen.

Geschichte

Menschen haben die Genome von Arten seit Tausenden von Jahren durch selektive Züchtung oder künstliche Selektion im Gegensatz zur natürlichen Selektion verändert . In jüngerer Zeit hat die Mutationszüchtung die Exposition gegenüber Chemikalien oder Strahlung verwendet, um eine hohe Häufigkeit zufälliger Mutationen für selektive Züchtungszwecke zu erzeugen. Gentechnik als direkte Manipulation von DNA durch den Menschen außerhalb von Züchtung und Mutationen gibt es erst seit den 1970er Jahren. Der Begriff „Gentechnik“ wurde erstmals von Jack Williamson in seinem Science-Fiction- Roman Dragon’s Island geprägt, der 1951 veröffentlicht wurde – ein Jahr bevor die Rolle der DNA bei der Vererbung von Alfred Hershey und Martha Chase bestätigt wurde, und zwei Jahre bevor James Watson und Francis Crick sie zeigten dass das DNA -Molekül eine Doppelhelix-Struktur hat – obwohl das allgemeine Konzept der direkten genetischen Manipulation in Stanley G. Weinbaums Science-Fiction-Geschichte Proteus Island von 1936 in rudimentärer Form untersucht wurde .

1974 erschuf Rudolf Jaenisch eine gentechnisch veränderte Maus, das erste gentechnisch veränderte Tier.

1972 schuf Paul Berg die ersten rekombinanten DNA -Moleküle, indem er DNA des Affenvirus SV40 mit der des Lambda-Virus kombinierte . 1973 schufen Herbert Boyer und Stanley Cohen den ersten transgenen Organismus, indem sie Antibiotika-Resistenzgene in das Plasmid eines Escherichia coli - Bakteriums einfügten. Ein Jahr später schuf Rudolf Jaenisch eine transgene Maus, indem er Fremd-DNA in ihren Embryo einführte, und machte sie damit zum weltweit ersten transgenen Tier . Diese Errungenschaften führten zu Bedenken in der wissenschaftlichen Gemeinschaft über mögliche Risiken der Gentechnik, die erstmals auf der Asilomar-Konferenz ausführlich diskutiert wurden im Jahr 1975. Eine der wichtigsten Empfehlungen dieses Treffens war, dass eine staatliche Aufsicht über die rekombinante DNA-Forschung eingerichtet werden sollte, bis die Technologie als sicher erachtet wird.

1976 wurde Genentech, das erste gentechnische Unternehmen, von Herbert Boyer und Robert Swanson gegründet und ein Jahr später produzierte das Unternehmen ein menschliches Protein ( Somatostatin ) in E. coli . Genentech kündigte 1978 die Produktion von gentechnisch verändertem Humaninsulin an. 1980 entschied der Oberste Gerichtshof der USA im Fall Diamond gegen Chakrabarty, dass genetisch verändertes Leben patentiert werden könne. Das von Bakterien produzierte Insulin wurde 1982 von der Food and Drug Administration (FDA) zur Freigabe zugelassen.

1983 beantragte ein Biotech-Unternehmen, Advanced Genetic Sciences (AGS), die Genehmigung der US-Regierung, Feldversuche mit dem Eis-Minus-Stamm von Pseudomonas syringae durchzuführen, um Feldfrüchte vor Frost zu schützen, aber Umweltgruppen und Demonstranten verzögerten die Feldversuche um vier Jahre rechtliche Herausforderungen. 1987 wurde der Eis-Minus-Stamm von P. syringae der erste gentechnisch veränderte Organismus (GVO), der in die Umwelt freigesetzt wurde, als ein Erdbeerfeld und ein Kartoffelfeld in Kalifornien damit besprüht wurden. Beide Testfelder wurden in der Nacht vor den Tests von Aktivistengruppen angegriffen: "Das erste Versuchsgelände der Welt zog den ersten Feldzerstörer der Welt an".

Die ersten Feldversuche mit gentechnisch veränderten Pflanzen fanden 1986 in Frankreich und den USA statt, Tabakpflanzen wurden so verändert, dass sie gegen Herbizide resistent sind . Die Volksrepublik China war das erste Land, das transgene Pflanzen kommerzialisierte und 1992 einen virusresistenten Tabak einführte. 1994 erhielt Calgene die Genehmigung, das erste gentechnisch veränderte Lebensmittel kommerziell auf den Markt zu bringen, die Flavr Savr, eine Tomate, die für eine längere Haltbarkeit entwickelt wurde . 1994 genehmigte die Europäische Union Tabak, der gegen das Herbizid Bromoxynil resistent gemacht wurde, und war damit die erste gentechnisch veränderte Nutzpflanze, die in Europa kommerzialisiert wurde. 1995 wurde die Bt-Kartoffel von der Environmental Protection Agency als sicher zugelassen, nachdem sie von der FDA zugelassen worden war, was sie zur ersten Pestizid produzierenden Pflanze machte, die in den USA zugelassen wurde. Im Jahr 2009 wurden 11 transgene Nutzpflanzen in 25 Ländern kommerziell angebaut, von denen die flächenmäßig größten die USA, Brasilien, Argentinien, Indien, Kanada, China, Paraguay und Südafrika waren.

Im Jahr 2010 schufen Wissenschaftler des J. Craig Venter Institute das erste synthetische Genom und fügten es in eine leere Bakterienzelle ein. Das resultierende Bakterium mit dem Namen Mycoplasma laboratorium konnte sich replizieren und Proteine ​​produzieren. Vier Jahre später ging man noch einen Schritt weiter, als ein Bakterium entwickelt wurde, das ein Plasmid replizierte, das ein einzigartiges Basenpaar enthielt, wodurch der erste Organismus geschaffen wurde, der für die Verwendung eines erweiterten genetischen Alphabets konstruiert wurde. 2012 haben Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier zusammengearbeitet, um das CRISPR/Cas9 -System zu entwickeln, eine Technik, mit der das Genom fast aller Organismen einfach und gezielt verändert werden kann.

Verfahren

Die Polymerase-Kettenreaktion ist ein leistungsstarkes Werkzeug, das beim molekularen Klonen verwendet wird

Die Herstellung eines GVO ist ein mehrstufiger Prozess. Gentechniker müssen zunächst auswählen, welches Gen sie in den Organismus einfügen möchten. Dies wird durch das Ziel für den resultierenden Organismus vorangetrieben und baut auf früherer Forschung auf. Genetische Screens können durchgeführt werden, um potenzielle Gene zu bestimmen, und weitere Tests werden dann verwendet, um die besten Kandidaten zu identifizieren. Die Entwicklung von Microarrays, Transkriptomik und Genomsequenzierung hat es viel einfacher gemacht, geeignete Gene zu finden. Glück spielt auch eine Rolle; Das Roundup Ready -Gen wurde entdeckt, nachdem Wissenschaftler ein Bakterium bemerkten, das in Gegenwart des Herbizids gedeiht.

Genisolierung und Klonierung

Der nächste Schritt ist die Isolierung des Kandidatengens. Die Zelle, die das Gen enthält, wird geöffnet und die DNA wird gereinigt. Das Gen wird getrennt, indem Restriktionsenzyme verwendet werden, um die DNA in Fragmente zu schneiden, oder Polymerase-Kettenreaktion (PCR), um das Gensegment zu amplifizieren. Diese Segmente können dann durch Gelelektrophorese extrahiert werden . Wenn das ausgewählte Gen oder das Genom des Spenderorganismus gut untersucht wurde, kann es bereits aus einer genetischen Bibliothek zugänglich sein . Wenn die DNA-Sequenz bekannt ist, aber keine Kopien des Gens verfügbar sind, kann es auch künstlich synthetisiert werden . Nach der Isolierung wird das Gen in ein Plasmid ligiert, das dann in ein Bakterium eingeführt wird. Das Plasmid wird repliziert, wenn sich die Bakterien teilen, wodurch sichergestellt wird, dass unbegrenzte Kopien des Gens verfügbar sind. Das RK2-Plasmid zeichnet sich durch seine Fähigkeit aus, sich in einer Vielzahl von einzelligen Organismen zu replizieren, was es als gentechnisches Werkzeug geeignet macht.

Bevor das Gen in den Zielorganismus eingefügt wird, muss es mit anderen genetischen Elementen kombiniert werden. Dazu gehören eine Promotor- und eine Terminatorregion, die die Transkription einleiten und beenden . Ein selektierbares Markergen wird hinzugefügt, das in den meisten Fällen eine Antibiotikaresistenz verleiht, sodass Forscher leicht feststellen können, welche Zellen erfolgreich transformiert wurden. Das Gen kann in diesem Stadium auch für eine bessere Expression oder Wirksamkeit modifiziert werden. Diese Manipulationen werden unter Verwendung rekombinanter DNA- Techniken wie Restriktionsverdaus, Ligationen und molekularer Klonierung durchgeführt.

Einfügen von DNA in das Wirtsgenom

Eine Genkanone verwendet Biolistik, um DNA in Pflanzengewebe einzufügen

Es gibt eine Reihe von Techniken, die verwendet werden, um genetisches Material in das Wirtsgenom einzufügen. Einige Bakterien können auf natürliche Weise fremde DNA aufnehmen . Diese Fähigkeit kann bei anderen Bakterien durch Stress (z. B. Thermo- oder Elektroschock) induziert werden, was die Durchlässigkeit der Zellmembran für DNA erhöht; Aufgenommene DNA kann entweder in das Genom integriert werden oder als extrachromosomale DNA vorliegen . DNA wird im Allgemeinen mittels Mikroinjektion in tierische Zellen eingeführt, wo sie durch die Kernhülle der Zelle direkt in den Zellkern injiziert werden kann, oder durch die Verwendung viraler Vektoren .

Pflanzengenome können durch physikalische Verfahren oder durch Verwendung von Agrobacterium für die Lieferung von Sequenzen, die in binären T-DNA-Vektoren untergebracht sind, konstruiert werden . In Pflanzen wird die DNA häufig unter Verwendung von Agrobacterium - vermittelter Transformation eingefügt, wobei die T-DNA- Sequenz von Agrobacterium ausgenutzt wird, die eine natürliche Insertion von genetischem Material in Pflanzenzellen ermöglicht. Weitere Methoden sind die Biolistik, bei der Gold- oder Wolframpartikel mit DNA beschichtet und dann in junge Pflanzenzellen geschossen werden, und die Elektroporation, bei der die Zellmembran mit einem Elektroschock für Plasmid-DNA durchlässig gemacht wird.

Da nur eine einzelne Zelle mit genetischem Material transformiert wird, muss der Organismus aus dieser einzelnen Zelle regeneriert werden. Bei Pflanzen wird dies durch die Verwendung von Gewebekulturen erreicht . Bei Tieren muss sichergestellt werden, dass die eingefügte DNA in den embryonalen Stammzellen vorhanden ist . Bakterien bestehen aus einer einzigen Zelle und vermehren sich klonal, sodass eine Regeneration nicht erforderlich ist. Selektierbare Marker werden verwendet, um transformierte von untransformierten Zellen leicht zu unterscheiden. Diese Marker sind normalerweise im transgenen Organismus vorhanden, obwohl eine Reihe von Strategien entwickelt wurden, die den selektierbaren Marker aus der reifen transgenen Pflanze entfernen können.

A. tumefaciens heftet sich an eine Karottenzelle

Weitere Tests unter Verwendung von PCR, Southern-Hybridisierung und DNA-Sequenzierung werden durchgeführt, um zu bestätigen, dass ein Organismus das neue Gen enthält. Diese Tests können auch die chromosomale Position und Kopienzahl des eingefügten Gens bestätigen. Das Vorhandensein des Gens garantiert nicht, dass es im Zielgewebe in angemessener Menge exprimiert wird, daher werden auch Methoden verwendet, die nach Genprodukten (RNA und Protein) suchen und diese messen. Dazu gehören Northern-Hybridisierung, quantitative RT-PCR, Western Blot, Immunfluoreszenz, ELISA und phänotypische Analyse.

Das neue genetische Material kann zufällig in das Wirtsgenom eingefügt oder gezielt an einer bestimmten Stelle platziert werden. Die Technik des Gen-Targeting verwendet homologe Rekombination, um gewünschte Änderungen an einem spezifischen endogenen Gen vorzunehmen. Dies tritt in der Regel bei Pflanzen und Tieren mit relativ geringer Häufigkeit auf und erfordert im Allgemeinen die Verwendung von selektierbaren Markern . Die Häufigkeit des Gen-Targetings kann durch Genome Editing erheblich gesteigert werden . Die Genombearbeitung verwendet künstlich erzeugte Nukleasen, die spezifische Doppelstrangbrüche an gewünschten Stellen im Genom erzeugen und die endogenen Mechanismen der Zelle verwenden, um den induzierten Bruch durch die natürlichen Prozesse der homologen Rekombination und nichthomologen Endverbindung zu reparieren . Es gibt vier Familien von gentechnisch veränderten Nukleasen: Meganukleasen, Zinkfinger-Nukleasen, Transkriptionsaktivator-ähnliche Effektornukleasen (TALENs) und das Cas9-guideRNA-System (adaptiert von CRISPR ). TALEN und CRISPR sind die beiden am häufigsten verwendeten und haben jeweils ihre eigenen Vorteile. TALENs haben eine größere Zielspezifität, während CRISPR einfacher zu entwerfen und effizienter ist. Zusätzlich zur Verbesserung des Gen-Targetings können gentechnisch veränderte Nukleasen verwendet werden, um Mutationen an endogenen Genen einzuführen, die einen Gen-Knockout erzeugen .

Anwendungen

Gentechnik findet Anwendung in Medizin, Forschung, Industrie und Landwirtschaft und kann bei einer Vielzahl von Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen eingesetzt werden. Bakterien, die ersten gentechnisch veränderten Organismen, können Plasmid-DNA haben, die neue Gene enthält, die für Medikamente oder Enzyme codieren, die Lebensmittel und andere Substrate verarbeiten . Pflanzen wurden für Insektenschutz, Herbizidresistenz, Virusresistenz, verbesserte Ernährung, Toleranz gegenüber Umweltbelastungen und die Herstellung von essbaren Impfstoffen modifiziert . Die meisten kommerzialisierten GVO sind insektenresistente oder herbizidtolerante Nutzpflanzen. Gentechnisch veränderte Tiere wurden für Forschungszwecke, Modelltiere und die Herstellung landwirtschaftlicher oder pharmazeutischer Produkte verwendet. Zu den gentechnisch veränderten Tieren gehören Tiere mit ausgeschalteten Genen, erhöhter Anfälligkeit für Krankheiten, Hormonen für zusätzliches Wachstum und der Fähigkeit, Proteine ​​in ihrer Milch zu exprimieren.

Medizin

Die Gentechnik hat viele Anwendungen in der Medizin, darunter die Herstellung von Arzneimitteln, die Schaffung von Modelltieren, die menschliche Bedingungen nachahmen, und die Gentherapie . Eine der frühesten Anwendungen der Gentechnik war die Massenproduktion von Humaninsulin in Bakterien. Diese Anwendung wurde nun auf menschliche Wachstumshormone, follikelstimulierende Hormone (zur Behandlung von Unfruchtbarkeit), menschliches Albumin, monoklonale Antikörper, antihämophile Faktoren, Impfstoffe und viele andere Arzneimittel angewendet. Maus - Hybridome, miteinander verschmolzene Zellen, um monoklonale Antikörper zu erzeugen, wurden durch Gentechnik angepasst, um menschliche monoklonale Antikörper zu erzeugen. Es werden gentechnisch veränderte Viren entwickelt, die immer noch Immunität verleihen können, denen aber die infektiösen Sequenzen fehlen .

Gentechnik wird auch verwendet, um Tiermodelle menschlicher Krankheiten zu erstellen. Gentechnisch veränderte Mäuse sind das am weitesten verbreitete gentechnisch veränderte Tiermodell. Sie wurden zur Untersuchung und Modellierung von Krebs (der Onkomaus ), Fettleibigkeit, Herzkrankheiten, Diabetes, Arthritis, Drogenmissbrauch, Angstzuständen, Alterung und der Parkinson-Krankheit verwendet. Potenzielle Heilmittel können an diesen Mausmodellen getestet werden.

Gentherapie ist die Gentechnik des Menschen, im Allgemeinen durch den Ersatz defekter Gene durch wirksame. Klinische Forschung unter Verwendung der somatischen Gentherapie wurde mit mehreren Krankheiten durchgeführt, einschließlich X-chromosomaler SCID, chronischer lymphatischer Leukämie (CLL) und Parkinson-Krankheit . Im Jahr 2012 wurde Alipogene tiparvovec als erste gentherapeutische Behandlung für die klinische Anwendung zugelassen. Im Jahr 2015 wurde ein Virus verwendet, um ein gesundes Gen in die Hautzellen eines Jungen einzufügen, der an einer seltenen Hautkrankheit, Epidermolysis bullosa, litt, um zu wachsen, und dann gesunde Haut auf 80 Prozent des Körpers des Jungen zu transplantieren, der davon betroffen war Krankheit.

Eine Keimbahn -Gentherapie würde dazu führen, dass jede Veränderung vererbbar wäre, was in der wissenschaftlichen Gemeinschaft zu Bedenken geführt hat. Im Jahr 2015 wurde CRISPR verwendet, um die DNA nicht lebensfähiger menschlicher Embryonen zu bearbeiten, was Wissenschaftler der wichtigsten Akademien der Welt dazu veranlasste, ein Moratorium für vererbbare menschliche Genombearbeitungen zu fordern. Es gibt auch Bedenken, dass die Technologie nicht nur zur Behandlung, sondern auch zur Verbesserung, Modifikation oder Veränderung des Aussehens, der Anpassungsfähigkeit, der Intelligenz, des Charakters oder des Verhaltens eines Menschen verwendet werden könnte. Auch die Unterscheidung zwischen Heilung und Verbesserung kann schwierig sein. Im November 2018 gab He Jiankui bekannt, dass er die Genome von zwei menschlichen Embryonen bearbeitet hatte, um zu versuchen, das CCR5 -Gen zu deaktivieren, das für einen Rezeptor kodiert, den HIV verwendet, um in Zellen einzudringen. Die Arbeit wurde allgemein als unethisch, gefährlich und verfrüht verurteilt. Derzeit ist die Keimbahnmodifikation in 40 Ländern verboten. Wissenschaftler, die diese Art von Forschung betreiben, lassen Embryonen oft einige Tage wachsen, ohne dass sie sich zu einem Baby entwickeln können.

Forscher verändern das Genom von Schweinen, um das Wachstum menschlicher Organe zu induzieren, mit dem Ziel, den Erfolg der Organtransplantation vom Schwein zum Menschen zu steigern . Wissenschaftler erstellen "Gene Drives", verändern die Genome von Moskitos, um sie gegen Malaria immun zu machen, und versuchen dann, die genetisch veränderten Moskitos in der Moskitopopulation zu verbreiten, in der Hoffnung, die Krankheit zu eliminieren.

Forschung

Menschliche Zellen, in denen einige Proteine ​​mit grün fluoreszierendem Protein fusioniert sind, um sie sichtbar zu machen

Die Gentechnik ist ein wichtiges Werkzeug für Naturwissenschaftler, wobei die Erzeugung transgener Organismen eines der wichtigsten Werkzeuge zur Analyse der Genfunktion ist. Gene und andere genetische Informationen aus einer Vielzahl von Organismen können zur Speicherung und Modifikation in Bakterien eingefügt werden, wodurch genetisch veränderte Bakterien entstehen. Bakterien sind billig, einfach zu züchten, klonal, vermehren sich schnell, sind relativ leicht zu transformieren und können bei -80 °C fast unbegrenzt gelagert werden. Sobald ein Gen isoliert ist, kann es in den Bakterien gespeichert werden, wodurch ein unbegrenzter Vorrat für die Forschung bereitgestellt wird.

Organismen werden gentechnisch verändert, um die Funktionen bestimmter Gene zu entdecken. Dies könnte die Auswirkung auf den Phänotyp des Organismus sein, wo das Gen exprimiert wird oder mit welchen anderen Genen es interagiert. Diese Experimente beinhalten im Allgemeinen Funktionsverlust, Funktionsgewinn, Tracking und Expression.

  • Funktionsverlustexperimente, wie z. B. in einem Gen-Knockout- Experiment, bei dem ein Organismus so manipuliert wird, dass ihm die Aktivität eines oder mehrerer Gene fehlt. Bei einem einfachen Knockout wurde eine Kopie des gewünschten Gens verändert, um es funktionsunfähig zu machen. Embryonale Stammzellen nehmen das veränderte Gen auf, das die bereits vorhandene funktionsfähige Kopie ersetzt. Diese Stammzellen werden in Blastozysten injiziert, die Leihmüttern implantiert werden. Dies ermöglicht dem Experimentator, die durch diese Mutation verursachten Defekte zu analysieren und dadurch die Rolle bestimmter Gene zu bestimmen. Besonders häufig wird es in der Entwicklungsbiologie eingesetzt . Wenn dies durch Erstellen einer Bibliothek von Genen mit Punktmutationen an jeder Position im interessierenden Bereich oder sogar an jeder Position im gesamten Gen erfolgt, wird dies als "Scanning-Mutagenese" bezeichnet. Die einfachste und als erste angewandte Methode ist das „Alanin-Scanning“, bei dem jede Position der Reihe nach zur unreaktiven Aminosäure Alanin mutiert wird .
  • Gewinnfunktionsexperimente, das logische Gegenstück zu Knockouts. Diese werden manchmal in Verbindung mit Knockout-Experimenten durchgeführt, um die Funktion des gewünschten Gens genauer zu bestimmen. Der Prozess ist weitgehend derselbe wie beim Knockout-Engineering, außer dass das Konstrukt darauf ausgelegt ist, die Funktion des Gens zu erhöhen, normalerweise durch Bereitstellen zusätzlicher Kopien des Gens oder häufigeres Induzieren der Synthese des Proteins. Funktionsgewinn wird verwendet, um zu sagen, ob ein Protein für eine Funktion ausreicht oder nicht, bedeutet aber nicht immer, dass es erforderlich ist, insbesondere wenn es um genetische oder funktionelle Redundanz geht.
  • Tracking-Experimente, die Informationen über die Lokalisierung und Interaktion des gewünschten Proteins gewinnen sollen. Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, das Wildtyp-Gen durch ein „Fusions“-Gen zu ersetzen, bei dem es sich um eine Gegenüberstellung des Wildtyp-Gens mit einem Berichtselement wie dem grün fluoreszierenden Protein (GFP) handelt, das eine einfache Visualisierung der Produkte ermöglicht der gentechnischen Veränderung. Obwohl dies eine nützliche Technik ist, kann die Manipulation die Funktion des Gens zerstören, Sekundäreffekte erzeugen und möglicherweise die Ergebnisse des Experiments in Frage stellen. Derzeit werden ausgefeiltere Techniken entwickelt, mit denen Proteinprodukte verfolgt werden können, ohne ihre Funktion zu beeinträchtigen, wie z. B. das Hinzufügen kleiner Sequenzen, die als Bindungsmotive für monoklonale Antikörper dienen.
  • Expressionsstudien zielen darauf ab herauszufinden, wo und wann bestimmte Proteine ​​produziert werden. Bei diesen Experimenten wird die DNA-Sequenz vor der DNA, die für ein Protein kodiert, bekannt als Promotor eines Gens, wieder in einen Organismus eingeführt, wobei die proteinkodierende Region durch ein Reportergen wie GFP oder ein Enzym ersetzt wird, das die Produktion eines Farbstoffs katalysiert . So können Zeitpunkt und Ort der Produktion eines bestimmten Proteins beobachtet werden. Expressionsstudien können noch einen Schritt weiter gehen, indem der Promotor verändert wird, um herauszufinden, welche Teile für die richtige Expression des Gens entscheidend sind und tatsächlich von Transkriptionsfaktorproteinen gebunden werden; Dieser Vorgang wird als Promoter-Bashing bezeichnet .

Industriell

Produkte der Gentechnik

Organismen können ihre Zellen mit einem Gen transformieren lassen, das für ein nützliches Protein kodiert, beispielsweise ein Enzym, so dass sie das gewünschte Protein überexprimieren . Massenmengen des Proteins können dann hergestellt werden, indem der transformierte Organismus in Bioreaktoranlagen unter Verwendung industrieller Fermentation gezüchtet und das Protein dann gereinigt wird. Einige Gene funktionieren in Bakterien nicht gut, daher können auch Hefe-, Insekten- oder Säugetierzellen verwendet werden. Diese Techniken werden verwendet, um Medikamente wie Insulin, menschliches Wachstumshormon und Impfstoffe, Nahrungsergänzungsmittel wie Tryptophan, Hilfsmittel bei der Produktion von Lebensmitteln ( Chymosin in der Käseherstellung) und Kraftstoffe herzustellen. Andere Anwendungen mit gentechnisch veränderten Bakterien könnten darin bestehen, sie dazu zu bringen, Aufgaben außerhalb ihres natürlichen Kreislaufs auszuführen, wie z . Bestimmte gentechnisch veränderte Mikroben können aufgrund ihrer Fähigkeit, Schwermetalle aus ihrer Umgebung zu extrahieren und sie in Verbindungen einzubauen, die leichter rückgewinnbar sind , auch im Biobergbau und in der biologischen Sanierung verwendet werden.

In der Materialwissenschaft wurde ein gentechnisch verändertes Virus in einem Forschungslabor als Gerüst für den Zusammenbau einer umweltfreundlicheren Lithium-Ionen-Batterie verwendet . Bakterien wurden auch so konstruiert, dass sie als Sensoren fungieren, indem sie unter bestimmten Umweltbedingungen ein fluoreszierendes Protein exprimieren.

Landwirtschaft

In Erdnussblättern enthaltene Bt-Toxine (unteres Bild) schützen es vor umfangreichen Schäden durch Maisstängelkäferlarven ( oberes Bild).

Eine der bekanntesten und umstrittensten Anwendungen der Gentechnik ist die Schaffung und Verwendung von gentechnisch veränderten Pflanzen oder gentechnisch veränderten Nutztieren zur Herstellung von gentechnisch veränderten Lebensmitteln . Pflanzen wurden entwickelt, um die Produktion zu steigern, die Toleranz gegenüber abiotischem Stress zu erhöhen, die Zusammensetzung der Nahrung zu verändern oder neuartige Produkte herzustellen.

Die ersten Nutzpflanzen, die in großem Umfang kommerziell freigesetzt wurden, boten Schutz vor Schadinsekten oder Toleranz gegenüber Herbiziden . Pilz- und virusresistente Nutzpflanzen wurden ebenfalls entwickelt oder befinden sich in der Entwicklung. Dies erleichtert das Insekten- und Unkrautmanagement von Kulturpflanzen und kann indirekt den Ernteertrag steigern. GV-Pflanzen, die den Ertrag direkt verbessern, indem sie das Wachstum beschleunigen oder die Pflanze widerstandsfähiger machen (durch Verbesserung der Salz-, Kälte- oder Dürretoleranz), befinden sich ebenfalls in der Entwicklung. Im Jahr 2016 wurden Lachse mit Wachstumshormonen genetisch verändert, um viel schneller die normale Erwachsenengröße zu erreichen.

Es wurden GVO entwickelt, die die Qualität von Produkten verändern, indem sie den Nährwert erhöhen oder industriell nützlichere Qualitäten oder Mengen bereitstellen. Die Amflora- Kartoffel produziert eine industriell nützlichere Stärkemischung. Sojabohnen und Raps wurden gentechnisch verändert, um gesündere Öle zu produzieren. Das erste kommerzialisierte gentechnisch veränderte Lebensmittel war eine Tomate mit verzögerter Reifung, wodurch ihre Haltbarkeit verlängert wurde .

Pflanzen und Tiere wurden so konstruiert, dass sie Materialien produzieren, die sie normalerweise nicht herstellen. Pharming verwendet Nutzpflanzen und Tiere als Bioreaktoren, um Impfstoffe, Arzneimittelzwischenprodukte oder die Arzneimittel selbst herzustellen; Das Nutzprodukt wird aus der Ernte gereinigt und dann im pharmazeutischen Standardproduktionsprozess verwendet. Kühe und Ziegen wurden so manipuliert, dass sie Medikamente und andere Proteine ​​in ihrer Milch exprimieren, und 2009 genehmigte die FDA ein in Ziegenmilch hergestelltes Medikament.

Andere Anwendungen

Die Gentechnik hat potenzielle Anwendungen im Naturschutz und in der Bewirtschaftung natürlicher Gebiete. Der Gentransfer durch virale Vektoren wurde als Mittel zur Bekämpfung invasiver Arten sowie zur Impfung bedrohter Fauna gegen Krankheiten vorgeschlagen. Transgene Bäume wurden vorgeschlagen, um Wildpopulationen Resistenz gegen Krankheitserreger zu verleihen. Angesichts des zunehmenden Risikos einer Fehlanpassung bei Organismen infolge des Klimawandels und anderer Störungen könnte eine erleichterte Anpassung durch Genveränderung eine Lösung zur Verringerung des Aussterberisikos sein. Anwendungen der Gentechnik im Naturschutz sind bisher meist theoretisch und müssen erst noch in die Praxis umgesetzt werden.

Gentechnik wird auch verwendet, um mikrobielle Kunst zu schaffen . Einige Bakterien wurden gentechnisch verändert, um Schwarz-Weiß-Fotografien zu erstellen. Neuartige Artikel wie lavendelfarbene Nelken, blaue Rosen und leuchtende Fische wurden ebenfalls durch Gentechnik hergestellt.

Verordnung

Die Regulierung der Gentechnik betrifft die Ansätze der Regierungen zur Bewertung und zum Umgang mit den Risiken, die mit der Entwicklung und Freisetzung von GVO verbunden sind. Die Entwicklung eines regulatorischen Rahmens begann 1975 in Asilomar, Kalifornien. Das Asilomar-Meeting empfahl eine Reihe freiwilliger Richtlinien zur Verwendung rekombinanter Technologie. Als sich die Technologie verbesserte, richteten die USA ein Komitee beim Office of Science and Technology ein, das die behördliche Zulassung von gentechnisch veränderten Lebensmitteln an das USDA, die FDA und die EPA übertrug. Am 29. Januar 2000 wurde das Cartagena Protocol on Biosafety verabschiedet, ein internationales Abkommen, das die Übertragung, Handhabung und Verwendung von GVO regelt. 157 Länder sind Mitglieder des Protokolls und viele verwenden es als Bezugspunkt für ihre eigene Regelungen.

Der rechtliche und regulatorische Status von gentechnisch veränderten Lebensmitteln ist von Land zu Land unterschiedlich, wobei einige Nationen sie verbieten oder einschränken und andere sie mit sehr unterschiedlichen Regulierungsgraden zulassen. Einige Länder erlauben den Import von gentechnisch veränderten Lebensmitteln mit Genehmigung, erlauben aber entweder deren Anbau nicht (Russland, Norwegen, Israel) oder haben Anbauvorschriften, obwohl noch keine gentechnisch veränderten Produkte hergestellt werden (Japan, Südkorea). Die meisten Länder, die den GVO-Anbau nicht zulassen, erlauben die Forschung. Einige der deutlichsten Unterschiede treten zwischen den USA und Europa auf. Die US-Politik konzentriert sich auf das Produkt (nicht den Prozess), betrachtet nur nachprüfbare wissenschaftliche Risiken und verwendet das Konzept der substanziellen Äquivalenz . Die Europäische Union hingegen hat die vielleicht strengsten GVO-Vorschriften der Welt. Alle GVO gelten zusammen mit bestrahlten Lebensmitteln als „neue Lebensmittel“ und unterliegen einer umfassenden, wissenschaftlich fundierten Lebensmittelbewertung von Fall zu Fall durch die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit . Die Zulassungskriterien fallen in vier große Kategorien: „Sicherheit“, „Wahlfreiheit“, „Kennzeichnung“ und „Rückverfolgbarkeit“. Das Regulierungsniveau in anderen Ländern, die GVO anbauen, liegt zwischen Europa und den Vereinigten Staaten.

Aufsichtsbehörden nach geografischer Region
Region Regulierungsbehörden Anmerkungen
UNS USDA, FDA und EPA
Europa Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit
Kanada Health Canada und die Canadian Food Inspection Agency Regulierte Produkte mit neuartigen Eigenschaften unabhängig von der Herkunftsmethode
Afrika Gemeinsamer Markt für das östliche und südliche Afrika Die endgültige Entscheidung liegt bei jedem einzelnen Land.
China Amt für landwirtschaftliche Gentechnik Biosicherheitsverwaltung
Indien Institutional Biosafety Committee, Review Committee on Genetic Manipulation and Genetic Engineering Approval Committee
Argentinien Nationaler Beratungsausschuss für landwirtschaftliche Biotechnologie (Umweltauswirkungen), der Nationale Dienst für Gesundheit und Lebensmittelqualität (Lebensmittelsicherheit) und die Nationale Agribusiness-Direktion (Auswirkungen auf den Handel) Endgültige Entscheidung des Sekretariats für Landwirtschaft, Viehzucht, Fischerei und Ernährung.
Brasilien Nationale Technische Kommission für Biosicherheit (Umwelt- und Lebensmittelsicherheit) und Ministerrat (Handels- und Wirtschaftsfragen)
Australien Office of the Gene Technology Regulator (beaufsichtigt alle gentechnisch veränderten Produkte), Therapeutic Goods Administration (gentechnisch veränderte Arzneimittel) und Food Standards Australia New Zealand (gentechnisch veränderte Lebensmittel). Die einzelnen Landesregierungen können dann die Auswirkungen der Freisetzung auf Märkte und Handel bewerten und weitere Gesetze zur Kontrolle genehmigter gentechnisch veränderter Produkte anwenden.

Eine der Schlüsselfragen, die Regulierungsbehörden betreffen, ist, ob gentechnisch veränderte Produkte gekennzeichnet werden sollten. Die Europäische Kommission sagt, dass eine obligatorische Kennzeichnung und Rückverfolgbarkeit erforderlich sind, um eine fundierte Wahl zu ermöglichen, potenzielle falsche Werbung zu vermeiden und die Rücknahme von Produkten zu erleichtern, wenn nachteilige Auswirkungen auf die Gesundheit oder die Umwelt festgestellt werden. Die American Medical Association und die American Association for the Advancement of Science sagen, dass ohne wissenschaftliche Beweise für Schäden selbst eine freiwillige Kennzeichnung irreführend ist und die Verbraucher fälschlicherweise alarmiert. Die Kennzeichnung von GVO-Produkten auf dem Markt ist in 64 Ländern vorgeschrieben. Die Kennzeichnung kann bis zu einem Schwellenwert für den GVO-Gehalt (der von Land zu Land unterschiedlich ist) obligatorisch oder freiwillig sein. In Kanada und den USA ist die Kennzeichnung gentechnisch veränderter Lebensmittel freiwillig, während in Europa alle Lebensmittel (einschließlich verarbeiteter Lebensmittel ) oder Futtermittel, die mehr als 0,9 % zugelassener GVO enthalten, gekennzeichnet werden müssen.

Kontroverse

Kritiker haben gegen den Einsatz von Gentechnik aus mehreren Gründen Einwände erhoben, darunter ethische, ökologische und wirtschaftliche Bedenken. Viele dieser Bedenken betreffen gentechnisch veränderte Pflanzen und die Frage, ob daraus hergestellte Lebensmittel sicher sind und welche Auswirkungen ihr Anbau auf die Umwelt haben wird. Diese Kontroversen haben zu Rechtsstreitigkeiten, internationalen Handelsstreitigkeiten und Protesten sowie zu einer restriktiven Regulierung kommerzieller Produkte in einigen Ländern geführt.

Vorwürfe, dass Wissenschaftler „ Gott spielen “, und andere religiöse Probleme wurden von Anfang an der Technologie zugeschrieben. Zu den weiteren angesprochenen ethischen Fragen gehören die Patentierung von Leben, die Nutzung geistiger Eigentumsrechte, der Grad der Produktkennzeichnung, die Kontrolle der Lebensmittelversorgung und die Objektivität des Regulierungsprozesses. Obwohl Zweifel geäußert wurden, haben die meisten Studien festgestellt, dass der Anbau von GV-Pflanzen für die Landwirte von Vorteil ist.

Der Genfluss zwischen gentechnisch veränderten Pflanzen und kompatiblen Pflanzen kann zusammen mit dem verstärkten Einsatz selektiver Herbizide das Risiko der Entwicklung von „ Superunkräutern “ erhöhen. Andere Umweltbedenken betreffen potenzielle Auswirkungen auf Nichtzielorganismen, einschließlich Bodenmikroben, und eine Zunahme von sekundären und resistenten Insektenschädlingen. Es kann viele Jahre dauern, bis viele der Umweltauswirkungen von GV-Pflanzen verstanden werden, und sie sind auch in konventionellen landwirtschaftlichen Praktiken offensichtlich. Mit der Kommerzialisierung von gentechnisch verändertem Fisch gibt es Bedenken hinsichtlich der Umweltfolgen, wenn sie entkommen.

Hinsichtlich der Sicherheit gentechnisch veränderter Lebensmittel gibt es drei Hauptbedenken: ob sie eine allergische Reaktion hervorrufen können ; ob die Gene aus der Nahrung in menschliche Zellen übertragen werden könnten; und ob die nicht für den menschlichen Verzehr zugelassenen Gene auf andere Nutzpflanzen ausgekreuzt werden könnten. Es besteht wissenschaftlicher Konsens darüber, dass derzeit verfügbare Lebensmittel aus gentechnisch veränderten Pflanzen kein größeres Risiko für die menschliche Gesundheit darstellen als herkömmliche Lebensmittel, dass jedoch jedes gentechnisch veränderte Lebensmittel vor der Einführung von Fall zu Fall getestet werden muss. Dennoch ist es weniger wahrscheinlich als Wissenschaftler, dass Mitglieder der Öffentlichkeit gentechnisch veränderte Lebensmittel als sicher ansehen.

In der Populärkultur

Gentechnik spielt in vielen Science-Fiction- Geschichten eine Rolle. Frank Herberts Roman „ Die weiße Pest “ beschreibt den gezielten Einsatz von Gentechnik zur Herstellung eines Erregers, der speziell Frauen tötet. Eine weitere von Herberts Kreationen, die Dune -Romanreihe, verwendet Gentechnik, um das mächtige Tleilaxu zu erschaffen . Nur wenige Filme haben das Publikum über Gentechnik informiert, mit Ausnahme von The Boys from Brazil von 1978 und Jurassic Park von 1993, die beide eine Lektion, eine Demonstration und einen Clip eines wissenschaftlichen Films verwenden. Gentechnische Methoden sind im Film schwach vertreten; Michael Clark, der für den Wellcome Trust schreibt, nennt die Darstellung von Gentechnik und Biotechnologie in Filmen wie „ The 6th Day “ „ernsthaft verzerrt“ . Nach Clarks Ansicht erhält die Biotechnologie typischerweise „phantastische, aber visuell fesselnde Formen“, während die Wissenschaft entweder in den Hintergrund gedrängt oder fiktionalisiert wird, um einem jungen Publikum gerecht zu werden.

Im Videospiel BioShock von 2007 spielt die Gentechnik eine wichtige Rolle in der zentralen Handlung und im Universum. Das Spiel findet in der fiktiven Unterwasser-Dystopie Rapture statt, in der ihre Bewohner genetische übermenschliche Fähigkeiten besitzen, nachdem sie sich selbst „Plasmide“ injiziert haben, ein Serum, das solche Kräfte verleiht. Ebenfalls in der Stadt Rapture sind „Little Sisters“, kleine Mädchen, die generisch konstruiert sind, sowie ein Nebenplot, in dem eine Kabarettistin ihren Fötus an Genwissenschaftler verkauft, die dem Neugeborenen falsche Erinnerungen einpflanzen und es gentechnisch zum Wachsen bringen in einen Erwachsenen.

Siehe auch

Verweise

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Externe Links