Geenitekniikka -Genetic engineering

Wikipediasta, ilmaisesta tietosanakirjasta

Geenitekniikka, jota kutsutaan myös geneettiseksi muuntamiseksi tai geenimanipulaatioksi, on organismin geenien muuntamista ja manipulointia teknologian avulla . Se on joukko tekniikoita, joita käytetään muuttamaan solujen geneettistä rakennetta, mukaan lukien geenien siirto lajirajojen sisällä ja niiden välillä parempien tai uusien organismien tuottamiseksi . Uusi DNA saadaan joko eristämällä ja kopioimalla kiinnostava geneettinen materiaali yhdistelmä-DNA - menetelmillä tai syntetisoimalla DNA keinotekoisesti . Yleensä luodaan rakenne ja sitä käytetään tämän DNA:n liittämiseen isäntäorganismiin. Ensimmäisen rekombinantti-DNA-molekyylin valmisti Paul Berg vuonna 1972 yhdistämällä apinaviruksen SV40 DNA: ta lambda-virukseen . Geenien lisäämisen lisäksi prosessia voidaan käyttää geenien poistamiseen tai " poistamiseen ". Uusi DNA voidaan lisätä satunnaisesti tai kohdistaa tiettyyn genomin osaan .

Geenitekniikan avulla tuotettu organismi katsotaan geneettisesti muunnetuksi (GM) ja tuloksena oleva kokonaisuus on geneettisesti muunneltu organismi (GMO). Ensimmäinen GMO oli Herbert Boyerin ja Stanley Cohenin vuonna 1973 tuottama bakteeri . Rudolf Jaenisch loi ensimmäisen GM-eläimen, kun hän asetti vieraan DNA:n hiireen vuonna 1974. Ensimmäinen geenitekniikkaan keskittynyt yritys, Genentech, perustettiin vuonna 1976 ja aloitti ihmisen proteiinien tuotannon. Geenimuunneltu ihmisinsuliini valmistettiin vuonna 1978 ja insuliinia tuottavat bakteerit kaupallistettiin vuonna 1982. Geenimuunneltuja elintarvikkeita on myyty vuodesta 1994 lähtien, jolloin Flavr Savr -tomaatti julkaistiin . Flavr Savr suunniteltiin kestämään pidempään, mutta useimpia nykyisiä GM-kasveja on muunnettu lisäämään vastustuskykyä hyönteisiä ja rikkakasvien torjunta-aineita vastaan. GloFish, ensimmäinen lemmikkiksi suunniteltu GMO, myytiin Yhdysvalloissa joulukuussa 2003. Vuonna 2016 myytiin kasvuhormonilla modifioitua lohta .

Geenitekniikkaa on sovellettu useilla aloilla, mukaan lukien tutkimus, lääketiede, teollinen biotekniikka ja maatalous. Tutkimuksessa GMO:ita käytetään geenien toiminnan ja ilmentymisen tutkimiseen toiminnan menettämisen, toiminnan lisääntymisen, seuranta- ja ilmentämiskokeiden kautta. Tietyistä olosuhteista vastuussa olevat geenit poistamalla voidaan luoda ihmissairauksien eläinmalleja . Geenitekniikalla on hormonien, rokotteiden ja muiden lääkkeiden tuotannon lisäksi potentiaalia parantaa geneettisiä sairauksia geeniterapian avulla . Samoilla tekniikoilla, joita käytetään lääkkeiden valmistukseen, voi olla myös teollisia sovelluksia, kuten entsyymien tuottaminen pyykinpesuaineille, juustoille ja muille tuotteille.

Kaupallisten geneettisesti muunnettujen viljelykasvien nousu on tuonut taloudellista hyötyä viljelijöille monissa eri maissa, mutta se on myös aiheuttanut suurimman osan tekniikkaa koskevista kiistoista . Tämä on ollut olemassa sen varhaisesta käytöstä lähtien; GM:n vastustajat tuhosivat ensimmäiset kenttäkokeet. Vaikka tieteellinen yksimielisyys vallitsee siitä, että tällä hetkellä saatavilla olevat GM-kasveista saadut elintarvikkeet eivät aiheuta suurempaa riskiä ihmisten terveydelle kuin tavanomaiset elintarvikkeet, muuntogeenisten elintarvikkeiden turvallisuus on kriitikoiden keskeisin huolenaihe. Mahdollisina ongelmina on myös nostettu esiin geenivirta, vaikutus muihin kuin kohdeeliöihin, elintarvikehuollon valvonta ja immateriaalioikeudet . Nämä huolenaiheet ovat johtaneet sääntelykehyksen kehittämiseen, joka aloitettiin vuonna 1975. Se on johtanut kansainväliseen sopimukseen, Cartagenan bioturvallisuuspöytäkirjaan, joka hyväksyttiin vuonna 2000. Yksittäiset maat ovat kehittäneet omia GMO:eja koskevia sääntelyjärjestelmiään. merkittävimmät erot Yhdysvaltojen ja Euroopan välillä.

IUPAC määritelmä

Geenitekniikka : Prosessi, jossa lisätään uutta geneettistä tietoa olemassa oleviin soluihin tietyn organismin muuntamiseksi sen ominaisuuksien muuttamiseksi.

Huomautus : Mukautettu viitteestä.

Yleiskatsaus

Perinteisen kasvinjalostuksen vertailu siirtogeeniseen ja cisgeeniseen geneettiseen modifikaatioon

Geenitekniikka on prosessi, joka muuttaa organismin geneettistä rakennetta joko poistamalla tai lisäämällä DNA :ta tai muokkaamalla olemassa olevaa geneettistä materiaalia in situ. Toisin kuin perinteisessä eläin- ja kasvinjalostuksessa, jossa risteytetään useita ja sitten valitaan halutun fenotyypin omaava organismi, geenitekniikka ottaa geenin suoraan yhdestä organismista ja toimittaa sen toiseen. Tämä on paljon nopeampi, sitä voidaan käyttää minkä tahansa geenin lisäämiseen mistä tahansa organismista (jopa geenit eri alueista ) ja estää myös muiden ei-toivottujen geenien lisäämisen.

Geenitekniikka voisi mahdollisesti korjata vakavia geneettisiä häiriöitä ihmisissä korvaamalla viallisen geenin toimivalla. Se on tärkeä työkalu tutkimuksessa, jonka avulla voidaan tutkia tiettyjen geenien toimintaa. Lääkkeet, rokotteet ja muut tuotteet on kerätty niitä tuottamaan suunnitelluista organismeista. On kehitetty viljelykasveja, jotka edistävät elintarviketurvaa lisäämällä satoa, ravintoarvoa ja sietokykyä ympäristön kuormituksille.

DNA voidaan viedä suoraan isäntäorganismiin tai soluun, joka sitten fuusioidaan tai hybridisoidaan isännän kanssa. Tämä perustuu rekombinanttisiin nukleiinihappotekniikoihin uusien perinnöllisen geneettisen materiaalin yhdistelmien muodostamiseksi, mitä seuraa kyseisen materiaalin sisällyttäminen joko epäsuorasti vektorijärjestelmän kautta tai suoraan mikroinjektiolla, makroinjektiolla tai mikrokapseloimalla .

Geenitekniikka ei tavallisesti sisällä perinteistä jalostusta, koeputkihedelmöitystä, polyploidian induktiota, mutageneesiä ja solufuusiotekniikoita, joissa ei käytetä prosessissa rekombinantteja nukleiinihappoja tai geneettisesti muunnettua organismia. Jotkut geenitekniikan laajat määritelmät sisältävät kuitenkin valikoivan jalostuksen . Kloonaus ja kantasolututkimus, vaikka niitä ei pidetä geenitekniikana, liittyvät läheisesti toisiinsa ja niissä voidaan käyttää geenitekniikkaa. Synteettinen biologia on nouseva tieteenala, joka vie geenitekniikan askeleen pidemmälle tuomalla keinotekoisesti syntetisoitua materiaalia organismiin.

Geenitekniikan avulla muunnettuja kasveja, eläimiä tai mikro-organismeja kutsutaan geneettisesti muunnetuiksi organismeiksi tai GMO:iksi. Jos isäntään lisätään geneettistä materiaalia toisesta lajista, tuloksena olevaa organismia kutsutaan siirtogeeniseksi . Jos käytetään geneettistä materiaalia samasta lajista tai lajista, joka voi luonnollisesti lisääntyä isännän kanssa, tuloksena olevaa organismia kutsutaan cisgeeniseksi . Jos geenitekniikkaa käytetään geneettisen materiaalin poistamiseen kohde-organismista, tuloksena olevaa organismia kutsutaan poistoorganismiksi . Euroopassa geenimuuntelu on synonyymi geenitekniikalle, kun taas Yhdysvalloissa ja Kanadassa geenimuunnoksia voidaan käyttää viittaamaan myös perinteisempiin jalostusmenetelmiin.

Historia

Ihminen on muuttanut lajien genomeja tuhansien vuosien ajan valikoivan jalostuksen tai keinotekoisen valinnan avulla, toisin kuin luonnonvalinta . Viime aikoina mutaatiojalostuksessa on käytetty altistumista kemikaaleille tai säteilylle tuottamaan korkean taajuuden satunnaisia ​​mutaatioita valikoivaan jalostukseen. Geenitekniikka ihmisen suorittamana DNA:n suorana manipuloimisena lisääntymisen ja mutaatioiden ulkopuolella on ollut olemassa vasta 1970-luvulta lähtien. Termin "geenitekniikka" loi ensimmäisen kerran Jack Williamson tieteisromaanissaan Dragon's Island, joka julkaistiin vuonna 1951 – vuosi ennen kuin Alfred Hershey ja Martha Chase vahvistivat DNA:n roolin perinnöllisyydessä, ja kaksi vuotta ennen kuin James Watson ja Francis Crick näyttivät . että DNA -molekyylillä on kaksoiskierrerakenne – vaikka suoran geneettisen manipuloinnin yleistä käsitettä tutkittiin alkeellisesti Stanley G. Weinbaumin vuoden 1936 tieteiskirjallisessa tarinassa Proteus Island .

Vuonna 1974 Rudolf Jaenisch loi geneettisesti muunnetun hiiren, ensimmäisen muuntogeenisen eläimen.

Vuonna 1972 Paul Berg loi ensimmäiset rekombinantti-DNA - molekyylit yhdistämällä apinaviruksen SV40 DNA: ta lambda-viruksen DNA:han . Vuonna 1973 Herbert Boyer ja Stanley Cohen loivat ensimmäisen siirtogeenisen organismin lisäämällä antibioottiresistenssigeenejä Escherichia coli -bakteerin plasmidiin . Vuotta myöhemmin Rudolf Jaenisch loi siirtogeenisen hiiren viemällä sen alkioon vierasta DNA:ta, mikä teki siitä maailman ensimmäisen siirtogeenisen eläimen . Nämä saavutukset johtivat tiedeyhteisön huoleen geenitekniikan mahdollisista riskeistä, joista keskusteltiin ensin perusteellisesti Asilomarin konferenssissa . Vuonna 1975. Yksi tämän kokouksen tärkeimmistä suosituksista oli, että yhdistelmä-DNA-tutkimuksen hallituksen valvonta olisi perustettava, kunnes teknologian katsotaan olevan turvallinen.

Vuonna 1976 Herbert Boyer ja Robert Swanson perustivat Genentechin, ensimmäisen geenitekniikan yrityksen, ja vuotta myöhemmin yritys tuotti ihmisen proteiinia ( somatostatiinia ) E. colissa . Genentech ilmoitti geenimanipuloidun ihmisinsuliinin tuotannosta vuonna 1978. Vuonna 1980 Yhdysvaltain korkein oikeus Diamond v. Chakrabarty -tapauksessa päätti, että geneettisesti muunneltu elämä voitiin patentoida. Food and Drug Administration (FDA) hyväksyi bakteerien tuottaman insuliinin vapauttamisen vuonna 1982 .

Vuonna 1983 bioteknologiayritys Advanced Genetic Sciences (AGS) haki Yhdysvaltain hallitukselta lupaa tehdä kenttäkokeita Pseudomonas syringae -jäänpoistokannassa suojellakseen satoa pakkaselta, mutta ympäristöjärjestöt ja mielenosoittajat lykkäsivät kenttäkokeita neljällä vuodella. oikeudellisia haasteita. Vuonna 1987 ice-miinus P. syringae -kannasta tuli ensimmäinen geneettisesti muunneltu organismi (GMO), joka päästettiin ympäristöön, kun mansikkapellolla ja perunapellolla Kaliforniassa ruiskutettiin sillä. Aktivistiryhmät hyökkäsivät molempiin testikenttiin testejä edeltävänä iltana: "Maailman ensimmäinen koepaikka houkutteli maailman ensimmäisen kenttäjätteen".

Ensimmäiset geenimuunneltujen kasvien kenttäkokeet tehtiin Ranskassa ja Yhdysvalloissa vuonna 1986, ja tupakkakasvit suunniteltiin kestämään rikkakasvien torjunta -aineita . Kiinan kansantasavalta oli ensimmäinen maa, joka kaupallisti siirtogeenisiä kasveja ja esitteli viruksille vastustuskykyisen tupakan vuonna 1992. Vuonna 1994 Calgene sai luvan ensimmäisen geneettisesti muunnetun ruoan, Flavr Savr, tomaattien kaupalliseen markkinoille saattamiseen pidempään säilyvyyttä varten . Vuonna 1994 Euroopan unioni hyväksyi tupakan, joka on muokattu olemaan vastustuskykyinen bromoksiniilin rikkakasvien torjunta-aineelle, mikä teki siitä ensimmäisen Euroopassa kaupallisen geenimanipuloidun viljelykasvin. Vuonna 1995 Environmental Protection Agency hyväksyi Bt-perunan turvalliseksi FDA:n hyväksynnän jälkeen, mikä teki siitä ensimmäisen torjunta-aineita tuottavan viljelykasvin, joka on hyväksytty Yhdysvalloissa. Vuonna 2009 kaupallisesti kasvatettiin 11 siirtogeenistä kasvia 25 maassa, joista viljelyalaltaan suurimmat olivat Yhdysvallat, Brasilia, Argentiina, Intia, Kanada, Kiina, Paraguay ja Etelä-Afrikka.

Vuonna 2010 J. Craig Venter -instituutin tutkijat loivat ensimmäisen synteettisen genomin ja asettivat sen tyhjään bakteerisoluun. Tuloksena oleva bakteeri, nimeltään Mycoplasma laboratorium, voisi replikoitua ja tuottaa proteiineja. Neljä vuotta myöhemmin tämä otettiin askeleen pidemmälle, kun kehitettiin bakteeri, joka replikoi ainutlaatuisen emäsparin sisältävän plasmidin ja loi ensimmäisen organismin, joka oli suunniteltu käyttämään laajennettua geneettistä aakkostoa. Vuonna 2012 Jennifer Doudna ja Emmanuelle Charpentier kehittivät yhteistyössä CRISPR/Cas9 - järjestelmän, tekniikan, jolla voidaan helposti ja spesifisesti muuttaa melkein minkä tahansa organismin genomia.

Prosessi

Polymeraasiketjureaktio on tehokas työkalu, jota käytetään molekyylikloonauksessa

GMO:n luominen on monivaiheinen prosessi. Geeniinsinöörien on ensin valittava, minkä geenin he haluavat lisätä organismiin. Tämä perustuu siihen, mikä on tuloksena olevan organismin tavoite, ja se perustuu aikaisempaan tutkimukseen. Geneettisiä seulontoja voidaan suorittaa mahdollisten geenien määrittämiseksi, ja lisätestejä voidaan sitten käyttää parhaiden ehdokkaiden tunnistamiseen. Mikrosirujen, transkriptomiikan ja genomin sekvensoinnin kehitys on helpottanut sopivien geenien löytämistä. Myös onnella on osansa; Roundup Ready -geeni löydettiin sen jälkeen, kun tutkijat huomasivat bakteerin kukoistavan rikkakasvien torjunta-aineen läsnä ollessa .

Geenieristys ja kloonaus

Seuraava vaihe on eristää ehdokasgeeni. Geenin sisältävä solu avataan ja DNA puhdistetaan. Geeni erotetaan käyttämällä restriktioentsyymejä DNA:n leikkaamiseksi fragmenteiksi tai polymeraasiketjureaktiota (PCR) geenisegmentin monistamiseksi. Nämä segmentit voidaan sitten erottaa geelielektroforeesilla . Jos valittu geeni tai luovuttajaorganismin genomi on hyvin tutkittu, se voi olla jo saatavilla geenikirjastosta . Jos DNA-sekvenssi tunnetaan, mutta geenistä ei ole saatavilla kopioita, se voidaan myös syntetisoida keinotekoisesti . Kun geeni on eristetty, se ligoidaan plasmidiin, joka sitten liitetään bakteeriin . Plasmidi replikoituu, kun bakteerit jakautuvat, mikä varmistaa, että geenistä on saatavilla rajoittamaton määrä kopioita. RK2-plasmidi on huomattava kyvystään replikoitua monissa yksisoluisissa organismeissa, mikä tekee siitä sopivan geenitekniikan työkaluksi.

Ennen kuin geeni liitetään kohdeorganismiin, se on yhdistettävä muiden geneettisten elementtien kanssa. Näitä ovat promoottori- ja terminaattorialue, jotka aloittavat ja lopettavat transkription . Lisätään valittavissa oleva markkerigeeni, joka useimmissa tapauksissa antaa antibioottiresistenssin, joten tutkijat voivat helposti määrittää, mitkä solut on transformoitu onnistuneesti. Geeniä voidaan myös modifioida tässä vaiheessa paremman ilmentymisen tai tehokkuuden saavuttamiseksi. Nämä manipulaatiot suoritetaan käyttämällä yhdistelmä-DNA - tekniikoita, kuten restriktiodigestiota, ligaatiota ja molekyylikloonausta.

DNA:n lisääminen isäntägenomiin

Geeniase käyttää biolistiikkaa DNA:n lisäämiseksi kasvikudokseen

Geneettisen materiaalin lisäämiseksi isäntägenomiin käytetään useita tekniikoita. Jotkut bakteerit voivat luonnollisesti ottaa vieraita DNA: ta . Tämä kyky voi indusoitua muissa bakteereissa stressin (esim. lämpö- tai sähköiskun) kautta, mikä lisää solukalvon läpäisevyyttä DNA:lle; sisään otettu DNA voi joko integroitua genomiin tai esiintyä kromosomin ulkopuolisena DNA :na . DNA lisätään yleensä eläinsoluihin mikroinjektiolla, jossa se voidaan injektoida solun tuman vaipan kautta suoraan tumaan tai käyttämällä virusvektoreita .

Kasvin genomeja voidaan muokata fysikaalisilla menetelmillä tai käyttämällä Agrobacteriumia T-DNA-binäärivektoreissa olevien sekvenssien kuljettamiseen . Kasveissa DNA insertoidaan usein käyttämällä Agrobacterium - välitteistä transformaatiota hyödyntäen Agrobacteriumin T -DNA- sekvenssiä, joka mahdollistaa geneettisen materiaalin luonnollisen liittämisen kasvisoluihin. Muita menetelmiä ovat biolistiikka, jossa kulta- tai volframihiukkaset päällystetään DNA:lla ja ammutaan sitten nuoriin kasvisoluihin, ja elektroporaatio, jossa käytetään sähköiskua solukalvon tekemiseksi läpäiseväksi plasmidi-DNA:lle.

Koska vain yksi solu transformoituu geneettisellä materiaalilla, organismi on regeneroitava tästä yhdestä solusta. Kasveissa tämä saavutetaan käyttämällä kudosviljelmää . Eläimillä on varmistettava, että lisätty DNA on läsnä alkion kantasoluissa . Bakteerit koostuvat yhdestä solusta ja lisääntyvät kloonisesti, joten regeneraatio ei ole tarpeen. Valittavia markkereita käytetään transformoituneiden solujen erottamiseen transformoimattomista helposti. Nämä markkerit ovat tavallisesti läsnä siirtogeenisessä organismissa, vaikka on kehitetty useita strategioita, jotka voivat poistaa valikoitavan markkerin kypsästä siirtogeenisestä kasvista.

A. tumefaciens kiinnittyy porkkanasoluun

Lisätestaukset PCR:llä, Southern-hybridisaatiolla ja DNA-sekvensoinnilla suoritetaan sen varmistamiseksi, että organismi sisältää uuden geenin. Nämä testit voivat myös vahvistaa lisätyn geenin kromosomaalisen sijainnin ja kopionumeron. Geenin läsnäolo ei takaa sen ilmentymistä sopivilla tasoilla kohdekudoksessa, joten käytetään myös menetelmiä, jotka etsivät ja mittaavat geenituotteita (RNA ja proteiini). Näitä ovat Northern-hybridisaatio, kvantitatiivinen RT-PCR, Western blot, immunofluoresenssi, ELISA ja fenotyyppianalyysi.

Uusi geneettinen materiaali voidaan liittää satunnaisesti isäntägenomiin tai kohdistaa tiettyyn paikkaan. Geenikohdistustekniikka käyttää homologista rekombinaatiota haluttujen muutosten tekemiseksi tiettyyn endogeeniseen geeniin . Tätä esiintyy yleensä suhteellisen harvoin kasveissa ja eläimissä, ja se vaatii yleensä valittavien merkkiaineiden käyttöä . Geenikohdistuksen tiheyttä voidaan parantaa huomattavasti genomimuokkauksella . Genomieditointi käyttää keinotekoisesti muokattuja nukleaaseja, jotka luovat spesifisiä kaksijuosteisia katkoksia genomin haluttuihin paikkoihin ja käyttävät solun endogeenisiä mekanismeja korjaamaan homologisen rekombinaation ja ei-homologisen pään yhdistämisen luonnollisten prosessien aiheuttaman katkeamisen . Muokattuja nukleaaseja on neljä perhettä: meganukleaasit, sinkkisorminukleaasit, transkription aktivaattorin kaltaiset efektorinukleaasit (TALEN) ja Cas9-guideRNA-järjestelmä (muokattu CRISPR :stä ). TALEN ja CRISPR ovat kaksi yleisimmin käytettyä, ja kummallakin on omat etunsa. TALEN-laitteilla on suurempi kohdespesifisyys, kun taas CRISPR on helpompi suunnitella ja tehokkaampi. Geenikohdistuksen tehostamisen lisäksi muokattuja nukleaaseja voidaan käyttää mutaatioiden tuomiseen endogeenisiin geeneihin, jotka synnyttävät geenipoiston .

Sovellukset

Geenitekniikalla on sovelluksia lääketieteessä, tutkimuksessa, teollisuudessa ja maataloudessa, ja sitä voidaan käyttää monenlaisiin kasveihin, eläimiin ja mikro-organismeihin. Bakteerit, ensimmäiset geneettisesti muunnetut organismit, voivat lisätä plasmidi-DNA:ta, joka sisältää uusia geenejä, jotka koodaavat lääkkeitä tai entsyymejä, jotka prosessoivat ruokaa ja muita substraatteja . Kasveja on muunnettu hyönteisten torjuntaan, rikkakasvien torjunta-aineiden kestävyyteen, virusresistenssiin, tehostettuun ravintoon, ympäristön paineen sietokykyyn ja syötävien rokotteiden tuotantoon . Useimmat kaupalliset GMO:t ovat hyönteisresistenttejä tai herbisidejä kestäviä viljelykasveja. Geneettisesti muunnettuja eläimiä on käytetty tutkimukseen, mallieläimiin sekä maatalous- ja lääketuotteiden valmistukseen. Geneettisesti muunnettuja eläimiä ovat muun muassa eläimet, joiden geenit on poistettu, lisääntynyt alttius sairauksille, hormonit lisäkasvua varten ja kyky ekspressoida proteiineja maidossa.

Lääke

Geenitekniikalla on monia sovelluksia lääketieteessä, mukaan lukien lääkkeiden valmistus, ihmisolosuhteita jäljittelevien mallieläinten luominen ja geeniterapia . Yksi varhaisimmista geenitekniikan käyttötavoista oli ihmisinsuliinin massatuotanto bakteereissa. Tätä sovellusta on nyt sovellettu ihmisen kasvuhormoneihin, follikkelia stimuloiviin hormoneihin (hedelmättömyyden hoitoon), ihmisen albumiiniin, monoklonaalisiin vasta-aineisiin, antihemofiilisiin tekijöihin, rokotteisiin ja moniin muihin lääkkeisiin. Hiiren hybridoomia, soluja, jotka on fuusioitu yhteen luomaan monoklonaalisia vasta-aineita, on mukautettu geenitekniikan avulla luomaan ihmisen monoklonaalisia vasta-aineita. Geneettisesti muokattuja viruksia kehitetään, jotka voivat edelleen antaa immuniteetin, mutta joilla ei ole tarttuvia sekvenssejä .

Geenitekniikkaa käytetään myös ihmisten sairauksien eläinmallien luomiseen. Geneettisesti muunnetut hiiret ovat yleisin geneettisesti muunneltu eläinmalli. Niitä on käytetty syövän ( oncomousen ), liikalihavuuden, sydänsairauksien, diabeteksen, niveltulehduksen, päihteiden väärinkäytön, ahdistuneisuuden, ikääntymisen ja Parkinsonin taudin tutkimiseen ja mallintamiseen. Mahdollisia parannuskeinoja voidaan testata näitä hiirimalleja vastaan.

Geeniterapia on ihmisten geenitekniikkaa, jossa vialliset geenit yleensä korvataan tehokkailla. Kliinistä tutkimusta somaattista geeniterapiaa käyttäen on tehty useilla sairauksilla, mukaan lukien X-kytketty SCID, krooninen lymfaattinen leukemia (CLL) ja Parkinsonin tauti . Vuonna 2012 Alipogene tiparvovecistä tuli ensimmäinen kliiniseen käyttöön hyväksytty geeniterapiahoito. Vuonna 2015 viruksella siirrettiin terve geeni harvinaista ihosairautta, epidermolysis bullosaa sairastavan pojan ihosoluihin, jotta ne kasvaisivat ja siirrettiin sitten terve iho 80 prosenttiin pojan kehosta, johon pojan keho oli vaikuttanut. sairaus.

Sukulinjan geeniterapia johtaisi siihen, että kaikki muutokset ovat perinnöllisiä, mikä on herättänyt huolta tiedeyhteisössä. Vuonna 2015 CRISPR:ää käytettiin elämättömien ihmisalkioiden DNA:n muokkaamiseen, mikä johti suurten maailmanakatemioiden tutkijoihin vaatimaan moratoriota periytyville ihmisgenomimuokkauksille. On myös huolestuttavaa, että tekniikkaa voitaisiin käyttää paitsi hoitoon myös ihmisen ulkonäön, sopeutumiskyvyn, älykkyyden, luonteen tai käyttäytymisen parantamiseen, muokkaamiseen tai muuttamiseen. Myös parantamisen ja parantamisen välinen ero voi olla vaikea tehdä. Marraskuussa 2018 He Jiankui ilmoitti, että hän oli muokannut kahden ihmisalkion genomia yrittääkseen poistaa käytöstä CCR5 -geenin, joka koodaa reseptoria, jota HIV käyttää päästäkseen soluihin. Teos tuomittiin laajalti epäeettiseksi, vaaralliseksi ja ennenaikaiseksi. Tällä hetkellä ituradan muokkaaminen on kielletty 40 maassa. Tämän tyyppistä tutkimusta tekevät tutkijat antavat usein alkioiden kasvaa muutaman päivän ilman, että ne voivat kehittyä vauvaksi.

Tutkijat muuttavat sikojen genomia indusoidakseen ihmisen elinten kasvua tavoitteenaan lisätä sikojen elinsiirtojen onnistumista ihmiseen . Tiedemiehet luovat "geeniajoja", muuttavat hyttysten genomeja tehdäkseen niistä immuuneja malarialle, ja sitten pyrkivät levittämään geneettisesti muunnettuja hyttysiä koko hyttyspopulaatioon toivoen taudin poistamista.

Tutkimus

Ihmissolut, joissa jotkut proteiinit on fuusioitu vihreään fluoresoivaan proteiiniin, jotta ne voidaan visualisoida

Geenitekniikka on tärkeä työkalu luonnontieteilijöille, ja siirtogeenisten organismien luominen on yksi tärkeimmistä työkaluista geenien toiminnan analysoinnissa. Useiden eri organismien geenejä ja muuta geneettistä tietoa voidaan lisätä bakteereihin varastointia ja muuntamista varten, jolloin syntyy geneettisesti muunnettuja bakteereja . Bakteerit ovat halpoja, helppoja kasvattaa, klonaalisia, lisääntyvät nopeasti, suhteellisen helposti muuntuvia ja niitä voidaan säilyttää -80 °C:ssa lähes loputtomiin. Kun geeni on eristetty, se voidaan varastoida bakteerien sisällä, mikä tarjoaa rajattoman määrän tutkimukseen.

Organismit on geneettisesti muokattu havaitsemaan tiettyjen geenien toiminnot. Tämä voi olla vaikutus organismin fenotyyppiin, missä geeni ilmentyy tai minkä muiden geenien kanssa se on vuorovaikutuksessa. Näihin kokeisiin liittyy yleensä toiminnan menetys, toiminnan vahvistuminen, seuranta ja ilmentyminen.

  • Toiminnan häviämiskokeet, kuten geenien poistokokeet, joissa organismista on muokattu puuttumaan yhden tai useamman geenin aktiivisuus. Yksinkertaisessa knockoutissa halutun geenin kopiota on muutettu niin, että se ei toimi. Alkion kantasolut sisältävät muunnetun geenin, joka korvaa jo olemassa olevan toiminnallisen kopion. Nämä kantasolut ruiskutetaan blastokysteihin, jotka istutetaan sijaisäideille. Tämä antaa kokeen tekijälle mahdollisuuden analysoida tämän mutaation aiheuttamia vikoja ja määrittää siten tiettyjen geenien roolin. Sitä käytetään erityisen usein kehitysbiologiassa . Kun tämä tehdään luomalla geenikirjasto, jossa on pistemutaatioita kiinnostuksen kohteena olevan alueen jokaiseen kohtaan tai jopa jokaiseen kohtaan koko geenissä, tätä kutsutaan "skannausmutageneesiksi". Yksinkertaisin ja ensimmäinen käytettävä menetelmä on "alaniiniskannaus", jossa jokainen kohta vuorostaan ​​mutatoituu reagoimattomaksi aminohapoksi alaniini .
  • Funktiokokeiden voitto, tyrmäysten looginen vastine. Nämä suoritetaan joskus knockout-kokeiden yhteydessä halutun geenin toiminnan tarkemman määrittämiseksi. Prosessi on paljolti sama kuin knockout-tekniikassa, paitsi että konstruktio on suunniteltu lisäämään geenin toimintaa, yleensä tuottamalla geenin ylimääräisiä kopioita tai indusoimalla proteiinin synteesiä useammin. Toiminnan vahvistusta käytetään kertomaan, onko proteiini riittävä johonkin toimintoon, mutta se ei aina tarkoita, että se on tarpeen, varsinkin kun käsitellään geneettistä tai toiminnallista redundanssia.
  • Seurantakokeet, joilla pyritään saamaan tietoa halutun proteiinin lokalisoinnista ja vuorovaikutuksesta. Yksi tapa tehdä tämä on korvata villityypin geeni "fuusiogeenillä", joka on villityypin geenin rinnakkain raportoiva elementti, kuten vihreä fluoresoiva proteiini (GFP), joka mahdollistaa tuotteiden helpon visualisoinnin. geneettisestä muuntelusta. Vaikka tämä on hyödyllinen tekniikka, manipulointi voi tuhota geenin toiminnan, jolloin syntyy toissijaisia ​​vaikutuksia ja mahdollisesti kyseenalaistaa kokeen tulokset. Kehitteillä on nyt kehittyneempiä tekniikoita, joilla voidaan seurata proteiinituotteita ilman, että ne heikentävät niiden toimintaa, kuten pienten sekvenssien lisääminen, jotka toimivat sitoutumismotiiveina monoklonaalisiin vasta-aineisiin.
  • Ekspressiotutkimusten tarkoituksena on selvittää, missä ja milloin tiettyjä proteiineja tuotetaan. Näissä kokeissa DNA-sekvenssi ennen proteiinia koodaavaa DNA:ta, joka tunnetaan geenin promoottorina, tuodaan takaisin organismiin, jossa proteiinia koodaava alue korvataan reportterigeenillä, kuten GFP tai entsyymillä, joka katalysoi väriaineen tuotantoa. . Siten voidaan tarkkailla aika ja paikka, jossa tietty proteiini tuotetaan. Ekspressiotutkimuksia voidaan viedä askeleen pidemmälle muuttamalla promoottoria sen selvittämiseksi, mitkä palaset ovat ratkaisevia geenin asianmukaiselle ilmentymiselle ja ovat itse asiassa transkriptiotekijäproteiinien sitomia; Tämä prosessi tunnetaan promoottorin lyömisenä .

Teollinen

Geenitekniikan tuotteet

Organismien solut voidaan transformoida geenillä, joka koodaa hyödyllistä proteiinia, kuten entsyymiä, jotta ne yliekspressoivat haluttua proteiinia. Proteiinin massamääriä voidaan sitten valmistaa kasvattamalla transformoitunutta organismia bioreaktorilaitteistossa teollista fermentaatiota käyttäen ja puhdistamalla sitten proteiini. Jotkut geenit eivät toimi hyvin bakteereissa, joten myös hiiva-, hyönteissoluja tai nisäkässoluja voidaan käyttää. Näitä tekniikoita käytetään lääkkeiden, kuten insuliinin, ihmisen kasvuhormonin ja rokotteiden, lisäravinteiden, kuten tryptofaanin, valmistukseen, ruoan valmistuksen avuksi ( kymosiini juuston valmistuksessa) ja polttoaineiden valmistukseen. Muihin geneettisesti muokattuihin bakteereihin liittyviin sovelluksiin voisi kuulua niiden saattaminen suorittamaan tehtäviä, jotka eivät kuulu niiden luonnolliseen kiertokulkuun, kuten biopolttoaineiden valmistus, öljypäästöjen, hiilen ja muiden myrkyllisten jätteiden puhdistaminen sekä arseenin havaitseminen juomavedestä. Tiettyjä geneettisesti muunnettuja mikrobeja voidaan käyttää myös biolouhinnassa ja bioremediatiossa, koska ne pystyvät erottamaan ympäristöstään raskasmetalleja ja sisällyttämään ne yhdisteiksi, jotka ovat helpommin hyödynnettävissä.

Materiaalitieteessä geneettisesti muunnettua virusta on käytetty tutkimuslaboratoriossa rakennustelineenä ympäristöystävällisemmän litiumioniakun kokoamiseen . Bakteerit on myös suunniteltu toimimaan antureina ekspressoimalla fluoresoivaa proteiinia tietyissä ympäristöolosuhteissa.

Maatalous

Maapähkinälehdissä olevat Bt-toksiinit (alakuva) suojaavat sitä laajoilta vaurioilta, joita pienemmän maissinvarren toukat aiheuttavat (ylempi kuva).

Yksi tunnetuimmista ja kiistanalaisimmista geenitekniikan sovelluksista on geneettisesti muunnettujen viljelykasvien tai muuntogeenisten karjan luominen ja käyttö muuntogeenisten elintarvikkeiden tuottamiseen . Viljelykasveja on kehitetty lisäämään tuotantoa, lisäämään sietokykyä abioottisia rasitteita vastaan, muuttamaan elintarvikkeiden koostumusta tai tuottamaan uusia tuotteita.

Ensimmäiset suuressa mittakaavassa kaupallisesti markkinoille tulleet sadot tarjosivat suojaa tuhohyönteisiltä tai sietokyvyn rikkakasvien torjunta -aineille . Myös sienille ja viruksille vastustuskykyisiä viljelykasveja on kehitetty tai kehitteillä. Tämä helpottaa viljelykasvien hyönteisten ja rikkakasvien hallintaa ja voi epäsuorasti lisätä satoa. Myös muuntogeenisiä viljelykasveja, jotka suoraan parantavat satoa nopeuttamalla kasvua tai parantamalla kasvien kestävyyttä (parantaa suolan, kylmän tai kuivuuden sietokykyä), ovat myös kehitteillä. Vuonna 2016 lohta on muunnettu geneettisesti kasvuhormoneilla, jotta se saavuttaisi normaalin aikuisen koon paljon nopeammin.

On kehitetty muuntogeenisiä organismeja, jotka muuttavat tuotteiden laatua lisäämällä ravintoarvoa tai tarjoamalla teollisesti hyödyllisiä ominaisuuksia tai määriä. Amflora- peruna tuottaa teollisesti hyödyllisemmän tärkkelyssekoituksen. Soijapavut ja rypsi on muunnettu geneettisesti terveellisempien öljyjen tuottamiseksi. Ensimmäinen kaupallistettu GM-ruoka oli tomaatti, joka oli viivästyttänyt kypsymistä ja lisännyt sen säilyvyyttä .

Kasvit ja eläimet on suunniteltu tuottamaan materiaaleja, joita ne eivät tavallisesti valmista. Pharming käyttää viljelykasveja ja eläimiä bioreaktoreina rokotteiden, lääkkeiden välituotteiden tai itse lääkkeiden tuottamiseen; hyödyllinen tuote puhdistetaan sadosta ja käytetään sitten tavanomaisessa farmaseuttisessa tuotantoprosessissa. Lehmät ja vuohet on suunniteltu ilmentämään lääkkeitä ja muita proteiineja maitoonsa, ja vuonna 2009 FDA hyväksyi vuohenmaidosta valmistetun lääkkeen.

Muut sovellukset

Geenitekniikalla on potentiaalisia sovelluksia suojelussa ja luonnonalueiden hoidossa. Geenien siirtoa virusvektoreiden kautta on ehdotettu keinoksi torjua invasiivisia lajeja sekä rokottaa uhanalaista eläimistöä taudeilta. Siirtogeenisiä puita on ehdotettu keinoksi antaa vastustuskykyä taudinaiheuttajia vastaan ​​luonnonvaraisissa populaatioissa. Ilmastonmuutoksen ja muiden häiriötekijöiden aiheuttamien sopeutumattomien organismien riskien kasvaessa geenien säätämisen avulla helpotettu sopeutuminen voisi olla yksi ratkaisu sukupuuttoriskien vähentämiseen. Geenitekniikan sovellukset suojelussa ovat toistaiseksi enimmäkseen teoreettisia, eikä niitä ole vielä otettu käyttöön käytännössä.

Geenitekniikkaa käytetään myös mikrobitaiteen luomiseen . Jotkut bakteerit on geneettisesti muokattu luomaan mustavalkoisia valokuvia. Geenitekniikan avulla on tuotettu myös uutuustuotteita, kuten laventelinvärisiä neilikoita, sinisiä ruusuja ja hehkuvia kaloja .

Säätö

Geenitekniikan sääntely koskee hallitusten lähestymistapoja arvioida ja hallita GMO:ien kehittämiseen ja levittämiseen liittyviä riskejä. Sääntelykehyksen kehittäminen aloitettiin vuonna 1975 Asilomarissa, Kaliforniassa. Asilomarin kokouksessa suositeltiin vapaaehtoisia ohjeita yhdistelmä-DNA-tekniikan käyttöön. Tekniikan parantuessa Yhdysvallat perusti tiede- ja teknologiatoimistoon komitean, joka myönsi muuntogeenisten elintarvikkeiden viranomaishyväksynnän USDA:lle, FDA:lle ja EPA:lle. Cartagenan bioturvallisuuspöytäkirja, kansainvälinen sopimus, joka säätelee muuntogeenisten organismien siirtoa, käsittelyä ja käyttöä, hyväksyttiin 29. tammikuuta 2000. Pöytäkirjan jäseniä on sataviisikymmentäseitsemän maata, ja monet käyttävät sitä vertailukohtana. omat määräykset.

GM-elintarvikkeiden oikeudellinen ja lainsäädännöllinen asema vaihtelee maittain, ja jotkut maat kieltävät tai rajoittavat niiden käyttöä ja toiset sallivat niiden käytön hyvin erilaisilla säännöksillä. Jotkut maat sallivat muuntogeenisten elintarvikkeiden tuonnin luvalla, mutta joko eivät salli sen viljelyä (Venäjä, Norja, Israel) tai niillä on viljelysäännöksiä, vaikka GM-tuotteita ei vielä valmisteta (Japani, Etelä-Korea). Useimmat maat, jotka eivät salli GMO:ien viljelyä, sallivat tutkimuksen. Jotkut merkittävimmistä eroista ovat Yhdysvaltojen ja Euroopan välillä. Yhdysvaltain politiikka keskittyy tuotteeseen (ei prosessiin), tarkastelee vain todennettavissa olevia tieteellisiä riskejä ja käyttää olennaisen vastaavuuden käsitettä . Euroopan unionilla sitä vastoin on ehkä maailman tiukimmat GMO-säännökset. Kaikkia muuntogeenisiä organismeja sekä säteilytettyjä elintarvikkeita pidetään "uusia elintarvikkeita", ja Euroopan elintarviketurvallisuusviranomainen tekee niistä laajan, tapauskohtaisen, tieteelliseen perustuvan elintarvikearvioinnin . Lupakriteerit jakautuvat neljään laajaan luokkaan: "turvallisuus", "valinnanvapaus", "merkintä" ja "jäljitettävyys". Muiden GMO:eja viljelevien maiden sääntelytaso on Euroopan ja Yhdysvaltojen välissä.

Sääntelyvirastot maantieteellisen alueen mukaan
Alue Sääntelyviranomaiset Huomautuksia
MEILLE USDA, FDA ja EPA
Euroopassa Euroopan elintarviketurvallisuusviranomainen
Kanada Health Canada ja Kanadan elintarviketarkastusvirasto Säännellyt tuotteet, joilla on uusia ominaisuuksia alkuperätavasta riippumatta
Afrikka Itä- ja Etelä-Afrikan yhteismarkkinat Lopullisen päätöksen tekee kukin yksittäinen maa.
Kiina Maatalouden geenitekniikan bioturvallisuusviraston toimisto
Intia Institutionaalinen bioturvallisuuskomitea, geenimanipulaation ja geenitekniikan hyväksymiskomitea
Argentiina National Agricultural Biotechnology Advisory Committee (ympäristövaikutukset), National Service of Health and Agrifood Quality (elintarvikkeiden turvallisuus) ja National Agribusiness Direction (vaikutus kauppaan) Lopullisen päätöksen teki maatalous-, karja-, kalastus- ja elintarvikesihteeristö.
Brasilia Kansallinen bioturvallisuuskomissio (ympäristö- ja elintarviketurvallisuus) ja ministerineuvosto (kaupalliset ja taloudelliset kysymykset)
Australia Office of the Gene Technology Regulator (valvoo kaikkia GM-tuotteita), Therapeutic Goods Administration (GM-lääkkeet) ja Food Standards Australia New Zealand (GM-ruoka). Yksittäisten osavaltioiden hallitukset voivat sitten arvioida levittämisen vaikutuksia markkinoihin ja kauppaan ja soveltaa lisälainsäädäntöä hyväksyttyjen geneettisesti muunnettujen tuotteiden valvontaan.

Yksi sääntelyviranomaisten keskeisistä kysymyksistä on se, pitäisikö GM-tuotteet merkitä. Euroopan komissio sanoo, että pakollisia merkintöjä ja jäljitettävyyttä tarvitaan tietoon perustuvien valintojen mahdollistamiseksi, mahdollisen väärän mainonnan välttämiseksi ja tuotteiden poistamisen helpottamiseksi, jos havaitaan haitallisia vaikutuksia terveyteen tai ympäristöön. American Medical Association ja American Association for the Advancement of Science sanovat, että tieteellisten todisteiden puuttuminen haitoista jopa vapaaehtoiset merkinnät ovat harhaanjohtavia ja aiheuttavat kuluttajien väärän hälytyksen. Markkinoilla olevien GMO-tuotteiden merkitseminen vaaditaan 64 maassa. Merkinnät voivat olla pakollisia GM-pitoisuuden kynnysarvoon asti (joka vaihtelee maittain) tai vapaaehtoista. Kanadassa ja Yhdysvalloissa muuntogeenisten elintarvikkeiden merkitseminen on vapaaehtoista, kun taas Euroopassa kaikki elintarvikkeet (mukaan lukien jalostetut elintarvikkeet ) tai rehut, jotka sisältävät yli 0,9 % hyväksyttyjä GMO:eja, on merkittävä.

Kiista

Kriitikot ovat vastustaneet geenitekniikan käyttöä useilla syillä, mukaan lukien eettiset, ekologiset ja taloudelliset näkökohdat. Monet näistä huolenaiheista liittyvät muuntogeenisiin viljelykasveihin ja siihen, onko niistä valmistettu ruoka turvallista ja mitä vaikutuksia niiden kasvattamisella on ympäristöön. Nämä kiistat ovat johtaneet oikeudenkäynteihin, kansainvälisiin kauppakiistoihin ja protesteihin sekä kaupallisten tuotteiden rajoittavaan sääntelyyn joissakin maissa.

Syytökset siitä, että tiedemiehet " leikittelevät Jumalaa " ja muita uskonnollisia kysymyksiä, on liitetty teknologiaan alusta alkaen. Muita esille tuotuja eettisiä kysymyksiä ovat elämän patentointi, immateriaalioikeuksien käyttö, tuotteiden merkintöjen taso, elintarvikehuollon valvonta ja sääntelyprosessin objektiivisuus. Vaikka epäilyjä on herännyt, useimmat taloudelliset tutkimukset ovat osoittaneet, että muuntogeenisten kasvien kasvattaminen on hyödyllistä maanviljelijöille.

Geenivirrat GM-kasvien ja yhteensopivien kasvien välillä sekä selektiivisten rikkakasvien torjunta -aineiden lisääntynyt käyttö voivat lisätä " superrikkakasvien " kehittymisen riskiä. Muita ympäristöongelmia ovat mahdolliset vaikutukset muihin kuin kohde-eliöihin, mukaan lukien maaperän mikrobit, sekä toissijaisten ja vastustuskykyisten tuhohyönteisten lisääntyminen. Monien muuntogeenisiä viljelykasveja koskevien ympäristövaikutusten ymmärtäminen voi kestää useita vuosia, ja ne näkyvät myös tavanomaisissa maatalouskäytännöissä. Geneettisesti muunnettujen kalojen kaupallistaminen herättää huolta siitä, mitkä ovat ympäristövaikutukset, jos ne karkaavat.

Geneettisesti muunnettujen elintarvikkeiden turvallisuuteen liittyy kolme pääasiallista huolenaihetta: voivatko ne aiheuttaa allergisen reaktion ; voisivatko geenit siirtyä ruoasta ihmissoluihin; ja voivatko geenit, joita ei ole hyväksytty ihmisravinnoksi, leviävät muihin viljelykasveihin. Tieteellinen yksimielisyys vallitsee siitä, että tällä hetkellä saatavilla olevat GM-kasveista saadut elintarvikkeet eivät aiheuta suurempaa riskiä ihmisten terveydelle kuin tavanomaiset elintarvikkeet, mutta jokainen muuntogeeninen elintarvike on testattava tapauskohtaisesti ennen käyttöönottoa. Siitä huolimatta ihmiset pitävät geneettisesti muunnettuja elintarvikkeita turvallisina vähemmän kuin tiedemiehet.

Populaarikulttuurissa

Geenitekniikan piirteitä monissa tieteiskirjallisissa tarinoissa. Frank Herbertin romaani Valkoinen rutto kuvaa geenitekniikan tahallista käyttöä sellaisen taudinaiheuttajan luomiseksi, joka tappaa nimenomaan naisia. Toinen Herbertin luomuksista, Dune -romaanisarja, käyttää geenitekniikkaa tehokkaan Tleilaxun luomiseen . Harvat elokuvat ovat kertoneet yleisölle geenitekniikasta, lukuun ottamatta vuoden 1978 Brasilian pojat ja vuoden 1993 Jurassic Parkia, joissa molemmissa hyödynnetään oppituntia, esittelyä ja tieteellistä elokuvaa. Geenitekniikan menetelmät ovat heikosti edustettuina elokuvassa; Michael Clark, joka kirjoittaa Wellcome Trustille, kutsuu geenitekniikan ja biotekniikan kuvaamista "vakavasti vääristyneeksi" elokuvissa, kuten The 6th Day . Clarkin näkemyksen mukaan bioteknologialle tyypillisesti "annetaan fantastisia, mutta visuaalisesti pidättäviä muotoja", kun taas tiede joko jäädään taka-alalle tai fiktioitetaan nuorelle yleisölle sopivaksi.

Vuoden 2007 videopelissä BioShock geenitekniikalla on tärkeä rooli keskeisessä tarinassa ja universumissa. Peli tapahtuu kuvitteellisessa vedenalaisessa dystopiassa Rapture, jossa sen asukkaat omaavat geneettisiä yli-inhimillisiä kykyjä ruiskutettuaan itselleen "plasmideja", seerumin, joka antaa tällaisia ​​voimia. Myös Rapturen kaupungissa on "pikkusiskoja", pikkutyttöjä, jotka on geneerisesti muokattu, sekä sivujuoni, jossa kabareelaulaja myy sikiönsä geenitieteilijöille, jotka istuttavat vääriä muistoja vastasyntyneeseen ja muokkaavat sen geenimuunneltua kasvamaan. aikuiseksi.

Katso myös

Viitteet

Lue lisää

Ulkoiset linkit