Ingénierie génétique -Genetic engineering

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Le génie génétique, également appelé modification génétique ou manipulation génétique, est la modification et la manipulation des gènes d'un organisme à l' aide de la technologie . Il s'agit d'un ensemble de technologies utilisées pour modifier la composition génétique des cellules, y compris le transfert de gènes à l'intérieur et à travers les frontières des espèces pour produire des organismes améliorés ou nouveaux . Le nouvel ADN est obtenu soit en isolant et en copiant le matériel génétique d'intérêt à l'aide de méthodes d' ADN recombinant, soit en synthétisant artificiellement l'ADN. Une construction est généralement créée et utilisée pour insérer cet ADN dans l'organisme hôte. La première molécule d'ADN recombinant a été fabriquée par Paul Berg en 1972 en combinant l'ADN du virus du singe SV40 avec le virus lambda . En plus d'insérer des gènes, le processus peut être utilisé pour supprimer ou " assommer " des gènes. Le nouvel ADN peut être inséré de manière aléatoire ou ciblé sur une partie spécifique du génome .

Un organisme généré par génie génétique est considéré comme génétiquement modifié (GM) et l'entité résultante est un organisme génétiquement modifié (OGM). Le premier OGM était une bactérie générée par Herbert Boyer et Stanley Cohen en 1973. Rudolf Jaenisch a créé le premier animal GM lorsqu'il a inséré de l'ADN étranger dans une souris en 1974. La première entreprise à se concentrer sur le génie génétique, Genentech, a été fondée en 1976 et commencé la production de protéines humaines. L' insuline humaine génétiquement modifiée a été produite en 1978 et les bactéries productrices d'insuline ont été commercialisées en 1982. Les aliments génétiquement modifiés sont vendus depuis 1994, avec la sortie de la tomate Flavr Savr . Le Flavr Savr a été conçu pour avoir une durée de conservation plus longue, mais la plupart des cultures GM actuelles sont modifiées pour augmenter la résistance aux insectes et aux herbicides. GloFish, le premier OGM conçu comme animal de compagnie, a été vendu aux États-Unis en décembre 2003. En 2016 , du saumon modifié avec une hormone de croissance a été vendu.

Le génie génétique a été appliqué dans de nombreux domaines, notamment la recherche, la médecine, la biotechnologie industrielle et l'agriculture. Dans la recherche, les OGM sont utilisés pour étudier la fonction et l'expression des gènes par le biais d'expériences de perte de fonction, de gain de fonction, de suivi et d'expression. En éliminant les gènes responsables de certaines conditions, il est possible de créer des organismes modèles animaux de maladies humaines. En plus de produire des hormones, des vaccins et d'autres médicaments, le génie génétique a le potentiel de guérir les maladies génétiques grâce à la thérapie génique . Les mêmes techniques qui sont utilisées pour produire des médicaments peuvent également avoir des applications industrielles telles que la production d'enzymes pour les détergents à lessive, les fromages et d'autres produits.

L'essor des cultures génétiquement modifiées commercialisées a procuré des avantages économiques aux agriculteurs de nombreux pays différents, mais a également été à l'origine de la plupart des controverses entourant la technologie. Cela a été présent depuis son utilisation précoce; les premiers essais sur le terrain ont été détruits par des militants anti-OGM. Bien qu'il existe un consensus scientifique sur le fait que les aliments actuellement disponibles dérivés de cultures GM ne présentent pas de plus grand risque pour la santé humaine que les aliments conventionnels, la sécurité des aliments GM est une préoccupation majeure des critiques. Le flux de gènes, l'impact sur les organismes non ciblés, le contrôle de l'approvisionnement alimentaire et les droits de propriété intellectuelle ont également été soulevés comme des problèmes potentiels. Ces préoccupations ont conduit à l'élaboration d'un cadre réglementaire, qui a commencé en 1975. Il a conduit à un traité international, le Protocole de Carthagène sur la biosécurité, qui a été adopté en 2000. Les pays individuels ont développé leurs propres systèmes de réglementation concernant les OGM, avec le différences les plus marquées entre les États-Unis et l'Europe.

Définition IUPAC

Génie génétique : Processus d'insertion de nouvelles informations génétiques dans des cellules existantes afin de modifier un organisme spécifique dans le but de changer ses caractéristiques.

Remarque : Adapté de la réf.

Aperçu

Comparaison de la sélection végétale conventionnelle avec la modification génétique transgénique et cisgénique

Le génie génétique est un processus qui modifie la structure génétique d'un organisme en retirant ou en introduisant de l'ADN ou en modifiant le matériel génétique existant in situ. Contrairement à la sélection animale et végétale traditionnelle, qui consiste à effectuer plusieurs croisements, puis à sélectionner l'organisme avec le phénotype souhaité, le génie génétique prend le gène directement d'un organisme et le transmet à l'autre. Ceci est beaucoup plus rapide, peut être utilisé pour insérer n'importe quel gène de n'importe quel organisme (même ceux de différents domaines ) et empêche l'ajout d'autres gènes indésirables.

Le génie génétique pourrait potentiellement résoudre de graves troubles génétiques chez l' homme en remplaçant le gène défectueux par un gène fonctionnel. C'est un outil important dans la recherche qui permet d'étudier la fonction de gènes spécifiques. Des médicaments, des vaccins et d'autres produits ont été récoltés à partir d'organismes conçus pour les produire. Des cultures ont été développées qui contribuent à la sécurité alimentaire en augmentant le rendement, la valeur nutritionnelle et la tolérance aux stress environnementaux.

L'ADN peut être introduit directement dans l'organisme hôte ou dans une cellule qui est ensuite fusionnée ou hybridée avec l'hôte. Cela repose sur des techniques d'acides nucléiques recombinants pour former de nouvelles combinaisons de matériel génétique héréditaire, suivies de l'incorporation de ce matériel soit indirectement par un système de vecteur, soit directement par micro-injection, macro-injection ou micro-encapsulation .

Le génie génétique n'inclut normalement pas la sélection traditionnelle, la fécondation in vitro, l'induction de la polyploïdie, la mutagenèse et les techniques de fusion cellulaire qui n'utilisent pas d'acides nucléiques recombinants ou d'organismes génétiquement modifiés dans le processus. Cependant, certaines définitions générales du génie génétique incluent la sélection sélective . Le clonage et la recherche sur les cellules souches, bien qu'ils ne soient pas considérés comme du génie génétique, sont étroitement liés et le génie génétique peut y être utilisé. La biologie synthétique est une discipline émergente qui pousse le génie génétique un peu plus loin en introduisant du matériel synthétisé artificiellement dans un organisme.

Les plantes, les animaux ou les micro-organismes qui ont été modifiés par génie génétique sont appelés organismes génétiquement modifiés ou OGM. Si du matériel génétique d'une autre espèce est ajouté à l'hôte, l'organisme résultant est appelé transgénique . Si le matériel génétique de la même espèce ou d'une espèce qui peut se reproduire naturellement avec l'hôte est utilisé, l'organisme résultant est appelé cisgénique . Si le génie génétique est utilisé pour éliminer le matériel génétique de l'organisme cible, l'organisme résultant est appelé organisme knock -out . En Europe, la modification génétique est synonyme de génie génétique, tandis qu'aux États-Unis d'Amérique et au Canada, la modification génétique peut également être utilisée pour désigner des méthodes de sélection plus conventionnelles.

Histoire

Les humains ont modifié les génomes des espèces pendant des milliers d'années par le biais de la reproduction sélective ou de la sélection artificielle par opposition à la sélection naturelle . Plus récemment, la sélection par mutation a utilisé l'exposition à des produits chimiques ou à des radiations pour produire une fréquence élevée de mutations aléatoires, à des fins de sélection sélective. Le génie génétique en tant que manipulation directe de l'ADN par l'homme en dehors de la reproduction et des mutations n'existe que depuis les années 1970. Le terme "génie génétique" a été inventé par Jack Williamson dans son roman de science-fiction Dragon 's Island, publié en 1951 - un an avant que le rôle de l'ADN dans l' hérédité ne soit confirmé par Alfred Hershey et Martha Chase, et deux ans avant que James Watson et Francis Crick ne montrent que la molécule d' ADN a une structure en double hélice - bien que le concept général de manipulation génétique directe ait été exploré sous une forme rudimentaire dans l'histoire de science-fiction Proteus Island de Stanley G. Weinbaum en 1936 .

En 1974, Rudolf Jaenisch a créé une souris génétiquement modifiée, le premier animal GM.

En 1972, Paul Berg crée les premières molécules d' ADN recombinant en combinant l'ADN du virus du singe SV40 avec celui du virus lambda . En 1973, Herbert Boyer et Stanley Cohen ont créé le premier organisme transgénique en insérant des gènes de résistance aux antibiotiques dans le plasmide d'une bactérie Escherichia coli . Un an plus tard, Rudolf Jaenisch a créé une souris transgénique en introduisant de l'ADN étranger dans son embryon, ce qui en fait le premier animal transgénique au monde. Ces réalisations ont suscité des inquiétudes dans la communauté scientifique concernant les risques potentiels du génie génétique, qui ont d'abord été discutés en profondeur lors de la conférence d'Asilomar. en 1975. L'une des principales recommandations de cette réunion était que la surveillance gouvernementale de la recherche sur l'ADN recombinant devrait être établie jusqu'à ce que la technologie soit jugée sûre.

En 1976, Genentech, la première société de génie génétique, a été fondée par Herbert Boyer et Robert Swanson et un an plus tard, la société a produit une protéine humaine ( somatostatine ) dans E. coli . Genentech a annoncé la production d' insuline humaine génétiquement modifiée en 1978. En 1980, la Cour suprême des États-Unis dans l' affaire Diamond c. Chakrabarty a statué que la vie génétiquement modifiée pouvait être brevetée. L' insuline produite par les bactéries a été approuvée par la Food and Drug Administration (FDA) en 1982.

En 1983, une société de biotechnologie, Advanced Genetic Sciences (AGS) a demandé au gouvernement américain l'autorisation d'effectuer des tests sur le terrain avec la souche de Pseudomonas syringae pour protéger les cultures du gel, mais les groupes environnementaux et les manifestants ont retardé les tests sur le terrain pendant quatre ans avec défis juridiques. En 1987, la souche ice-moins de P. syringae est devenue le premier organisme génétiquement modifié (OGM) à être libéré dans l'environnement lorsqu'un champ de fraises et un champ de pommes de terre en Californie en ont été pulvérisés. Les deux champs d'essai ont été attaqués par des groupes d'activistes la nuit précédant les tests: "Le premier site d'essai au monde a attiré le premier lanceur de terrain au monde".

Les premiers essais sur le terrain de plantes génétiquement modifiées ont eu lieu en France et aux États-Unis en 1986, les plants de tabac ont été modifiés pour résister aux herbicides . La République populaire de Chine a été le premier pays à commercialiser des plantes transgéniques, introduisant un tabac résistant aux virus en 1992. En 1994, Calgene a obtenu l'autorisation de commercialiser le premier aliment génétiquement modifié, le Flavr Savr, une tomate conçue pour avoir une durée de conservation plus longue. . En 1994, l'Union européenne a approuvé le tabac modifié pour résister à l'herbicide bromoxynil, ce qui en fait la première culture génétiquement modifiée commercialisée en Europe. En 1995, la pomme de terre Bt a été approuvée par l' Environmental Protection Agency, après avoir été approuvée par la FDA, ce qui en fait la première culture produisant des pesticides à être approuvée aux États-Unis. En 2009, 11 cultures transgéniques ont été cultivées commercialement dans 25 pays, dont les plus importants en termes de superficie cultivée étaient les États-Unis, le Brésil, l'Argentine, l'Inde, le Canada, la Chine, le Paraguay et l'Afrique du Sud.

En 2010, des scientifiques de l' Institut J. Craig Venter ont créé le premier génome synthétique et l'ont inséré dans une cellule bactérienne vide. La bactérie résultante, nommée Mycoplasma laboratorium, pourrait se répliquer et produire des protéines. Quatre ans plus tard, cela a été franchi une étape supplémentaire lorsqu'une bactérie a été développée qui a répliqué un plasmide contenant une paire de bases unique, créant ainsi le premier organisme conçu pour utiliser un alphabet génétique élargi. En 2012, Jennifer Doudna et Emmanuelle Charpentier ont collaboré pour développer le système CRISPR/Cas9, une technique qui peut être utilisée pour modifier facilement et spécifiquement le génome de presque n'importe quel organisme.

Traiter

La création d'un OGM est un processus en plusieurs étapes. Les ingénieurs génétiques doivent d'abord choisir quel gène ils souhaitent insérer dans l'organisme. Ceci est motivé par ce que l'objectif est pour l'organisme résultant et s'appuie sur des recherches antérieures. Des cribles génétiques peuvent être effectués pour déterminer les gènes potentiels et d'autres tests ensuite utilisés pour identifier les meilleurs candidats. Le développement des puces à ADN, de la transcriptomique et du séquençage du génome a rendu beaucoup plus facile la recherche de gènes appropriés. La chance joue aussi son rôle; le gène Roundup Ready a été découvert après que les scientifiques ont remarqué une bactérie prospérant en présence de l'herbicide.

Isolement et clonage de gènes

L'étape suivante consiste à isoler le gène candidat. La cellule contenant le gène est ouverte et l'ADN est purifié. Le gène est séparé en utilisant des enzymes de restriction pour couper l'ADN en fragments ou une réaction en chaîne par polymérase (PCR) pour amplifier le segment de gène. Ces segments peuvent ensuite être extraits par électrophorèse sur gel . Si le gène choisi ou le génome de l'organisme donneur a été bien étudié, il peut déjà être accessible à partir d'une bibliothèque génétique . Si la séquence d'ADN est connue, mais qu'aucune copie du gène n'est disponible, il peut également être synthétisé artificiellement . Une fois isolé, le gène est ligaturé dans un plasmide qui est ensuite inséré dans une bactérie. Le plasmide est répliqué lorsque la bactérie se divise, garantissant ainsi la disponibilité d'un nombre illimité de copies du gène. Le plasmide RK2 se distingue par sa capacité à se répliquer dans une grande variété d' organismes unicellulaires, ce qui le rend approprié comme outil de génie génétique.

Avant que le gène ne soit inséré dans l'organisme cible, il doit être combiné avec d'autres éléments génétiques. Celles-ci comprennent une région promotrice et une région de terminaison, qui initient et terminent la transcription . Un gène marqueur sélectionnable est ajouté, ce qui, dans la plupart des cas, confère une résistance aux antibiotiques, afin que les chercheurs puissent facilement déterminer quelles cellules ont été transformées avec succès. Le gène peut également être modifié à ce stade pour une meilleure expression ou efficacité. Ces manipulations sont réalisées à l'aide de techniques d'ADN recombinant, telles que les digestions par restriction, les ligatures et le clonage moléculaire.

Insertion d'ADN dans le génome de l'hôte

Un pistolet génétique utilise la biolistique pour insérer de l'ADN dans les tissus végétaux

Il existe un certain nombre de techniques utilisées pour insérer du matériel génétique dans le génome de l'hôte. Certaines bactéries peuvent naturellement absorber de l'ADN étranger . Cette capacité peut être induite chez d'autres bactéries via un stress (par exemple un choc thermique ou électrique), ce qui augmente la perméabilité de la membrane cellulaire à l'ADN ; L'ADN absorbé peut soit s'intégrer au génome, soit exister sous forme d' ADN extrachromosomique . L'ADN est généralement inséré dans des cellules animales par microinjection, où il peut être injecté à travers l' enveloppe nucléaire de la cellule directement dans le noyau, ou par l'utilisation de vecteurs viraux .

Les génomes végétaux peuvent être modifiés par des méthodes physiques ou en utilisant Agrobacterium pour la livraison de séquences hébergées dans des vecteurs binaires d'ADN-T . Dans les plantes, l'ADN est souvent inséré à l'aide d'une transformation médiée par Agrobacterium, tirant parti de la séquence d'ADN-T d' Agrobacterium qui permet l'insertion naturelle de matériel génétique dans les cellules végétales. D'autres méthodes incluent la biolistique, où des particules d'or ou de tungstène sont recouvertes d'ADN puis projetées dans de jeunes cellules végétales, et l'électroporation, qui consiste à utiliser un choc électrique pour rendre la membrane cellulaire perméable à l'ADN plasmidique.

Comme une seule cellule est transformée avec du matériel génétique, l'organisme doit être régénéré à partir de cette seule cellule. Chez les plantes, cela se fait grâce à l'utilisation de la culture tissulaire . Chez les animaux, il est nécessaire de s'assurer que l'ADN inséré est présent dans les cellules souches embryonnaires . Les bactéries sont constituées d'une seule cellule et se reproduisent par clonage, la régénération n'est donc pas nécessaire. Des marqueurs sélectionnables sont utilisés pour différencier facilement les cellules transformées des cellules non transformées. Ces marqueurs sont généralement présents dans l'organisme transgénique, bien qu'un certain nombre de stratégies aient été développées pour éliminer le marqueur sélectionnable de la plante transgénique mature.

A. tumefaciens s'attachant à une cellule de carotte

Des tests supplémentaires utilisant la PCR, l'hybridation Southern et le séquençage de l'ADN sont effectués pour confirmer qu'un organisme contient le nouveau gène. Ces tests peuvent également confirmer l'emplacement chromosomique et le nombre de copies du gène inséré. La présence du gène ne garantit pas qu'il sera exprimé à des niveaux appropriés dans le tissu cible, de sorte que des méthodes qui recherchent et mesurent les produits géniques (ARN et protéines) sont également utilisées. Celles-ci incluent l'hybridation Northern, la RT-PCR quantitative, le Western blot, l' immunofluorescence, l' ELISA et l'analyse phénotypique.

Le nouveau matériel génétique peut être inséré de manière aléatoire dans le génome de l'hôte ou ciblé vers un emplacement spécifique. La technique de ciblage génique utilise la recombinaison homologue pour apporter les modifications souhaitées à un gène endogène spécifique. Cela a tendance à se produire à une fréquence relativement faible chez les plantes et les animaux et nécessite généralement l'utilisation de marqueurs sélectionnables . La fréquence du ciblage des gènes peut être grandement améliorée grâce à l'édition du génome . L'édition du génome utilise des nucléases artificiellement conçues qui créent des cassures double brin spécifiques à des emplacements souhaités dans le génome et utilisent les mécanismes endogènes de la cellule pour réparer la cassure induite par les processus naturels de recombinaison homologue et de jonction d' extrémité non homologue . Il existe quatre familles de nucléases modifiées : les méganucléases, les nucléases à doigts de zinc, les nucléases effectrices de type activateur de transcription (TALEN) et le système Cas9-guideRNA (adapté de CRISPR ). TALEN et CRISPR sont les deux plus couramment utilisés et chacun a ses propres avantages. Les TALEN ont une plus grande spécificité de cible, tandis que CRISPR est plus facile à concevoir et plus efficace. En plus d'améliorer le ciblage des gènes, les nucléases modifiées peuvent être utilisées pour introduire des mutations au niveau des gènes endogènes qui génèrent un knock-out de gène .

Applications

Le génie génétique a des applications dans la médecine, la recherche, l'industrie et l'agriculture et peut être utilisé sur un large éventail de plantes, d'animaux et de micro-organismes. Les bactéries, les premiers organismes à être génétiquement modifiés, peuvent avoir de l'ADN plasmidique inséré contenant de nouveaux gènes qui codent pour des médicaments ou des enzymes qui traitent les aliments et d'autres substrats . Les plantes ont été modifiées pour la protection contre les insectes, la résistance aux herbicides, la résistance aux virus, l'amélioration de la nutrition, la tolérance aux pressions environnementales et la production de vaccins comestibles . La plupart des OGM commercialisés sont des plantes cultivées résistantes aux insectes ou tolérantes aux herbicides. Les animaux génétiquement modifiés ont été utilisés pour la recherche, les animaux modèles et la production de produits agricoles ou pharmaceutiques. Les animaux génétiquement modifiés comprennent des animaux dont les gènes sont désactivés, une sensibilité accrue aux maladies, des hormones pour une croissance supplémentaire et la capacité d'exprimer des protéines dans leur lait.

Médecine

Le génie génétique a de nombreuses applications en médecine, notamment la fabrication de médicaments, la création d' animaux modèles qui imitent les conditions humaines et la thérapie génique . L'une des premières utilisations du génie génétique a été de produire en masse de l'insuline humaine dans des bactéries. Cette application a maintenant été appliquée aux hormones de croissance humaines, aux hormones folliculo- stimulantes (pour le traitement de l'infertilité), à l'albumine humaine, aux anticorps monoclonaux, aux facteurs antihémophiliques, aux vaccins et à de nombreux autres médicaments. Les hybridomes de souris, des cellules fusionnées pour créer des anticorps monoclonaux, ont été adaptés par génie génétique pour créer des anticorps monoclonaux humains. Des virus génétiquement modifiés sont en cours de développement et peuvent encore conférer une immunité, mais ne possèdent pas les séquences infectieuses .

Le génie génétique est également utilisé pour créer des modèles animaux de maladies humaines. Les souris génétiquement modifiées sont le modèle animal génétiquement modifié le plus courant. Ils ont été utilisés pour étudier et modéliser le cancer (l' oncosouris ), l'obésité, les maladies cardiaques, le diabète, l'arthrite, la toxicomanie, l'anxiété, le vieillissement et la maladie de Parkinson. Des remèdes potentiels peuvent être testés contre ces modèles de souris.

La thérapie génique est le génie génétique de l'homme, généralement en remplaçant les gènes défectueux par des gènes efficaces. Des recherches cliniques utilisant la thérapie génique somatique ont été menées sur plusieurs maladies, notamment le SCID lié à l'X, la leucémie lymphoïde chronique (LLC) et la maladie de Parkinson . En 2012, Alipogene tiparvovec est devenu le premier traitement de thérapie génique à être approuvé pour une utilisation clinique. En 2015, un virus a été utilisé pour insérer un gène sain dans les cellules de la peau d'un garçon souffrant d'une maladie cutanée rare, l' épidermolyse bulleuse, afin de se développer, puis de greffer une peau saine sur 80 % du corps du garçon qui a été affecté par le maladies.

La thérapie génique germinale rendrait tout changement héréditaire, ce qui a suscité des inquiétudes au sein de la communauté scientifique. En 2015, CRISPR a été utilisé pour modifier l'ADN d' embryons humains non viables, ce qui a conduit les scientifiques des principales académies mondiales à demander un moratoire sur les modifications héréditaires du génome humain. On craint également que la technologie ne soit utilisée non seulement pour le traitement, mais pour l'amélioration, la modification ou l'altération de l'apparence, de l'adaptabilité, de l'intelligence, du caractère ou du comportement d'un être humain. La distinction entre cure et amélioration peut également être difficile à établir. En novembre 2018, He Jiankui a annoncé qu'il avait modifié les génomes de deux embryons humains, pour tenter de désactiver le gène CCR5, qui code pour un récepteur que le VIH utilise pour pénétrer dans les cellules. Le travail a été largement condamné comme contraire à l'éthique, dangereux et prématuré. Actuellement, la modification de la lignée germinale est interdite dans 40 pays. Les scientifiques qui font ce type de recherche laissent souvent les embryons se développer pendant quelques jours sans leur permettre de se développer en bébé.

Les chercheurs modifient le génome des porcs pour induire la croissance d'organes humains, dans le but d'augmenter le succès de la transplantation d'organes de porc à humain . Les scientifiques créent des "forces génétiques", modifient les génomes des moustiques pour les immuniser contre le paludisme, puis cherchent à propager les moustiques génétiquement modifiés dans toute la population de moustiques dans l'espoir d'éliminer la maladie.

Rechercher

Cellules humaines dans lesquelles certaines protéines sont fusionnées avec une protéine fluorescente verte pour permettre leur visualisation

Le génie génétique est un outil important pour les spécialistes des sciences naturelles, la création d'organismes transgéniques étant l'un des outils les plus importants pour l'analyse de la fonction des gènes. Des gènes et d'autres informations génétiques provenant d'un large éventail d'organismes peuvent être insérés dans des bactéries pour être stockés et modifiés, créant ainsi des bactéries génétiquement modifiées . Les bactéries sont bon marché, faciles à cultiver, clonales, se multiplient rapidement, relativement faciles à transformer et peuvent être conservées à -80 °C presque indéfiniment. Une fois qu'un gène est isolé, il peut être stocké à l'intérieur de la bactérie, fournissant un approvisionnement illimité pour la recherche.

Les organismes sont génétiquement modifiés pour découvrir les fonctions de certains gènes. Cela pourrait être l'effet sur le phénotype de l'organisme, où le gène est exprimé ou avec quels autres gènes il interagit. Ces expériences impliquent généralement une perte de fonction, un gain de fonction, un suivi et une expression.

  • Expériences de perte de fonction, comme dans une expérience d' inactivation de gène, dans laquelle un organisme est conçu pour ne pas avoir l'activité d'un ou plusieurs gènes. Dans un simple knock-out, une copie du gène souhaité a été modifiée pour le rendre non fonctionnel. Les cellules souches embryonnaires incorporent le gène modifié, qui remplace la copie fonctionnelle déjà présente. Ces cellules souches sont injectées dans des blastocystes, qui sont implantés dans des mères porteuses. Cela permet à l'expérimentateur d'analyser les défauts causés par cette mutation et de déterminer ainsi le rôle de gènes particuliers. Il est particulièrement utilisé en biologie du développement . Lorsque cela est fait en créant une bibliothèque de gènes avec des mutations ponctuelles à chaque position dans la zone d'intérêt, ou même à chaque position dans l'ensemble du gène, cela s'appelle "mutagenèse par balayage". La méthode la plus simple, et la première à être utilisée, est le "balayage à l'alanine", où chaque position est à son tour mutée en l' alanine, un acide aminé non réactif .
  • Gain d'expériences de fonction, le pendant logique des KO. Celles-ci sont parfois réalisées en conjonction avec des expériences de knock-out pour établir plus finement la fonction du gène souhaité. Le processus est sensiblement le même que celui de l'ingénierie knock-out, sauf que la construction est conçue pour augmenter la fonction du gène, généralement en fournissant des copies supplémentaires du gène ou en induisant plus fréquemment la synthèse de la protéine. Le gain de fonction est utilisé pour dire si une protéine est suffisante ou non pour une fonction, mais ne signifie pas toujours qu'elle est nécessaire, en particulier lorsqu'il s'agit de redondance génétique ou fonctionnelle.
  • Expériences de suivi, qui cherchent à obtenir des informations sur la localisation et l'interaction de la protéine souhaitée. Une façon d'y parvenir est de remplacer le gène de type sauvage par un gène de «fusion», qui est une juxtaposition du gène de type sauvage avec un élément de rapport tel que la protéine fluorescente verte (GFP) qui permettra une visualisation facile des produits de la modification génétique. Bien qu'il s'agisse d'une technique utile, la manipulation peut détruire la fonction du gène, créer des effets secondaires et éventuellement remettre en cause les résultats de l'expérience. Des techniques plus sophistiquées sont actuellement en cours de développement pour suivre les produits protéiques sans atténuer leur fonction, comme l'ajout de petites séquences qui serviront de motifs de liaison aux anticorps monoclonaux.
  • Les études d'expression visent à découvrir où et quand des protéines spécifiques sont produites. Dans ces expériences, la séquence d'ADN avant l'ADN qui code pour une protéine, connue sous le nom de promoteur d'un gène, est réintroduite dans un organisme avec la région codante de la protéine remplacée par un gène rapporteur tel que la GFP ou une enzyme qui catalyse la production d'un colorant. . Ainsi, le moment et le lieu où une protéine particulière est produite peuvent être observés. Les études d'expression peuvent être poussées plus loin en modifiant le promoteur pour trouver quelles pièces sont cruciales pour l'expression correcte du gène et sont réellement liées par les protéines du facteur de transcription ; ce processus est connu sous le nom de promoteur bashing .

Industriel

Produits du génie génétique

Les organismes peuvent avoir leurs cellules transformées avec un gène codant pour une protéine utile, telle qu'une enzyme, de sorte qu'ils surexpriment la protéine souhaitée. Des quantités massives de la protéine peuvent ensuite être fabriquées en cultivant l'organisme transformé dans un équipement de bioréacteur utilisant une fermentation industrielle, puis en purifiant la protéine. Certains gènes ne fonctionnent pas bien dans les bactéries, donc des levures, des cellules d'insectes ou des cellules de mammifères peuvent également être utilisées. Ces techniques sont utilisées pour produire des médicaments tels que l'insuline, l'hormone de croissance humaine et des vaccins, des suppléments tels que le tryptophane, une aide à la production d'aliments (la chymosine dans la fabrication du fromage) et des carburants. D'autres applications avec des bactéries génétiquement modifiées pourraient impliquer de leur faire effectuer des tâches en dehors de leur cycle naturel, telles que la fabrication de biocarburants, le nettoyage des déversements de pétrole, de carbone et d'autres déchets toxiques et la détection de l'arsenic dans l'eau potable. Certains microbes génétiquement modifiés peuvent également être utilisés dans le biominage et la bioremédiation, en raison de leur capacité à extraire les métaux lourds de leur environnement et à les incorporer dans des composés plus facilement récupérables.

En science des matériaux, un virus génétiquement modifié a été utilisé dans un laboratoire de recherche comme échafaudage pour assembler une batterie lithium-ion plus respectueuse de l'environnement . Les bactéries ont également été conçues pour fonctionner comme des capteurs en exprimant une protéine fluorescente dans certaines conditions environnementales.

Agriculture

Les toxines Bt présentes dans les feuilles d'arachide (image du bas) la protègent des dommages importants causés par les larves du petit foreur de la tige du maïs (image du haut).

L'une des applications les plus connues et les plus controversées du génie génétique est la création et l'utilisation de cultures génétiquement modifiées ou de bétail génétiquement modifié pour produire des aliments génétiquement modifiés . Des cultures ont été développées pour augmenter la production, augmenter la tolérance aux stress abiotiques, modifier la composition des aliments ou produire de nouveaux produits.

Les premières cultures commercialisées à grande échelle offraient une protection contre les insectes ravageurs ou une tolérance aux herbicides . Des cultures résistantes aux champignons et aux virus ont également été développées ou sont en cours de développement. Cela facilite la gestion des insectes et des mauvaises herbes dans les cultures et peut indirectement augmenter le rendement des cultures. Des cultures GM qui améliorent directement le rendement en accélérant la croissance ou en rendant la plante plus résistante (en améliorant la tolérance au sel, au froid ou à la sécheresse) sont également en cours de développement. En 2016, le saumon a été génétiquement modifié avec des hormones de croissance pour atteindre une taille adulte normale beaucoup plus rapidement.

Des OGM ont été développés qui modifient la qualité des produits en augmentant la valeur nutritionnelle ou en fournissant des qualités ou des quantités plus utiles industriellement. La pomme de terre Amflora produit un mélange d'amidons plus utile sur le plan industriel. Le soja et le canola ont été génétiquement modifiés pour produire des huiles plus saines. Le premier aliment GM commercialisé était une tomate qui avait retardé la maturation, augmentant sa durée de conservation .

Les plantes et les animaux ont été conçus pour produire des matériaux qu'ils ne fabriquent pas normalement. Le pharming utilise des cultures et des animaux comme bioréacteurs pour produire des vaccins, des intermédiaires médicamenteux ou les médicaments eux-mêmes ; le produit utile est purifié à partir de la récolte puis utilisé dans le processus de production pharmaceutique standard. Les vaches et les chèvres ont été conçues pour exprimer des médicaments et d'autres protéines dans leur lait, et en 2009, la FDA a approuvé un médicament produit dans du lait de chèvre.

Autres applications

Le génie génétique a des applications potentielles dans la conservation et la gestion des aires naturelles. Le transfert de gènes par des vecteurs viraux a été proposé comme moyen de contrôler les espèces envahissantes ainsi que de vacciner la faune menacée contre les maladies. Les arbres transgéniques ont été suggérés comme moyen de conférer une résistance aux agents pathogènes dans les populations sauvages. Avec les risques croissants de mauvaise adaptation des organismes en raison du changement climatique et d'autres perturbations, l'adaptation facilitée par l'ajustement génétique pourrait être une solution pour réduire les risques d'extinction. Les applications du génie génétique à la conservation sont jusqu'à présent essentiellement théoriques et doivent encore être mises en pratique.

Le génie génétique est également utilisé pour créer de l'art microbien . Certaines bactéries ont été génétiquement modifiées pour créer des photographies en noir et blanc. Des articles de fantaisie tels que des œillets de couleur lavande, des roses bleues et des poissons brillants ont également été produits par génie génétique.

Régulation

La réglementation du génie génétique concerne les approches adoptées par les gouvernements pour évaluer et gérer les risques associés au développement et à la dissémination d'OGM. L'élaboration d'un cadre réglementaire a commencé en 1975, à Asilomar, en Californie. La réunion d'Asilomar a recommandé un ensemble de directives volontaires concernant l'utilisation de la technologie recombinante. Au fur et à mesure que la technologie s'améliorait, les États-Unis ont créé un comité au Bureau de la science et de la technologie, qui a attribué l'approbation réglementaire des aliments GM à l'USDA, à la FDA et à l'EPA. Le Protocole de Cartagena sur la biosécurité, un traité international qui régit le transfert, la manipulation et l'utilisation des OGM, a été adopté le 29 janvier 2000. Cent cinquante-sept pays sont membres du Protocole et beaucoup l'utilisent comme point de référence pour leur propres règlements.

Le statut juridique et réglementaire des aliments génétiquement modifiés varie selon les pays, certains pays les interdisant ou les restreignant, et d'autres les autorisant avec des degrés de réglementation très différents. Certains pays autorisent l'importation d'aliments GM avec autorisation, mais n'autorisent pas leur culture (Russie, Norvège, Israël) ou ont des dispositions pour la culture même si aucun produit GM n'est encore produit (Japon, Corée du Sud). La plupart des pays qui n'autorisent pas la culture d'OGM autorisent la recherche. Certaines des différences les plus marquées se produisent entre les États-Unis et l'Europe. La politique américaine se concentre sur le produit (et non sur le processus), ne considère que les risques scientifiques vérifiables et utilise le concept d' équivalence substantielle . L' Union européenne, en revanche, possède peut-être les réglementations sur les OGM les plus strictes au monde. Tous les OGM, ainsi que les aliments irradiés, sont considérés comme de "nouveaux aliments" et soumis à une évaluation approfondie, au cas par cas, fondée sur la science par l' Autorité européenne de sécurité des aliments . Les critères d'autorisation se répartissent en quatre grandes catégories : « sécurité », « liberté de choix », « étiquetage » et « traçabilité ». Le niveau de réglementation dans les autres pays qui cultivent des OGM se situe entre l'Europe et les États-Unis.

Agences de régulation par zone géographique
Région Régulateurs Remarques
NOUS USDA, FDA et EPA
L'Europe  Autorité Européenne de Sécurité Alimentaire
Canada Santé Canada et l' Agence canadienne d'inspection des aliments Produits réglementés avec de nouvelles caractéristiques, quelle que soit la méthode d'origine
Afrique Marché commun de l'Afrique orientale et australe La décision finale appartient à chaque pays.
Chine Bureau de l'administration de la biosécurité du génie génétique agricole
Inde Comité institutionnel de biosécurité, comité d'examen de la manipulation génétique et comité d'approbation du génie génétique
Argentine Comité Consultatif National des Biotechnologies Agricoles (impact sur l'environnement), le Service National de la Santé et de la Qualité Agroalimentaire (sécurité alimentaire) et la Direction Nationale de l'Agroalimentaire (effet sur les échanges) Décision finale prise par le Secrétariat de l'agriculture, de l'élevage, de la pêche et de l'alimentation.
Brésil Commission technique nationale de biosécurité (sécurité environnementale et alimentaire) et Conseil des ministres (questions commerciales et économiques)
Australie Office of the Gene Technology Regulator (supervise tous les produits GM), Therapeutic Goods Administration (médicaments GM) et Food Standards Australia New Zealand (aliments GM). Les gouvernements des différents États peuvent alors évaluer l'impact de la dissémination sur les marchés et le commerce et appliquer une législation supplémentaire pour contrôler les produits génétiquement modifiés approuvés.

L'une des principales questions concernant les régulateurs est de savoir si les produits GM doivent être étiquetés. La Commission européenne affirme que l'étiquetage et la traçabilité obligatoires sont nécessaires pour permettre un choix éclairé, éviter d'éventuelles publicités mensongères et faciliter le retrait des produits si des effets néfastes sur la santé ou l'environnement sont découverts. L' American Medical Association et l' American Association for the Advancement of Science affirment qu'en l'absence de preuves scientifiques de préjudice, même l'étiquetage volontaire est trompeur et alarme à tort les consommateurs. L'étiquetage des produits OGM sur le marché est obligatoire dans 64 pays. L'étiquetage peut être obligatoire jusqu'à un seuil de teneur en OGM (qui varie selon les pays) ou volontaire. Au Canada et aux États-Unis, l'étiquetage des aliments GM est volontaire, tandis qu'en Europe, tous les aliments (y compris les aliments transformés ) ou les aliments pour animaux contenant plus de 0,9 % d'OGM approuvés doivent être étiquetés.

Controverse

Les critiques se sont opposés à l'utilisation du génie génétique pour plusieurs raisons, notamment des préoccupations éthiques, écologiques et économiques. Bon nombre de ces préoccupations concernent les cultures GM et la question de savoir si les aliments produits à partir de celles-ci sont sûrs et quel impact leur culture aura sur l'environnement. Ces controverses ont entraîné des litiges, des différends commerciaux internationaux et des protestations, ainsi qu'une réglementation restrictive des produits commerciaux dans certains pays.

Les accusations selon lesquelles les scientifiques " jouent à Dieu " et d'autres problèmes religieux ont été attribuées à la technologie depuis le début. Parmi les autres questions éthiques soulevées figurent le brevetage du vivant, l'utilisation des droits de propriété intellectuelle, le niveau d'étiquetage des produits, le contrôle de l'approvisionnement alimentaire et l'objectivité du processus réglementaire. Bien que des doutes aient été soulevés, la plupart des études économiques ont montré que la culture de cultures GM était bénéfique pour les agriculteurs.

Le flux de gènes entre les cultures GM et les plantes compatibles, ainsi que l'utilisation accrue d' herbicides sélectifs, peuvent augmenter le risque de développement de « super mauvaises herbes ». D'autres préoccupations environnementales concernent les impacts potentiels sur les organismes non ciblés, y compris les microbes du sol, et une augmentation des insectes nuisibles secondaires et résistants. Bon nombre des impacts environnementaux concernant les cultures GM peuvent prendre de nombreuses années à être compris et sont également évidents dans les pratiques agricoles conventionnelles. Avec la commercialisation des poissons génétiquement modifiés, on s'inquiète des conséquences environnementales s'ils s'échappent.

Il existe trois préoccupations principales concernant la sécurité des aliments génétiquement modifiés : s'ils peuvent provoquer une réaction allergique ; si les gènes pouvaient être transférés de la nourriture dans les cellules humaines ; et si les gènes non approuvés pour la consommation humaine pourraient se croiser avec d'autres cultures. Il existe un consensus scientifique sur le fait que les aliments actuellement disponibles dérivés de cultures GM ne présentent pas de plus grand risque pour la santé humaine que les aliments conventionnels, mais que chaque aliment GM doit être testé au cas par cas avant son introduction. Néanmoins, les membres du public sont moins susceptibles que les scientifiques de percevoir les aliments génétiquement modifiés comme sûrs.

Dans la culture populaire

Le génie génétique figure dans de nombreuses histoires de science-fiction . Le roman de Frank Herbert, The White Plague, décrit l'utilisation délibérée du génie génétique pour créer un agent pathogène qui tue spécifiquement les femmes. Une autre des créations d'Herbert, la série de romans Dune, utilise le génie génétique pour créer le puissant Tleilaxu . Peu de films ont informé le public sur le génie génétique, à l'exception de The Boys from Brazil de 1978 et de Jurassic Park de 1993, qui utilisent tous deux une leçon, une démonstration et un extrait de film scientifique. Les méthodes de génie génétique sont faiblement représentées au cinéma ; Michael Clark, écrivant pour le Wellcome Trust, qualifie la représentation du génie génétique et de la biotechnologie de "sérieusement déformée" dans des films tels que The 6th Day . De l'avis de Clark, la biotechnologie est généralement "donnée sous des formes fantastiques mais visuellement saisissantes", tandis que la science est soit reléguée à l'arrière-plan, soit fictive pour convenir à un jeune public.

Dans le jeu vidéo de 2007, BioShock, le génie génétique joue un rôle important dans le scénario central et l'univers. Le jeu se déroule dans la dystopie sous-marine fictive Rapture, dans laquelle ses habitants possèdent des capacités génétiques surhumaines après s'être injectés des "plasmides", un sérum qui accorde de tels pouvoirs. Dans la ville de Rapture se trouvent également des "Little Sisters", des petites filles génétiquement modifiées, ainsi qu'une intrigue parallèle dans laquelle une chanteuse de cabaret vend son fœtus à des généticiens qui implantent de faux souvenirs dans le nouveau-né et le modifient génétiquement pour qu'il grandisse. en adulte.

Voir également

Références

Lectures complémentaires

Liens externes