Ingegneria genetica -Genetic engineering

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L'ingegneria genetica, chiamata anche modificazione genetica o manipolazione genetica, è la modifica e la manipolazione dei geni di un organismo utilizzando la tecnologia . Si tratta di un insieme di tecnologie utilizzate per modificare la composizione genetica delle cellule, compreso il trasferimento di geni all'interno e attraverso i confini delle specie per produrre organismi migliorati o nuovi . Il nuovo DNA si ottiene isolando e copiando il materiale genetico di interesse utilizzando metodi del DNA ricombinante o sintetizzando artificialmente il DNA. Di solito viene creato e utilizzato un costrutto per inserire questo DNA nell'organismo ospite. La prima molecola di DNA ricombinante è stata prodotta da Paul Berg nel 1972 combinando il DNA del virus delle scimmie SV40 con il virus lambda . Oltre a inserire i geni, il processo può essere utilizzato per rimuovere, o " eliminare ", i geni. Il nuovo DNA può essere inserito in modo casuale o mirato a una parte specifica del genoma .

Un organismo generato attraverso l'ingegneria genetica è considerato geneticamente modificato (GM) e l'entità risultante è un organismo geneticamente modificato (OGM). Il primo OGM è stato un batterio generato da Herbert Boyer e Stanley Cohen nel 1973. Rudolf Jaenisch ha creato il primo animale GM inserendo DNA estraneo in un topo nel 1974. La prima azienda a concentrarsi sull'ingegneria genetica, Genentech, è stata fondata nel 1976 e ha iniziato la produzione di proteine ​​umane. L' insulina umana geneticamente modificata è stata prodotta nel 1978 e i batteri produttori di insulina sono stati commercializzati nel 1982. Gli alimenti geneticamente modificati sono stati venduti dal 1994, con il rilascio del pomodoro Flavr Savr . Il Flavr Savr è stato progettato per avere una durata di conservazione più lunga, ma la maggior parte delle colture GM attuali sono modificate per aumentare la resistenza agli insetti e agli erbicidi. GloFish, il primo OGM concepito come animale domestico, è stato venduto negli Stati Uniti nel dicembre 2003. Nel 2016 è stato venduto il salmone modificato con un ormone della crescita.

L'ingegneria genetica è stata applicata in numerosi campi tra cui la ricerca, la medicina, la biotecnologia industriale e l'agricoltura. Nella ricerca gli OGM vengono utilizzati per studiare la funzione e l'espressione genica attraverso esperimenti di perdita di funzione, guadagno di funzione, tracciamento ed espressione. Eliminando i geni responsabili di determinate condizioni è possibile creare organismi modello animali di malattie umane. Oltre a produrre ormoni, vaccini e altri farmaci, l'ingegneria genetica ha il potenziale per curare malattie genetiche attraverso la terapia genica . Le stesse tecniche utilizzate per produrre farmaci possono avere anche applicazioni industriali come la produzione di enzimi per detersivi per bucato, formaggi e altri prodotti.

L'aumento delle colture geneticamente modificate commercializzate ha fornito vantaggi economici agli agricoltori in molti paesi diversi, ma è stata anche la fonte della maggior parte delle controversie sulla tecnologia. Questo è stato presente sin dal suo primo utilizzo; le prime prove sul campo sono state distrutte da attivisti anti-GM. Sebbene vi sia un consenso scientifico sul fatto che il cibo attualmente disponibile derivato da colture GM non rappresenti un rischio maggiore per la salute umana rispetto al cibo convenzionale, la sicurezza alimentare GM è una delle principali preoccupazioni dei critici. Anche il flusso genico, l'impatto sugli organismi non bersaglio, il controllo dell'approvvigionamento alimentare e i diritti di proprietà intellettuale sono stati sollevati come potenziali problemi. Queste preoccupazioni hanno portato allo sviluppo di un quadro normativo, iniziato nel 1975. Ha portato a un trattato internazionale, il Protocollo di Cartagena sulla biosicurezza, adottato nel 2000. I singoli paesi hanno sviluppato i propri sistemi di regolamentazione in materia di OGM, con il differenze più marcate che si verificano tra gli Stati Uniti e l'Europa.

definizione IUPAC

Ingegneria genetica : processo di inserimento di nuove informazioni genetiche in cellule esistenti al fine di modificare un organismo specifico allo scopo di modificarne le caratteristiche.

Nota : Adattato dal rif.

Panoramica

Confronto della riproduzione vegetale convenzionale con la modificazione genetica transgenica e cisgenica

L'ingegneria genetica è un processo che altera la struttura genetica di un organismo rimuovendo o introducendo il DNA o modificando il materiale genetico esistente in situ. A differenza dell'allevamento tradizionale di animali e piante, che prevede l'esecuzione di incroci multipli e quindi la selezione dell'organismo con il fenotipo desiderato, l'ingegneria genetica prende il gene direttamente da un organismo e lo consegna all'altro. Questo è molto più veloce, può essere utilizzato per inserire qualsiasi gene da qualsiasi organismo (anche quelli di domini diversi ) e impedisce che vengano aggiunti anche altri geni indesiderati.

L'ingegneria genetica potrebbe potenzialmente correggere gravi disordini genetici negli esseri umani sostituendo il gene difettoso con uno funzionante. È uno strumento importante nella ricerca che consente di studiare la funzione di geni specifici. Farmaci, vaccini e altri prodotti sono stati raccolti da organismi progettati per produrli. Sono state sviluppate colture che aiutano la sicurezza alimentare aumentando la resa, il valore nutritivo e la tolleranza agli stress ambientali.

Il DNA può essere introdotto direttamente nell'organismo ospite o in una cellula che viene poi fusa o ibridata con l'ospite. Ciò si basa su tecniche di acido nucleico ricombinante per formare nuove combinazioni di materiale genetico ereditabile seguite dall'incorporazione di quel materiale indirettamente attraverso un sistema vettoriale o direttamente tramite micro-iniezione, macro-iniezione o micro-incapsulazione .

L'ingegneria genetica normalmente non include l'allevamento tradizionale, la fecondazione in vitro, l'induzione della poliploidia, la mutagenesi e le tecniche di fusione cellulare che non utilizzano acidi nucleici ricombinanti o un organismo geneticamente modificato nel processo. Tuttavia, alcune definizioni generali di ingegneria genetica includono l'allevamento selettivo . La clonazione e la ricerca sulle cellule staminali, sebbene non siano considerate ingegneria genetica, sono strettamente correlate e l'ingegneria genetica può essere utilizzata al loro interno. La biologia sintetica è una disciplina emergente che fa un ulteriore passo avanti nell'ingegneria genetica introducendo materiale sintetizzato artificialmente in un organismo.

Piante, animali o microrganismi che sono stati modificati attraverso l'ingegneria genetica sono definiti organismi geneticamente modificati o OGM. Se all'ospite viene aggiunto materiale genetico di un'altra specie, l'organismo risultante è chiamato transgenico . Se si utilizza materiale genetico della stessa specie o di una specie che può riprodursi naturalmente con l'ospite, l'organismo risultante è chiamato cisgenico . Se l'ingegneria genetica viene utilizzata per rimuovere materiale genetico dall'organismo bersaglio, l'organismo risultante viene definito un organismo knockout . In Europa la modificazione genetica è sinonimo di ingegneria genetica mentre negli Stati Uniti d'America e in Canada la modificazione genetica può essere utilizzata anche per riferirsi a metodi di allevamento più convenzionali.

Storia

Gli esseri umani hanno alterato i genomi delle specie per migliaia di anni attraverso l'allevamento selettivo o la selezione artificiale in contrasto con la selezione naturale . Più recentemente, l'allevamento di mutazioni ha utilizzato l'esposizione a sostanze chimiche o radiazioni per produrre un'alta frequenza di mutazioni casuali, a fini di riproduzione selettiva. L'ingegneria genetica come manipolazione diretta del DNA da parte dell'uomo al di fuori dell'allevamento e delle mutazioni esiste solo dagli anni '70. Il termine "ingegneria genetica" fu coniato per la prima volta da Jack Williamson nel suo romanzo di fantascienza Dragon's Island, pubblicato nel 1951, un anno prima che il ruolo del DNA nell'ereditarietà fosse confermato da Alfred Hershey e Martha Chase, e due anni prima che James Watson e Francis Crick mostrassero che la molecola del DNA ha una struttura a doppia elica, sebbene il concetto generale di manipolazione genetica diretta sia stato esplorato in forma rudimentale nel racconto di fantascienza di Stanley G. Weinbaum del 1936 L'isola di Proteus .

Nel 1974 Rudolf Jaenisch creò un topo geneticamente modificato, il primo animale GM.

Nel 1972 Paul Berg creò le prime molecole di DNA ricombinante combinando il DNA del virus delle scimmie SV40 con quello del virus lambda . Nel 1973 Herbert Boyer e Stanley Cohen hanno creato il primo organismo transgenico inserendo geni di resistenza agli antibiotici nel plasmide di un batterio Escherichia coli . Un anno dopo Rudolf Jaenisch creò un topo transgenico introducendo DNA estraneo nel suo embrione, rendendolo il primo animale transgenico al mondo Questi risultati hanno portato a preoccupazioni nella comunità scientifica sui potenziali rischi dell'ingegneria genetica, che sono state discusse in modo approfondito per la prima volta alla Conferenza di Asilomar nel 1975. Una delle principali raccomandazioni di questo incontro era che la supervisione del governo sulla ricerca sul DNA ricombinante fosse stabilita fino a quando la tecnologia non fosse considerata sicura.

Nel 1976 Genentech, la prima società di ingegneria genetica, è stata fondata da Herbert Boyer e Robert Swanson e un anno dopo l'azienda ha prodotto una proteina umana ( somatostatina ) in E. coli . Genentech ha annunciato la produzione di insulina umana geneticamente modificata nel 1978. Nel 1980, la Corte Suprema degli Stati Uniti nel caso Diamond v. Chakrabarty ha stabilito che la vita geneticamente modificata potrebbe essere brevettata. L' insulina prodotta dai batteri è stata approvata per il rilascio dalla Food and Drug Administration (FDA) nel 1982.

Nel 1983, un'azienda biotecnologica, Advanced Genetic Sciences (AGS) ha chiesto al governo degli Stati Uniti l'autorizzazione a eseguire test sul campo con il ceppo ice-minus di Pseudomonas syringae per proteggere le colture dal gelo, ma gruppi ambientalisti e manifestanti hanno ritardato i test sul campo per quattro anni con sfide legali. Nel 1987, il ceppo ice-minus di P. syringae è diventato il primo organismo geneticamente modificato (OGM) a essere rilasciato nell'ambiente quando un campo di fragole e un campo di patate in California ne sono stati irrorati. Entrambi i campi di prova sono stati attaccati da gruppi di attivisti la notte prima che si verificassero i test: "Il primo sito di prova al mondo ha attirato il primo cacciatore di campi al mondo".

Le prime prove sul campo di piante geneticamente modificate si sono verificate in Francia e negli Stati Uniti nel 1986, le piante di tabacco sono state progettate per essere resistenti agli erbicidi . La Repubblica popolare cinese è stato il primo paese a commercializzare piante transgeniche, introducendo un tabacco resistente ai virus nel 1992. Nel 1994 Calgene ha ottenuto l'approvazione per il rilascio commerciale del primo alimento geneticamente modificato, il Flavr Savr, un pomodoro progettato per avere una durata di conservazione più lunga . Nel 1994, l'Unione Europea ha approvato il tabacco ingegnerizzato per essere resistente all'erbicida bromoxinil, rendendolo la prima coltura geneticamente modificata commercializzata in Europa. Nel 1995, la patata Bt è stata approvata come sicura dall'Agenzia per la protezione ambientale, dopo essere stata approvata dalla FDA, rendendola la prima coltura produttrice di pesticidi ad essere approvata negli Stati Uniti. Nel 2009 sono state coltivate commercialmente 11 colture transgeniche in 25 paesi, i più grandi dei quali per area coltivata erano Stati Uniti, Brasile, Argentina, India, Canada, Cina, Paraguay e Sud Africa.

Nel 2010, gli scienziati del J. Craig Venter Institute hanno creato il primo genoma sintetico e lo hanno inserito in una cellula batterica vuota. Il batterio risultante, chiamato Mycoplasma laboratorium, potrebbe replicarsi e produrre proteine. Quattro anni dopo questo è stato fatto un ulteriore passo avanti quando è stato sviluppato un batterio che ha replicato un plasmide contenente una coppia di basi unica, creando il primo organismo progettato per utilizzare un alfabeto genetico espanso. Nel 2012, Jennifer Doudna ed Emmanuelle Charpentier hanno collaborato allo sviluppo del sistema CRISPR/Cas9, una tecnica che può essere utilizzata per alterare facilmente e in modo specifico il genoma di quasi tutti gli organismi.

Processi

La reazione a catena della polimerasi è un potente strumento utilizzato nella clonazione molecolare

La creazione di un OGM è un processo in più fasi. Gli ingegneri genetici devono prima scegliere quale gene desiderano inserire nell'organismo. Ciò è guidato da quale sia l'obiettivo per l'organismo risultante e si basa su ricerche precedenti. È possibile eseguire screening genetici per determinare potenziali geni e ulteriori test quindi utilizzati per identificare i migliori candidati. Lo sviluppo di microarray, trascrittomica e sequenziamento del genoma ha reso molto più facile trovare geni adatti. Anche la fortuna fa la sua parte; il gene Roundup Ready è stato scoperto dopo che gli scienziati hanno notato un batterio che prospera in presenza dell'erbicida.

Isolamento genico e clonazione

Il passo successivo è isolare il gene candidato. La cellula contenente il gene viene aperta e il DNA viene purificato. Il gene viene separato utilizzando enzimi di restrizione per tagliare il DNA in frammenti o reazione a catena della polimerasi (PCR) per amplificare il segmento genico. Questi segmenti possono quindi essere estratti mediante elettroforesi su gel . Se il gene scelto o il genoma dell'organismo donatore è stato ben studiato, potrebbe essere già accessibile da una libreria genetica . Se la sequenza del DNA è nota, ma non sono disponibili copie del gene, può anche essere sintetizzata artificialmente . Una volta isolato, il gene viene ligato in un plasmide che viene poi inserito in un batterio. Il plasmide viene replicato quando i batteri si dividono, garantendo la disponibilità di copie illimitate del gene. Il plasmide RK2 è noto per la sua capacità di replicarsi in un'ampia varietà di organismi unicellulari, il che lo rende adatto come strumento di ingegneria genetica.

Prima che il gene venga inserito nell'organismo bersaglio, deve essere combinato con altri elementi genetici. Questi includono una regione del promotore e del terminatore, che avvia e termina la trascrizione . Viene aggiunto un gene marcatore selezionabile, che nella maggior parte dei casi conferisce resistenza agli antibiotici, in modo che i ricercatori possano determinare facilmente quali cellule sono state trasformate con successo. Il gene può anche essere modificato in questa fase per una migliore espressione o efficacia. Queste manipolazioni vengono eseguite utilizzando tecniche di DNA ricombinante, come digest di restrizione, legature e clonazione molecolare.

Inserimento del DNA nel genoma ospite

Una pistola genetica utilizza la biolitica per inserire il DNA nel tessuto vegetale

Esistono numerose tecniche utilizzate per inserire materiale genetico nel genoma ospite. Alcuni batteri possono naturalmente assorbire DNA estraneo . Questa capacità può essere indotta in altri batteri tramite stress (es. shock termico o elettrico), che aumenta la permeabilità della membrana cellulare al DNA; il DNA assorbito può integrarsi con il genoma o esistere come DNA extracromosomico . Il DNA viene generalmente inserito nelle cellule animali mediante microiniezione, dove può essere iniettato attraverso l' involucro nucleare della cellula direttamente nel nucleo, o attraverso l'uso di vettori virali .

I genomi delle piante possono essere ingegnerizzati con metodi fisici o mediante l'uso di Agrobacterium per la consegna di sequenze ospitate in vettori binari T-DNA . Nelle piante il DNA viene spesso inserito utilizzando la trasformazione mediata da Agrobacterium, sfruttando la sequenza T-DNA di Agrobacterium che consente l'inserimento naturale di materiale genetico nelle cellule vegetali. Altri metodi includono la biolistica, in cui le particelle di oro o tungsteno sono ricoperte di DNA e quindi sparate nelle cellule delle piante giovani, e l'elettroporazione, che prevede l'uso di una scossa elettrica per rendere la membrana cellulare permeabile al DNA plasmidico.

Poiché solo una singola cellula viene trasformata con materiale genetico, l'organismo deve essere rigenerato da quella singola cellula. Nelle piante ciò si ottiene mediante l'uso di colture di tessuti . Negli animali è necessario assicurarsi che il DNA inserito sia presente nelle cellule staminali embrionali . I batteri sono costituiti da una singola cellula e si riproducono clonalmente, quindi la rigenerazione non è necessaria. I marcatori selezionabili vengono utilizzati per differenziare facilmente le cellule trasformate da quelle non trasformate. Questi marcatori sono solitamente presenti nell'organismo transgenico, sebbene siano state sviluppate numerose strategie in grado di rimuovere il marcatore selezionabile dalla pianta transgenica matura.

A. tumefaciens si attacca a una cellula di carota

Ulteriori test utilizzando PCR, ibridazione meridionale e sequenziamento del DNA vengono condotti per confermare che un organismo contiene il nuovo gene. Questi test possono anche confermare la posizione cromosomica e il numero di copie del gene inserito. La presenza del gene non garantisce che sarà espresso a livelli appropriati nel tessuto bersaglio, quindi vengono utilizzati anche metodi che cercano e misurano i prodotti genici (RNA e proteine). Questi includono ibridazione settentrionale, RT-PCR quantitativa, Western blot, immunofluorescenza, ELISA e analisi fenotipica.

Il nuovo materiale genetico può essere inserito casualmente all'interno del genoma ospite o mirato a una posizione specifica. La tecnica del targeting genico utilizza la ricombinazione omologa per apportare le modifiche desiderate a uno specifico gene endogeno . Questo tende a verificarsi con una frequenza relativamente bassa nelle piante e negli animali e generalmente richiede l'uso di marcatori selezionabili . La frequenza del targeting genico può essere notevolmente migliorata attraverso l'editing del genoma . L'editing del genoma utilizza nucleasi ingegnerizzate artificialmente che creano rotture a doppio filamento specifiche nelle posizioni desiderate nel genoma e utilizzano i meccanismi endogeni della cellula per riparare la rottura indotta dai processi naturali di ricombinazione omologa e unione terminale non omologa . Esistono quattro famiglie di nucleasi ingegnerizzate: meganucleasi, nucleasi a dito di zinco, nucleasi effettore simile ad attivatore di trascrizione (TALEN) e il sistema Cas9-guideRNA (adattato da CRISPR ). TALEN e CRISPR sono i due più comunemente usati e ognuno ha i suoi vantaggi. I TALEN hanno una maggiore specificità del target, mentre CRISPR è più facile da progettare e più efficiente. Oltre a migliorare il targeting genico, le nucleasi ingegnerizzate possono essere utilizzate per introdurre mutazioni in geni endogeni che generano un knockout genico .

Applicazioni

L'ingegneria genetica ha applicazioni in medicina, ricerca, industria e agricoltura e può essere utilizzata su un'ampia gamma di piante, animali e microrganismi. I batteri, i primi organismi geneticamente modificati, possono avere un DNA plasmidico inserito contenente nuovi geni che codificano per farmaci o enzimi che elaborano il cibo e altri substrati . Le piante sono state modificate per la protezione degli insetti, la resistenza agli erbicidi, la resistenza ai virus, la nutrizione migliorata, la tolleranza alle pressioni ambientali e la produzione di vaccini commestibili . La maggior parte degli OGM commercializzati sono piante coltivate resistenti agli insetti o tolleranti agli erbicidi. Gli animali geneticamente modificati sono stati utilizzati per la ricerca, gli animali modello e la produzione di prodotti agricoli o farmaceutici. Gli animali geneticamente modificati includono animali con geni eliminati, maggiore suscettibilità alle malattie, ormoni per una crescita extra e la capacità di esprimere le proteine ​​nel loro latte.

Medicinale

L'ingegneria genetica ha molte applicazioni in medicina che includono la produzione di farmaci, la creazione di animali modello che imitano le condizioni umane e la terapia genica . Uno dei primi usi dell'ingegneria genetica fu la produzione in serie di insulina umana nei batteri. Questa applicazione è stata ora applicata agli ormoni della crescita umani, agli ormoni follicolo -stimolanti (per il trattamento dell'infertilità), all'albumina umana, agli anticorpi monoclonali, ai fattori antiemofilici, ai vaccini e a molti altri farmaci. Gli ibridomi di topo, cellule fuse insieme per creare anticorpi monoclonali, sono stati adattati attraverso l'ingegneria genetica per creare anticorpi monoclonali umani. Sono in fase di sviluppo virus geneticamente modificati che possono ancora conferire immunità, ma mancano delle sequenze infettive .

L'ingegneria genetica viene utilizzata anche per creare modelli animali di malattie umane. I topi geneticamente modificati sono il modello animale geneticamente modificato più comune. Sono stati utilizzati per studiare e modellare il cancro (l' oncomuse ), l'obesità, le malattie cardiache, il diabete, l'artrite, l'abuso di sostanze, l'ansia, l'invecchiamento e il morbo di Parkinson. Potenziali cure possono essere testate contro questi modelli murini.

La terapia genica è l' ingegneria genetica degli esseri umani, generalmente sostituendo i geni difettosi con quelli efficaci. La ricerca clinica che utilizza la terapia genica somatica è stata condotta con diverse malattie, tra cui la SCID legata all'X, la leucemia linfatica cronica (LLC) e il morbo di Parkinson . Nel 2012, Alipogene tiparvovec è diventato il primo trattamento di terapia genica ad essere approvato per uso clinico. Nel 2015 un virus è stato utilizzato per inserire un gene sano nelle cellule della pelle di un ragazzo affetto da una rara malattia della pelle, l' epidermolisi bollosa, al fine di crescere, e quindi innestare pelle sana sull'80 per cento del corpo del ragazzo che è stato colpito dal malattia.

La terapia genica germinale comporterebbe l'ereditarietà di qualsiasi cambiamento, il che ha sollevato preoccupazioni all'interno della comunità scientifica. Nel 2015, CRISPR è stato utilizzato per modificare il DNA di embrioni umani non vitali, portando gli scienziati delle principali accademie mondiali a chiedere una moratoria sulle modifiche del genoma umano ereditabile. Si teme anche che la tecnologia possa essere utilizzata non solo per il trattamento, ma per il miglioramento, la modifica o l'alterazione dell'aspetto, dell'adattabilità, dell'intelligenza, del carattere o del comportamento di un essere umano. Anche la distinzione tra cura e miglioramento può essere difficile da stabilire. Nel novembre 2018, He Jiankui ha annunciato di aver modificato i genomi di due embrioni umani, per tentare di disabilitare il gene CCR5, che codifica per un recettore che l'HIV utilizza per entrare nelle cellule. Il lavoro è stato ampiamente condannato come non etico, pericoloso e prematuro. Attualmente, la modifica della linea germinale è vietata in 40 paesi. Gli scienziati che fanno questo tipo di ricerca spesso lasciano crescere gli embrioni per alcuni giorni senza permettergli di svilupparsi in un bambino.

I ricercatori stanno alterando il genoma dei suini per indurre la crescita degli organi umani, con l'obiettivo di aumentare il successo del trapianto di organi da suino a umano . Gli scienziati stanno creando "gene drive", modificando i genomi delle zanzare per renderle immuni alla malaria, e quindi stanno cercando di diffondere le zanzare geneticamente modificate in tutta la popolazione di zanzare nella speranza di eliminare la malattia.

Ricerca

Cellule umane in cui alcune proteine ​​sono fuse con una proteina fluorescente verde per consentirne la visualizzazione

L'ingegneria genetica è uno strumento importante per gli scienziati naturali, con la creazione di organismi transgenici uno degli strumenti più importanti per l'analisi della funzione genica. I geni e altre informazioni genetiche provenienti da un'ampia gamma di organismi possono essere inseriti nei batteri per la conservazione e la modifica, creando nel processo batteri geneticamente modificati . I batteri sono economici, facili da coltivare, clonali, si moltiplicano rapidamente, relativamente facili da trasformare e possono essere conservati a -80 °C quasi indefinitamente. Una volta che un gene è stato isolato, può essere immagazzinato all'interno dei batteri fornendo una scorta illimitata per la ricerca.

Gli organismi sono geneticamente modificati per scoprire le funzioni di determinati geni. Questo potrebbe essere l'effetto sul fenotipo dell'organismo, dove viene espresso il gene o con quali altri geni interagisce. Questi esperimenti generalmente comportano la perdita di funzione, il guadagno di funzione, il tracciamento e l'espressione.

  • Esperimenti di perdita di funzione, come in un esperimento di knockout genico, in cui un organismo è progettato per non avere l'attività di uno o più geni. In un semplice knockout una copia del gene desiderato è stata alterata per renderlo non funzionante. Le cellule staminali embrionali incorporano il gene alterato, che sostituisce la copia funzionale già presente. Queste cellule staminali vengono iniettate nelle blastocisti, che vengono impiantate nelle madri surrogate. Ciò consente allo sperimentatore di analizzare i difetti causati da questa mutazione e quindi di determinare il ruolo di particolari geni. È usato particolarmente frequentemente nella biologia dello sviluppo . Quando ciò viene fatto creando una libreria di geni con mutazioni puntiformi in ogni posizione nell'area di interesse, o anche in ogni posizione nell'intero gene, si parla di "mutagenesi a scansione". Il metodo più semplice, e il primo ad essere utilizzato, è la "scansione dell'alanina", in cui ogni posizione a sua volta viene mutata nell'amminoacido non reattivo alanina .
  • Guadagno di esperimenti di funzione, la controparte logica dei knockout. Questi vengono talvolta eseguiti in combinazione con esperimenti di knockout per stabilire più finemente la funzione del gene desiderato. Il processo è più o meno lo stesso di quello dell'ingegneria del knockout, tranne per il fatto che il costrutto è progettato per aumentare la funzione del gene, di solito fornendo copie extra del gene o inducendo la sintesi della proteina più frequentemente. Il guadagno di funzione viene utilizzato per dire se una proteina è sufficiente o meno per una funzione, ma non sempre significa che sia necessaria, soprattutto quando si tratta di ridondanza genetica o funzionale.
  • Esperimenti di tracciamento, che cercano di ottenere informazioni sulla localizzazione e l'interazione della proteina desiderata. Un modo per farlo è sostituire il gene di tipo selvaggio con un gene di "fusione", che è una giustapposizione del gene di tipo selvaggio con un elemento di segnalazione come la proteina fluorescente verde (GFP) che consentirà una facile visualizzazione dei prodotti della modificazione genetica. Sebbene questa sia una tecnica utile, la manipolazione può distruggere la funzione del gene, creando effetti secondari e possibilmente mettendo in discussione i risultati dell'esperimento. Sono ora in fase di sviluppo tecniche più sofisticate in grado di tracciare i prodotti proteici senza mitigarne la funzione, come l'aggiunta di piccole sequenze che fungeranno da motivi di legame per gli anticorpi monoclonali.
  • Gli studi sull'espressione mirano a scoprire dove e quando vengono prodotte proteine ​​specifiche. In questi esperimenti, la sequenza di DNA prima del DNA che codifica per una proteina, nota come promotore di un gene, viene reintrodotta in un organismo con la regione codificante della proteina sostituita da un gene reporter come la GFP o un enzima che catalizza la produzione di un colorante . In questo modo è possibile osservare il tempo e il luogo in cui viene prodotta una particolare proteina. Gli studi sull'espressione possono essere fatti un ulteriore passo avanti alterando il promotore per trovare quali pezzi sono cruciali per la corretta espressione del gene e sono effettivamente legati dalle proteine ​​​​del fattore di trascrizione; questo processo è noto come promotore bashing .

Industriale

Prodotti di ingegneria genetica

Gli organismi possono trasformare le loro cellule con un gene che codifica per una proteina utile, come un enzima, in modo da sovraesprimere la proteina desiderata. Le quantità di massa della proteina possono quindi essere prodotte facendo crescere l'organismo trasformato in apparecchiature per bioreattori utilizzando la fermentazione industriale e quindi purificando la proteina. Alcuni geni non funzionano bene nei batteri, quindi possono essere utilizzati anche lievito, cellule di insetti o cellule di mammiferi. Queste tecniche vengono utilizzate per produrre medicinali come l' insulina, l'ormone della crescita umano e vaccini, integratori come il triptofano, aiuti nella produzione di cibo ( chimosina nella produzione di formaggio) e combustibili. Altre applicazioni con batteri geneticamente modificati potrebbero comportare l'esecuzione di attività al di fuori del loro ciclo naturale, come la produzione di biocarburanti, la pulizia di fuoriuscite di petrolio, carbonio e altri rifiuti tossici e il rilevamento dell'arsenico nell'acqua potabile. Alcuni microbi geneticamente modificati possono essere utilizzati anche nel biomining e nel biorisanamento, grazie alla loro capacità di estrarre metalli pesanti dal loro ambiente e incorporarli in composti che sono più facilmente recuperabili.

Nella scienza dei materiali, un virus geneticamente modificato è stato utilizzato in un laboratorio di ricerca come impalcatura per l'assemblaggio di una batteria agli ioni di litio più rispettosa dell'ambiente . I batteri sono stati progettati anche per funzionare come sensori esprimendo una proteina fluorescente in determinate condizioni ambientali.

agricoltura

Le tossine Bt presenti nelle foglie di arachidi (immagine in basso) lo proteggono dai danni estesi causati dalle larve di piralide del gambo di mais minori (immagine in alto).

Una delle applicazioni più note e controverse dell'ingegneria genetica è la creazione e l'uso di colture geneticamente modificate o bestiame geneticamente modificato per produrre alimenti geneticamente modificati . Le colture sono state sviluppate per aumentare la produzione, aumentare la tolleranza agli stress abiotici, alterare la composizione degli alimenti o per produrre nuovi prodotti.

Le prime colture ad essere commercializzate su larga scala fornivano protezione dagli insetti nocivi o tolleranza agli erbicidi . Sono state sviluppate o sono in fase di sviluppo anche colture resistenti a funghi e virus. Ciò rende più facile la gestione degli insetti e delle erbe infestanti delle colture e può aumentare indirettamente la resa delle colture. Sono in fase di sviluppo anche colture GM che migliorano direttamente la resa accelerando la crescita o rendendo la pianta più resistente (migliorando la tolleranza al sale, al freddo o alla siccità). Nel 2016 il salmone è stato geneticamente modificato con gli ormoni della crescita per raggiungere le normali dimensioni da adulto molto più velocemente.

Sono stati sviluppati OGM che modificano la qualità dei prodotti aumentando il valore nutritivo o fornendo qualità o quantità più utili a livello industriale. La patata Amflora produce una miscela di amidi più utile dal punto di vista industriale. La soia e la colza sono state geneticamente modificate per produrre oli più sani. Il primo alimento GM commercializzato era un pomodoro che aveva ritardato la maturazione, aumentandone la durata .

Piante e animali sono stati progettati per produrre materiali che normalmente non producono. Il pharming utilizza colture e animali come bioreattori per produrre vaccini, farmaci intermedi o i farmaci stessi; il prodotto utile viene purificato dal raccolto e quindi utilizzato nel processo di produzione farmaceutica standard. Mucche e capre sono state progettate per esprimere farmaci e altre proteine ​​nel loro latte e nel 2009 la FDA ha approvato un farmaco prodotto nel latte di capra.

Altre applicazioni

L'ingegneria genetica ha potenziali applicazioni nella conservazione e nella gestione dell'area naturale. Il trasferimento genico attraverso vettori virali è stato proposto come mezzo per controllare le specie invasive e per vaccinare la fauna minacciata dalla malattia. Gli alberi transgenici sono stati suggeriti come un modo per conferire resistenza agli agenti patogeni nelle popolazioni selvatiche. Con i crescenti rischi di disadattamento negli organismi a causa del cambiamento climatico e di altre perturbazioni, l'adattamento facilitato attraverso la modifica dei geni potrebbe essere una soluzione per ridurre i rischi di estinzione. Le applicazioni dell'ingegneria genetica nella conservazione sono finora per lo più teoriche e devono ancora essere messe in pratica.

L'ingegneria genetica viene utilizzata anche per creare arte microbica . Alcuni batteri sono stati geneticamente modificati per creare fotografie in bianco e nero. Anche elementi innovativi come garofani color lavanda, rose blu e pesci luminosi sono stati prodotti attraverso l'ingegneria genetica.

Regolamento

La regolamentazione dell'ingegneria genetica riguarda gli approcci adottati dai governi per valutare e gestire i rischi associati allo sviluppo e al rilascio di OGM. Lo sviluppo di un quadro normativo iniziò nel 1975, ad Asilomar, in California. L' incontro di Asilomar ha raccomandato una serie di linee guida volontarie sull'uso della tecnologia ricombinante. Con il miglioramento della tecnologia, gli Stati Uniti hanno istituito un comitato presso l' Office of Science and Technology, che ha assegnato l'approvazione normativa degli alimenti GM a USDA, FDA ed EPA. Il 29 gennaio 2000 è stato adottato il Protocollo di Cartagena sulla Biosicurezza, un trattato internazionale che disciplina il trasferimento, la manipolazione e l'uso degli OGM. Centocinquantasette paesi sono membri del Protocollo e molti lo utilizzano come punto di riferimento per le loro propri regolamenti.

Lo stato legale e normativo degli alimenti GM varia in base al paese, con alcune nazioni che li vietano o li limitano e altri li consentono con gradi di regolamentazione molto diversi. Alcuni paesi consentono l'importazione di alimenti GM previa autorizzazione, ma o non ne consentono la coltivazione (Russia, Norvegia, Israele) o dispongono di disposizioni per la coltivazione anche se non sono ancora stati prodotti prodotti GM (Giappone, Corea del Sud). La maggior parte dei paesi che non consentono la coltivazione di OGM consentono la ricerca. Alcune delle differenze più marcate si verificano tra gli Stati Uniti e l'Europa. La politica statunitense si concentra sul prodotto (non sul processo), guarda solo a rischi scientifici verificabili e utilizza il concetto di equivalenza sostanziale . L' Unione Europea, al contrario, ha forse le normative sugli OGM più rigorose al mondo. Tutti gli OGM, insieme agli alimenti irradiati, sono considerati "nuovi alimenti" e soggetti a un'ampia valutazione scientifica caso per caso da parte dell'Autorità europea per la sicurezza alimentare . I criteri per l'autorizzazione rientrano in quattro grandi categorie: "sicurezza", "libertà di scelta", "etichettatura" e "tracciabilità". Il livello di regolamentazione in altri paesi che coltivano OGM si trova tra l'Europa e gli Stati Uniti.

Agenzie di regolamentazione per regione geografica
Regione Regolatori Appunti
NOI USDA, FDA ed EPA
Europa Autorità europea per la sicurezza alimentare
Canada Health Canada e l' Agenzia canadese di ispezione alimentare Prodotti regolamentati con caratteristiche innovative indipendentemente dal metodo di origine
Africa Mercato comune per l'Africa orientale e meridionale La decisione finale spetta a ogni singolo paese.
Cina Ufficio di Amministrazione della Biosicurezza dell'Ingegneria Genetica Agraria
India Comitato istituzionale per la biosicurezza, Comitato di revisione sulla manipolazione genetica e Comitato di approvazione dell'ingegneria genetica
Argentina Comitato consultivo nazionale per le biotecnologie agrarie (impatto ambientale), il Servizio nazionale per la salute e la qualità agroalimentare (sicurezza alimentare) e la Direzione nazionale agroalimentare (effetto sugli scambi) Decisione finale presa dal Segretariato per l'agricoltura, l'allevamento, la pesca e l'alimentazione.
Brasile Commissione Tecnica Nazionale per la Biosicurezza (ambiente e sicurezza alimentare) e Consiglio dei Ministri (questioni commerciali ed economiche)
Australia Office of the Gene Technology Regulator (sorveglia tutti i prodotti GM), Therapeutic Goods Administration (medicinali GM) e Food Standards Australia New Zealand (alimenti GM). I singoli governi statali possono quindi valutare l'impatto del rilascio sui mercati e sul commercio e applicare ulteriore legislazione per controllare i prodotti geneticamente modificati approvati.

Una delle questioni chiave riguardanti le autorità di regolamentazione è se i prodotti GM debbano essere etichettati. La Commissione europea afferma che l'etichettatura e la tracciabilità obbligatorie sono necessarie per consentire una scelta informata, evitare potenziali pubblicità ingannevoli e facilitare il ritiro dei prodotti se vengono scoperti effetti negativi sulla salute o sull'ambiente. L' American Medical Association e l' American Association for the Advancement of Science affermano che l'assenza di prove scientifiche di danno, anche l'etichettatura volontaria è fuorviante e allarmerà falsamente i consumatori. L'etichettatura dei prodotti OGM sul mercato è richiesta in 64 paesi. L'etichettatura può essere obbligatoria fino a una soglia di contenuto GM (che varia da paese a paese) o facoltativa. In Canada e negli Stati Uniti l'etichettatura degli alimenti GM è volontaria, mentre in Europa tutti gli alimenti (compresi gli alimenti trasformati ) oi mangimi che contengono più dello 0,9% di OGM approvati devono essere etichettati.

Controversia

I critici si sono opposti all'uso dell'ingegneria genetica per diversi motivi, comprese preoccupazioni etiche, ecologiche ed economiche. Molte di queste preoccupazioni riguardano le colture GM e se il cibo prodotto da esse è sicuro e quale impatto avrà la loro coltivazione sull'ambiente. Queste controversie hanno portato a contenziosi, controversie commerciali internazionali e proteste e a una regolamentazione restrittiva dei prodotti commerciali in alcuni paesi.

Le accuse secondo cui gli scienziati stanno " giocando a fare Dio " e altre questioni religiose sono state attribuite alla tecnologia sin dall'inizio. Altre questioni etiche sollevate includono la brevettazione della vita, l'uso dei diritti di proprietà intellettuale, il livello di etichettatura sui prodotti, il controllo dell'approvvigionamento alimentare e l'obiettività del processo normativo. Sebbene siano stati sollevati dubbi, dal punto di vista economico la maggior parte degli studi ha riscontrato che la coltivazione di colture GM è vantaggiosa per gli agricoltori.

Il flusso genico tra colture GM e piante compatibili, insieme a un maggiore uso di erbicidi selettivi, può aumentare il rischio di sviluppo di " supererbacce ". Altre preoccupazioni ambientali riguardano potenziali impatti su organismi non bersaglio, compresi i microbi del suolo, e un aumento di insetti nocivi secondari e resistenti. Molti degli impatti ambientali relativi alle colture GM possono richiedere molti anni per essere compresi e sono evidenti anche nelle pratiche agricole convenzionali. Con la commercializzazione dei pesci geneticamente modificati ci sono preoccupazioni su quali saranno le conseguenze ambientali se scappano.

Ci sono tre preoccupazioni principali sulla sicurezza degli alimenti geneticamente modificati: se possono provocare una reazione allergica ; se i geni potrebbero trasferirsi dal cibo alle cellule umane; e se i geni non approvati per il consumo umano potrebbero incrociarsi con altre colture. C'è un consenso scientifico sul fatto che il cibo attualmente disponibile derivato da colture GM non rappresenti un rischio maggiore per la salute umana rispetto al cibo convenzionale, ma che ogni alimento GM deve essere testato caso per caso prima dell'introduzione. Tuttavia, è meno probabile che i membri del pubblico percepiscano gli alimenti GM come sicuri rispetto agli scienziati.

Nella cultura popolare

L'ingegneria genetica è presente in molte storie di fantascienza . Il romanzo di Frank Herbert The White Plague descrive l'uso deliberato dell'ingegneria genetica per creare un agente patogeno che uccide specificamente le donne. Un'altra delle creazioni di Herbert, la serie di romanzi Dune, utilizza l'ingegneria genetica per creare il potente Tleilaxu . Pochi film hanno informato il pubblico sull'ingegneria genetica, ad eccezione di The Boys from Brazil del 1978 e Jurassic Park del 1993, che utilizzano entrambi una lezione, una dimostrazione e una clip di un film scientifico. I metodi di ingegneria genetica sono debolmente rappresentati nei film; Michael Clark, scrivendo per il Wellcome Trust, definisce la rappresentazione dell'ingegneria genetica e della biotecnologia "seriamente distorta" in film come The 6th Day . Dal punto di vista di Clark, la biotecnologia è tipicamente "data in forme fantastiche ma visivamente accattivanti" mentre la scienza è relegata in secondo piano o romanzata per adattarsi a un pubblico giovane.

Nel videogioco del 2007, BioShock, l'ingegneria genetica gioca un ruolo importante nella trama centrale e nell'universo. Il gioco si svolge nell'immaginaria distopia subacquea Rapture, in cui i suoi abitanti possiedono abilità genetiche sovrumane dopo essersi iniettati dei "plasmidi", un siero che conferisce tali poteri. Nella città di Rapture ci sono anche le "Little Sisters", bambine genericamente ingegnerizzate, oltre a una trama secondaria in cui una cantante di cabaret vende il suo feto a scienziati genetici che impiantano falsi ricordi nel neonato e lo modificano geneticamente per farlo crescere in un adulto.

Guarda anche

Riferimenti

Ulteriori letture

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