Inżynieria genetyczna -Genetic engineering

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii

Inżynieria genetyczna, zwana także modyfikacją genetyczną lub manipulacją genetyczną, to modyfikacja i manipulacja genami organizmu przy użyciu technologii . Jest to zestaw technologii wykorzystywanych do zmiany struktury genetycznej komórek, w tym transferu genów w obrębie granic gatunków i poza nimi w celu wytworzenia ulepszonych lub nowatorskich organizmów . Nowe DNA uzyskuje się poprzez izolację i kopiowanie interesującego materiału genetycznego metodami rekombinacji DNA lub poprzez sztuczną syntezę DNA. Konstrukt jest zwykle tworzony i używany do wprowadzenia tego DNA do organizmu gospodarza. Pierwsza zrekombinowana cząsteczka DNA została stworzona przez Paula Berga w 1972 roku przez połączenie DNA małpiego wirusa SV40 z wirusem lambda . Oprócz wstawiania genów, proces ten może być używany do usuwania lub „usuwania genów. Nowe DNA może być wstawiane losowo lub kierowane do określonej części genomu .

Organizm powstały w wyniku inżynierii genetycznej jest uważany za organizm zmodyfikowany genetycznie (GM), a powstały organizm to organizm zmodyfikowany genetycznie (GMO). Pierwszym genetycznie zmodyfikowanym organizmem była bakteria wytworzona przez Herberta Boyera i Stanleya Cohena w 1973 roku. Rudolf Jaenisch stworzył pierwsze zwierzę genetycznie zmodyfikowane, kiedy w 1974 roku wprowadził obce DNA do myszy . Pierwsza firma zajmująca się inżynierią genetyczną, Genentech, została założona w 1976 roku i rozpoczęła produkcję białek ludzkich. Genetycznie modyfikowana ludzka insulina została wyprodukowana w 1978 roku, a bakterie produkujące insulinę zostały skomercjalizowane w 1982 roku. Genetycznie modyfikowana żywność jest sprzedawana od 1994 roku, wraz z wprowadzeniem na rynek pomidora Flavr Savr . Flavr Savr został zaprojektowany tak, aby miał dłuższy okres przydatności do spożycia, ale większość obecnych upraw GM jest modyfikowana w celu zwiększenia odporności na owady i herbicydy. GloFish, pierwszy GMO zaprojektowany jako zwierzę domowe, został sprzedany w Stanach Zjednoczonych w grudniu 2003 roku. W 2016 roku sprzedano łososia modyfikowanego hormonem wzrostu.

Inżynieria genetyczna znalazła zastosowanie w wielu dziedzinach, m.in. w badaniach naukowych, medycynie, biotechnologii przemysłowej i rolnictwie. W badaniach GMO są wykorzystywane do badania funkcji i ekspresji genów poprzez utratę funkcji, zyskanie funkcji, eksperymenty śledzenia i ekspresji. Poprzez wybicie genów odpowiedzialnych za określone stany możliwe jest stworzenie zwierzęcych organizmów modelowych chorób człowieka. Oprócz wytwarzania hormonów, szczepionek i innych leków, inżynieria genetyczna może leczyć choroby genetyczne poprzez terapię genową . Te same techniki, które są używane do produkcji leków, mogą mieć również zastosowania przemysłowe, takie jak wytwarzanie enzymów do detergentów do prania, serów i innych produktów.

Rozwój skomercjalizowanych genetycznie zmodyfikowanych upraw przyniósł korzyści ekonomiczne rolnikom w wielu różnych krajach, ale był również źródłem większości kontrowersji wokół tej technologii. To było obecne od jego wczesnego użycia; pierwsze próby terenowe zostały zniszczone przez działaczy anty-GM. Chociaż istnieje konsensus naukowy, że obecnie dostępna żywność pochodząca z upraw GM nie stanowi większego zagrożenia dla zdrowia ludzkiego niż żywność konwencjonalna, bezpieczeństwo żywności GM jest głównym problemem krytyków. Przepływ genów, wpływ na organizmy niebędące przedmiotem zwalczania, kontrola dostaw żywności i prawa własności intelektualnej również zostały podniesione jako potencjalne problemy. Obawy te doprowadziły do ​​opracowania ram regulacyjnych, które rozpoczęło się w 1975 r. Doprowadziło to do międzynarodowego traktatu, Protokołu z Kartageny o bezpieczeństwie biologicznym, który został przyjęty w 2000 r. Poszczególne kraje opracowały własne systemy regulacyjne dotyczące GMO, z najbardziej wyraźne różnice występujące między Stanami Zjednoczonymi a Europą.

Definicja IUPAC

Inżynieria genetyczna : Proces wprowadzania nowej informacji genetycznej do istniejących komórek w celu modyfikacji określonego organizmu w celu zmiany jego cech.

Uwaga : Na podstawie ref.

Przegląd

Porównanie konwencjonalnej hodowli roślin z transgeniczną i cisgeniczną modyfikacją genetyczną

Inżynieria genetyczna to proces, który zmienia strukturę genetyczną organizmu poprzez usunięcie lub wprowadzenie DNA lub modyfikację istniejącego materiału genetycznego in situ. W przeciwieństwie do tradycyjnej hodowli zwierząt i roślin, która polega na wykonywaniu wielu krzyżówek, a następnie selekcji organizmu o pożądanym fenotypie, inżynieria genetyczna pobiera gen bezpośrednio z jednego organizmu i dostarcza go do drugiego. Jest to o wiele szybsze, może służyć do wstawiania dowolnych genów z dowolnego organizmu (nawet z różnych domen ) i zapobiega dodawaniu innych niepożądanych genów.

Inżynieria genetyczna może potencjalnie naprawić poważne zaburzenia genetyczne u ludzi, zastępując wadliwy gen sprawnym. Jest to ważne narzędzie badawcze, które umożliwia badanie funkcji określonych genów. Leki, szczepionki i inne produkty zostały zebrane z organizmów zaprojektowanych do ich produkcji. Opracowano rośliny, które wspomagają bezpieczeństwo żywnościowe poprzez zwiększanie plonów, wartości odżywczych i tolerancji na stresy środowiskowe.

DNA można wprowadzić bezpośrednio do organizmu gospodarza lub do komórki, która jest następnie poddawana fuzji lub hybrydyzacji z gospodarzem. Opiera się to na technikach rekombinacji kwasów nukleinowych w celu utworzenia nowych kombinacji dziedzicznego materiału genetycznego, po czym następuje inkorporacja tego materiału pośrednio poprzez system wektorowy lub bezpośrednio poprzez mikroiniekcja, makroiniekcja lub mikrokapsułkowanie .

Inżynieria genetyczna zwykle nie obejmuje tradycyjnej hodowli, zapłodnienia in vitro, indukcji poliploidii, mutagenezy i fuzji komórek, które nie wykorzystują w tym procesie rekombinowanych kwasów nukleinowych ani organizmów modyfikowanych genetycznie. Jednak niektóre szerokie definicje inżynierii genetycznej obejmują hodowlę selektywną . Klonowanie i badania nad komórkami macierzystymi, chociaż nie są uważane za inżynierię genetyczną, są ze sobą ściśle powiązane i można w nich zastosować inżynierię genetyczną. Biologia syntetyczna to nowa dyscyplina, która idzie o krok dalej w inżynierii genetycznej, wprowadzając do organizmu sztucznie zsyntetyzowany materiał.

Rośliny, zwierzęta lub mikroorganizmy, które zostały zmienione za pomocą inżynierii genetycznej, określane są jako organizmy zmodyfikowane genetycznie lub GMO. Jeśli do żywiciela zostanie dodany materiał genetyczny innego gatunku, powstały organizm nazywany jest organizmem transgenicznym . Jeśli używany jest materiał genetyczny z tego samego gatunku lub gatunku, który może naturalnie rozmnażać się z żywicielem, powstały organizm nazywany jest cisgenicznym . Jeśli do usunięcia materiału genetycznego z organizmu docelowego stosuje się inżynierię genetyczną, powstały organizm określany jest jako organizm z nokautem . W Europie modyfikacja genetyczna jest synonimem inżynierii genetycznej, podczas gdy w Stanach Zjednoczonych i Kanadzie modyfikacja genetyczna może być również używana w odniesieniu do bardziej konwencjonalnych metod hodowli.

Historia

Ludzie zmieniali genomy gatunków od tysięcy lat poprzez selektywną hodowlę lub dobór sztuczny, w przeciwieństwie do doboru naturalnego . Ostatnio hodowla mutacji wykorzystywała ekspozycję na chemikalia lub promieniowanie w celu wytworzenia wysokiej częstotliwości losowych mutacji w celach selektywnej hodowli. Inżynieria genetyczna jako bezpośrednia manipulacja DNA przez ludzi poza hodowlą i mutacjami istnieje dopiero od lat 70. XX wieku. Termin „inżynieria genetyczna” został po raz pierwszy ukuty przez Jacka Williamsona w jego powieści science fiction „Wyspa smoka”, opublikowanej w 1951 roku – rok przed potwierdzeniem roli DNA w dziedziczności przez Alfreda Hersheya i Marthę Chase, a dwa lata przed pokazaniem tego przez Jamesa Watsona i Francisa Cricka . że cząsteczka DNA ma strukturę podwójnej helisy – chociaż ogólna koncepcja bezpośredniej manipulacji genetycznej została zbadana w szczątkowej formie w powieści science fiction Stanleya G. Weinbauma z 1936 roku Proteus Island .

W 1974 Rudolf Jaenisch stworzył genetycznie zmodyfikowaną mysz, pierwsze zwierzę GM.

W 1972 Paul Berg stworzył pierwsze rekombinowane cząsteczki DNA, łącząc DNA małpiego wirusa SV40 z DNA wirusa lambda . W 1973 Herbert Boyer i Stanley Cohen stworzyli pierwszy organizm transgeniczny, wprowadzając geny oporności na antybiotyki do plazmidu bakterii Escherichia coli . Rok później Rudolf Jaenisch stworzył transgeniczną mysz, wprowadzając obce DNA do jej zarodka, co czyni ją pierwszym zwierzęciem transgenicznym na świecie. Osiągnięcia te wywołały obawy w środowisku naukowym dotyczące potencjalnych zagrożeń związanych z inżynierią genetyczną, które po raz pierwszy zostały szczegółowo omówione na konferencji Asilomar w 1975 roku. Jedną z głównych rekomendacji z tego spotkania było ustanowienie nadzoru rządowego nad badaniami nad rekombinacją DNA, dopóki technologia nie zostanie uznana za bezpieczną.

W 1976 roku Herbert Boyer i Robert Swanson założyli Genentech, pierwszą firmę zajmującą się inżynierią genetyczną, a rok później firma wyprodukowała białko ludzkie ( somatostatynę ) w E. coli . Genentech ogłosił produkcję genetycznie modyfikowanej ludzkiej insuliny w 1978 roku. W 1980 roku Sąd Najwyższy Stanów Zjednoczonych w sprawie Diamond przeciwko Chakrabarty orzekł, że genetycznie zmienione życie może zostać opatentowane. Insulina produkowana przez bakterie została dopuszczona do wydania przez Food and Drug Administration (FDA) w 1982 roku.

W 1983 r. firma biotechnologiczna Advanced Genetic Sciences (AGS) złożyła wniosek o zezwolenie rządu USA na przeprowadzenie testów polowych ze szczepem ice-minus Pseudomonas syringae w celu ochrony upraw przed mrozem, ale organizacje ekologiczne i protestujący opóźnili testy polowe o cztery lata. wyzwania prawne. W 1987 r. szczep ice-minus P. syringae stał się pierwszym genetycznie zmodyfikowanym organizmem (GMO), który został uwolniony do środowiska, gdy opryskano nim pole truskawkowe i pole ziemniaczane w Kalifornii. Oba pola testowe zostały zaatakowane przez grupy aktywistów w noc poprzedzającą przeprowadzenie testów: „Pierwsze na świecie mice testowe przyciągnęło pierwszego na świecie śmieciarza w terenie”.

Pierwsze próby terenowe roślin modyfikowanych genetycznie miały mice we Francji i Stanach Zjednoczonych w 1986 r. Rośliny tytoniu zaprojektowano tak, aby były odporne na herbicydy . Chińska Republika Ludowa była pierwszym krajem, który skomercjalizował rośliny transgeniczne, wprowadzając w 1992 tytoń odporny na wirusy. W 1994 Calgene uzyskał zgodę na komercyjne wprowadzenie na rynek pierwszej genetycznie zmodyfikowanej żywności, Flavr Savr, pomidora zaprojektowanego tak, aby miał dłuższy okres przydatności do spożycia . W 1994 roku Unia Europka zatwierdziła tytoń skonstruowany tak, aby był odporny na herbicyd bromoksynil, co czyni go pierwszą genetycznie zmodyfikowaną uprawą komercyjną w Europie. W 1995 roku ziemniak Bt został zatwierdzony przez Agencję Ochrony Środowiska jako bezpieczny, po zatwierdzeniu przez FDA, co czyni go pierwszą uprawą produkującą pestycydy, która została zatwierdzona w USA. W 2009 roku 11 transgenicznych roślin uprawiano komercyjnie w 25 krajach, z których największe pod względem powierzchni upraw to USA, Brazylia, Argentyna, Indie, Kanada, Chiny, Paragwaj i RPA.

W 2010 roku naukowcy z Instytutu J. Craiga Ventera stworzyli pierwszy syntetyczny genom i wprowadzili go do pustej komórki bakteryjnej. Powstała bakteria, nazwana laboratorium Mycoplasma, mogła replikować i produkować białka. Cztery lata później posunięto się o krok dalej, gdy opracowano bakterię, która replikowała plazmid zawierający unikalną parę zasad, tworząc pierwszy organizm skonstruowany tak, aby używał rozszerzonego alfabetu genetycznego. W 2012 roku Jennifer Doudna i Emmanuelle Charpentier współpracowały, aby opracować system CRISPR/Cas9, technikę, która może być wykorzystana do łatwej i specyficznej zmiany genomu niemal każdego organizmu.

Proces

Reakcja łańcuchowa polimerazy to potężne narzędzie wykorzystywane w klonowaniu molekularnym

Tworzenie GMO to proces wieloetapowy. Inżynierowie genetyczni muszą najpierw wybrać, jaki gen chcą wstawić do organizmu. Wynika to z tego, jaki jest cel dla powstałego organizmu i opiera się na wcześnizych badaniach. Przesiewowe badania genetyczne można przeprowadzić w celu określenia potencjalnych genów, a następnie wykorzystać dalsze testy do identyfikacji najlepszych kandydatów. Rozwój mikromacierzy, transkryptomiki i sekwencjonowania genomu znacznie ułatwił znalezienie odpowiednich genów. Szczęście również odgrywa swoją rolę; gen Roundup Ready został odkryty po tym, jak naukowcy zauważyli, że w obecności herbicydu rozwija się bakteria.

Izolacja i klonowanie genów

Następnym krokiem jest wyizolowanie genu kandydującego. Komórka zawierająca gen jest otwierana, a DNA jest oczyszczane . Gen jest oddzielany przy użyciu enzymów restrykcyjnych do cięcia DNA na fragmenty lub reakcji łańcuchowej polimerazy (PCR) w celu wzmocnienia segmentu genu. Segmenty te można następnie wyekstrahować za pomocą elektroforezy żelowej . Jeśli wybrany gen lub genom organizmu dawcy został dobrze zbadany, może być już dostępny w bibliotece genetycznej . Jeśli sekwencja DNA jest znana, ale nie ma dostępnych kopii genu, można ją również sztucznie zsyntetyzować . Po wyizolowaniu gen jest ligowany do plazmidu, który jest następnie wstawiany do bakterii. Plazmid jest replikowany, gdy bakterie dzielą się, zapewniając dostęp do nieograniczonej liczby kopii genu. Plazmid RK2 wyróżnia się zdolnością do replikacji w wielu różnych organizmach jednokomórkowych, co czyni go odpowiednim narzędziem inżynierii genetycznej.

Zanim gen zostanie wprowadzony do organizmu docelowego, musi zostać połączony z innymi elementami genetycznymi. Obejmują one region promotora i terminatora, które inicjują i kończą transkrypcję . Dodawany jest gen markera selekcyjnego, który w większości przypadków nadaje oporność na antybiotyki, dzięki czemu naukowcy mogą łatwo określić, które komórki zostały pomyślnie stransformowane. Gen można również zmodyfikować na tym etapie, aby uzyskać lepszą ekspresję lub skuteczność. Manipulacje te przeprowadza się przy użyciu technik rekombinacji DNA, takich jak trawienie restrykcyjne, ligacje i klonowanie molekularne.

Wstawianie DNA do genomu gospodarza

Pistolet genowy wykorzystuje biolistykę do wprowadzania DNA do tkanki roślinnej

Istnieje wiele technik stosowanych do wprowadzania materiału genetycznego do genomu gospodarza. Niektóre bakterie mogą naturalnie pobierać obce DNA . Ta zdolność może być indukowana u innych bakterii poprzez stres (np . szok termiczny lub elektryczny), co zwiększa przepuszczalność błony komórkowej dla DNA; pobrane DNA może integrować się z genomem lub istnieć jako pozachromosomalne DNA . DNA jest zazwyczaj wprowadzany do komórek zwierzęcych za pomocą mikroiniekcji, gdzie może być wstrzykiwany przez otoczkę jądrową komórki bezpośrednio do jądra, lub za pomocą wektorów wirusowych .

Genomy roślinne można modyfikować metodami fizycznymi lub stosując Agrobacterium do dostarczania sekwencji znajdujących się w wektorach binarnych T-DNA . W roślinach DNA jest często wstawiane za pomocą transformacji za pośrednictwem Agrobacterium, wykorzystującej sekwencję T-DNA Agrobacterium, która umożliwia naturalne wprowadzenie materiału genetycznego do komórek roślinnych. Inne metody obejmują biolistykę, w której cząsteczki złota lub wolframu są pokrywane DNA, a następnie wstrzykiwane do młodych komórek roślinnych, oraz elektroporacja, która polega na użyciu wstrząsu elektrycznego, aby błona komórkowa stała się przepuszczalna dla plazmidowego DNA.

Ponieważ tylko jedna komórka jest transformowana materiałem genetycznym, organizm musi zostać zregenerowany z tej pojedynczej komórki. U roślin osiąga się to poprzez zastosowanie hodowli tkankowej . U zwierząt konieczne jest zapewnienie obecności wstawionego DNA w embrionalnych komórkach macierzystych . Bakterie składają się z jednej komórki i rozmnażają się klonalnie, więc regeneracja nie jest konieczna. Do łatwego odróżnienia komórek transformowanych od nietransformowanych stosuje się markery selekcyjne . Markery te są zwykle obecne w organizmie transgenicznym, chociaż opracowano szereg strategii, które mogą usunąć marker selekcyjny z dojrzałej rośliny transgenicznej.

A. tumefaciens przyczepiający się do komórki marchwi

Dalsze testy przy użyciu PCR, hybrydyzacji Southerna i sekwencjonowania DNA są prowadzone w celu potwierdzenia, że ​​organizm zawiera nowy gen. Testy te mogą również potwierdzić lokalizację w chromosomie i liczbę kopii wstawionego genu. Obecność genu nie gwarantuje, że będzie on wyrażany na odpowiednich poziomach w tkance docelowej, dlatego stosuje się również metody wyszukiwania i pomiaru produktów genu (RNA i białka). Należą do nich hybrydyzacja typu Northern, ilościowa RT-PCR, Western blot, immunofluorescencja, ELISA i analiza fenotypowa.

Nowy materiał genetyczny można wstawić losowo do genomu gospodarza lub skierować do określonej lokalizacji. Technika kierowania genów wykorzystuje rekombinację homologiczną w celu wprowadzenia pożądanych zmian w określonym genie endogennym . U roślin i zwierząt ma to tendencję do występowania stosunkowo rzadko i zazwyczaj wymaga użycia markerów selekcyjnych . Częstotliwość celowania w geny można znacznie zwiększyć poprzez edycję genomu . Edycja genomu wykorzystuje sztucznie zmodyfikowane nukleazy, które tworzą specyficzne dwuniciowe pęknięcia w pożądanych micach genomu i wykorzystują mechanizmy endogenne komórki do naprawy pęknięć wywołanych przez naturalne procesy rekombinacji homologicznej i niehomologicznego łączenia końców . Istnieją cztery rodziny zmodyfikowanych nukleaz: meganukleazy, nukleazy palca cynkowego, nukleazy efektorowe podobne do aktywatora transkrypcji (TALEN) oraz system Cas9-guideRNA (zaadaptowany z CRISPR ). TALEN i CRISPR to dwa najczęściej używane i każdy ma swoje zalety. TALEN mają większą specyficzność docelową, podczas gdy CRISPR jest łatwizy do zaprojektowania i bardziej wydajny. Oprócz ulepszania celowania w geny, inżynieryjne nukleazy mogą być stosowane do wprowadzania mutacji w genach endogennych, które generują nokaut genu .

Aplikacje

Inżynieria genetyczna ma zastosowanie w medycynie, badaniach naukowych, przemyśle i rolnictwie i może być stosowana na wielu różnych roślinach, zwierzętach i mikroorganizmach. Bakterie, pierwsze organizmy modyfikowane genetycznie, mogą mieć wstawiony plazmidowy DNA zawierający nowe geny kodujące leki lub enzymy przetwarzające żywność i inne substraty . Rośliny zostały zmodyfikowane pod kątem ochrony przed owadami, odporności na herbicydy, odporności na wirusy, lepszego odżywiania, tolerancji na presję środowiskową i produkcji jadalnych szczepionek . Większość komercjalizowanych GMO to rośliny uprawne odporne na owady lub herbicydy. Zwierzęta modyfikowane genetycznie zostały wykorzystane do badań, zwierząt modelowych i produkcji produktów rolniczych lub farmaceutycznych. Do zwierząt genetycznie zmodyfikowanych należą zwierzęta z usuniętymi genami, zwiększoną podatnością na choroby, hormonami do dodatkowego wzrostu i zdolnością do ekspresji białek w mleku.

Lekarstwo

Inżynieria genetyczna ma wiele zastosowań w medycynie, które obejmują produkcję leków, tworzenie modelowych zwierząt naśladujących ludzkie stany oraz terapię genową . Jednym z najwcześnizych zastosowań inżynierii genetycznej była masowa produkcja ludzkiej insuliny w bakteriach. Ta aplikacja została teraz zastosowana do ludzkich hormonów wzrostu, hormonów folikulotropowych (do leczenia niepłodności), albuminy ludzkiej, przeciwciał monoklonalnych, czynników przeciwhemofilnych, szczepionek i wielu innych leków. Hybrydomy myszy, komórki połączone ze sobą w celu wytworzenia przeciwciał monoklonalnych, zostały zaadaptowane za pomocą inżynierii genetycznej w celu wytworzenia ludzkich przeciwciał monoklonalnych. Opracowywane są wirusy modyfikowane genetycznie, które nadal mogą nadawać odporność, ale nie posiadają sekwencji zakaźnych .

Inżynieria genetyczna jest również wykorzystywana do tworzenia zwierzęcych modeli chorób człowieka. Genetycznie zmodyfikowane myszy są najczęstszym genetycznie modyfikowanym modelem zwierzęcym. Zostały one wykorzystane do badania i modelowania raka ( onkomuzy ), otyłości, chorób serca, cukrzycy, zapalenia stawów, nadużywania substancji, lęku, starzenia się i choroby Parkinsona. Potencjalne lekarstwa można przetestować na tych mysich modelach.

Terapia genowa to inżynieria genetyczna ludzi, generalnie poprzez zastąpienie wadliwych genów skutecznymi. Badania kliniczne z wykorzystaniem somatycznej terapii genowej przeprowadzono w przypadku kilku chorób, w tym SCID sprzężonej z chromosomem X, przewlekłej białaczki limfocytowej (CLL) i choroby Parkinsona . W 2012 roku Alipogene tiparvovec stał się pierwszą terapią genową dopuszczoną do użytku klinicznego. W 2015 roku wirus został wykorzystany do wprowadzenia zdrowego genu do komórek skóry chłopca cierpiącego na rzadką chorobę skóry, pęcherzową naskórek, w celu wzrostu, a następnie przeszczepienia zdrowej skóry na 80 procent ciała chłopca dotkniętego przez choroba.

Terapia genowa linii zarodkowej spowodowałaby, że każda zmiana byłaby dziedziczna, co wzbudziło obawy w społeczności naukowej. W 2015 r. CRISPR został wykorzystany do edycji DNA niezdolnych do życia ludzkich embrionów, czołowi naukowcy z głównych światowych akademii wezwali do wprowadzenia moratorium na edycję dziedzicznego ludzkiego genomu. Istnieją również obawy, że technologia może być wykorzystana nie tylko do leczenia, ale także do poprawy, modyfikacji lub zmiany wyglądu, zdolności adaptacyjnych, inteligencji, charakteru lub zachowania człowieka. Rozróżnienie między leczeniem a wzmocnieniem może być również trudne do ustalenia. W listopadzie 2018 r. He Jiankui ogłosił, że dokonał edycji genomów dwóch ludzkich embrionów, aby spróbować wyłączyć gen CCR5, który koduje receptor używany przez HIV do wnikania do komórek. Praca została powszechnie potępiona jako nieetyczna, niebezpieczna i przedwczesna. Obecnie modyfikacja linii zarodkowej jest zabroniona w 40 krajach. Naukowcy prowadzący tego typu badania często pozwalają embrionom rosnąć przez kilka dni, nie pozwalając im rozwinąć się w dziecko.

Naukowcy modyfikują genom świń, aby wywołać wzrost narządów ludzkich, mając na celu zwiększenie skuteczności przeszczepiania narządów od świni do człowieka . Naukowcy tworzą „napędy genowe”, zmieniając genomy komarów, aby uczynić je odpornymi na malarię, a następnie starają się rozprzestrzenić genetycznie zmienione komary w całej populacji komarów w nadziei na wyeliminowanie choroby.

Badania

Komórki ludzkie, w których niektóre białka są połączone z zielonym białkiem fluorescencyjnym, aby umożliwić ich wizualizację

Inżynieria genetyczna jest ważnym narzędziem dla przyrodników, a tworzenie organizmów transgenicznych jest jednym z najważnizych narzędzi do analizy funkcji genów. Geny i inne informacje genetyczne z szerokiej gamy organizmów można wprowadzać do bakterii w celu przechowywania i modyfikacji, tworząc w tym procesie genetycznie zmodyfikowane bakterie . Bakterie są tanie, łatwe w uprawie, klonalne, szybko się namnażają, stosunkowo łatwo przekształcają się i mogą być przechowywane w temperaturze -80 °C prawie w nieskończoność. Wyizolowany gen może być przechowywany wewnątrz bakterii, zapewniając nieograniczone zasoby do badań.

Organizmy są genetycznie modyfikowane, aby odkryć funkcje niektórych genów. Może to być wpływ na fenotyp organizmu, gdzie gen ulega ekspresji lub z jakimi innymi genami wchodzi w interakcje. Eksperymenty te generalnie obejmują utratę funkcji, zyskanie funkcji, śledzenie i ekspresję.

  • Eksperymenty z utratą funkcji, takie jak eksperymenty polegające na nokaucie genów, w których organizm jest konstruowany tak, aby nie posiadał aktywności jednego lub więcej genów. W prostym nokaucie kopia pożądanego genu została zmieniona, aby uczynić ją niefunkcjonalną. Embrionalne komórki macierzyste zawierają zmieniony gen, który zastępuje obecną już funkcjonalną kopię. Te komórki macierzyste są wstrzykiwane do blastocyst, które są wszczepiane matkom zastępczym. Pozwala to eksperymentatorowi przeanalizować defekty spowodowane tą mutacją i tym samym określić rolę poszczególnych genów. Stosowany jest szczególnie często w biologii rozwoju . Kiedy robi się to, tworząc bibliotekę genów z mutacjami punktowymi w każdej pozycji w obszarze zainteresowania, a nawet w każdej pozycji w całym genie, nazywa się to „mutagenezą skanującą”. Najprostszą metodą i pierwszą do zastosowania jest „skanowanie alaninowe”, w którym każda pozycja z kolei jest mutowana do niereaktywnego aminokwasu alaniny .
  • Zysk z eksperymentów funkcyjnych, logiczny odpowiednik nokautów. Czasami przeprowadza się je w połączeniu z eksperymentami z nokautem, aby dokładniej ustalić funkcję pożądanego genu. Proces jest taki sam jak w inżynierii nokautowej, z wyjątkiem tego, że konstrukt ma na celu zwiększenie funkcji genu, zwykle poprzez częstsze dostarczanie dodatkowych kopii genu lub indukowanie syntezy białka. Wzmocnienie funkcji jest używane do określenia, czy białko jest wystarczające dla danej funkcji, ale nie zawsze oznacza to, że jest wymagane, szczególnie w przypadku nadmiarowości genetycznej lub funkcjonalnej.
  • Eksperymenty śledzące, które mają na celu uzyskanie informacji o lokalizacji i interakcji pożądanego białka. Jednym ze sposobów, aby to zrobić, jest zastąpienie genu typu dzikiego genem „fuzyjnym”, który jest zestawieniem genu typu dzikiego z elementem raportującym, takim jak zielone białko fluorescencyjne (GFP), który pozwoli na łatwą wizualizację produktów modyfikacji genetycznej. Chociaż jest to przydatna technika, manipulacja może zniszczyć funkcję genu, tworząc efekty wtórne i prawdopodobnie podważając wyniki eksperymentu. Obecnie opracowywane są bardziej wyrafinowane techniki, które mogą śledzić produkty białkowe bez osłabiania ich funkcji, takie jak dodawanie małych sekwencji, które będą służyć jako motywy wiążące do przeciwciał monoklonalnych.
  • Badania ekspresji mają na celu odkrycie, gdzie i kiedy produkowane są określone białka. W tych eksperymentach sekwencja DNA przed DNA, która koduje białko, znana jako promotor genu, jest ponownie wprowadzana do organizmu z regionem kodującym białko zastąpionym przez gen reporterowy, taki jak GFP lub enzym katalizujący wytwarzanie barwnika . W ten sposób można obserwować czas i mice produkcji danego białka. Badania ekspresji można posunąć o krok dalej, zmieniając promotor, aby znaleźć, które fragmenty są kluczowe dla prawidłowej ekspresji genu i są faktycznie związane z białkami czynnika transkrypcyjnego; proces ten jest znany jako atakowanie promotora .

Przemysłowy

Produkty inżynierii genetycznej

Organizmy mogą mieć transformowane komórki za pomocą genu kodującego przydatne białko, takie jak enzym, tak aby nadekspresjonowały pożądane białko. Masowe ilości białka można następnie wytworzyć przez hodowanie stransformowanego organizmu w bioreaktorze z zastosowaniem fermentacji przemysłowej, a następnie oczyszczanie białka. Niektóre geny nie działają dobrze u bakterii, więc można również wykorzystać komórki drożdży, owadów lub ssaków. Techniki te są wykorzystywane do produkcji leków takich jak insulina, ludzki hormon wzrostu i szczepionek, suplementów takich jak tryptofan, pomoc w produkcji żywności ( chymozyna w serownictwie) oraz paliw. Inne zastosowania z genetycznie modyfikowanymi bakteriami mogą obejmować zmuszanie ich do wykonywania zadań poza ich naturalnym cyklem, takich jak wytwarzanie biopaliw, usuwanie wycieków ropy, węgla i innych toksycznych odpadów oraz wykrywanie arsenu w wodzie pitnej. Niektóre genetycznie zmodyfikowane drobnoustroje mogą być również wykorzystywane w biowydobyciu i bioremediacji, ze względu na ich zdolność do ekstrakcji metali ciężkich ze środowiska i włączania ich w związki, które są łatwize do odzyskania.

W materiałoznawstwie genetycznie zmodyfikowany wirus został wykorzystany w laboratorium badawczym jako rusztowanie do montażu bardziej przyjaznej dla środowiska baterii litowo-jonowej . Bakterie zostały również zaprojektowane tak, aby działały jako czujniki poprzez ekspresję białka fluorescencyjnego w określonych warunkach środowiskowych.

Rolnictwo

Toksyny Bt obecne w liściach orzeszków ziemnych (dolny obraz) chronią je przed rozległymi uszkodzeniami powodowanymi przez
larwy omacnicy prosowianki (górny obraz).

Jednym z najbardziej znanych i kontrowersyjnych zastosowań inżynierii genetycznej jest tworzenie i wykorzystywanie genetycznie zmodyfikowanych upraw lub genetycznie zmodyfikowanego inwentarza żywego do produkcji genetycznie zmodyfikowanej żywności . Uprawy zostały opracowane w celu zwiększenia produkcji, zwiększenia tolerancji na stresy abiotyczne, zmiany składu żywności lub wytwarzania nowych produktów.

Pierwsze uprawy, które zostały wprowadzone na rynek na dużą skalę, zapewniły ochronę przed szkodnikami owadzimi lub tolerancję na herbicydy . Uprawy odporne na grzyby i wirusy również zostały opracowane lub są w fazie rozwoju. Ułatwia to zwalczanie owadów i chwastów w uprawach i może pośrednio zwiększyć plony. Rozwijane są również rośliny GM, które bezpośrednio poprawiają plony poprzez przyspieszenie wzrostu lub uodparnianie rośliny (poprzez poprawę tolerancji na sól, zimno lub suszę). W 2016 r. Łosoś został genetycznie zmodyfikowany hormonami wzrostu, aby znacznie szybciej osiągnąć normalny rozmiar dla dorosłych.

Opracowano GMO, które modyfikują jakość produktów poprzez zwiększanie wartości odżywczych lub dostarczanie bardziej użytecznych przemysłowo właściwości lub ilości. Ziemniak Amflora wytwarza bardziej użyteczną przemysłowo mieszankę skrobi. Soja i rzepak zostały genetycznie zmodyfikowane, aby wytwarzać zdrowsze oleje. Pierwszą komercyjną żywnością GM był pomidor, który opóźnił dojrzewanie, wydłużając jego okres przydatności do spożycia .

Rośliny i zwierzęta zostały tak zaprojektowane, aby wytwarzały materiały, których normalnie nie wytwarzają. Farmacja wykorzystuje rośliny uprawne i zwierzęta jako bioreaktory do produkcji szczepionek, półproduktów lub samych leków; użyteczny produkt jest oczyszczany ze zbiorów, a następnie stosowany w standardowym procesie produkcji farmaceutycznej. Krowy i kozy zostały tak skonstruowane, aby wyrażały w mleku leki i inne białka, aw 2009 roku FDA zatwierdziła lek produkowany z mleka koziego.

Inne aplikacje

Inżynieria genetyczna ma potencjalne zastosowania w ochronie i zarządzaniu obszarami naturalnymi. Transfer genów za pośrednictwem wektorów wirusowych został zaproponowany jako sposób kontrolowania gatunków inwazyjnych oraz szczepienia zagrożonej fauny przed chorobami. Zasugerowano drzewa transgeniczne jako sposób na nadanie odporności na patogeny w dzikich populacjach. Wraz z rosnącym ryzykiem nieprzystosowania organizmów w wyniku zmiany klimatu i innych perturbacji, ułatwiona adaptacja poprzez modyfikowanie genów może być jednym z rozwiązań zmnizających ryzyko wyginięcia. Zastosowania inżynierii genetycznej w ochronie przyrody są jak dotąd w większości teoretyczne i nie zostały jeszcze wprowadzone w życie.

Inżynieria genetyczna jest również wykorzystywana do tworzenia sztuki mikrobiologicznej . Niektóre bakterie zostały genetycznie zmodyfikowane do tworzenia czarno-białych fotografii. Nowatorskie przedmioty, takie jak goździki w kolorze lawendy, niebieskie róże i świecące ryby, również zostały wyprodukowane dzięki inżynierii genetycznej.

Rozporządzenie

Regulacja inżynierii genetycznej dotyczy podejścia przyjętego przez rządy do oceny i zarządzania ryzykiem związanym z rozwojem i uwalnianiem GMO. Rozwój ram regulacyjnych rozpoczął się w 1975 r. w Asilomar w Kalifornii. Spotkanie Asilomar zaleciło zestaw dobrowolnych wytycznych dotyczących stosowania technologii rekombinacji. Wraz z udoskonalaniem technologii Stany Zjednoczone utworzyły komitet przy Biurze Nauki i Technologii, który przyznał dopuszczenie żywności GM do przepisów USDA, FDA i EPA. Protokół z Kartageny o bezpieczeństwie biologicznym, międzynarodowy traktat regulujący transfer, obsługę i stosowanie GMO, został przyjęty 29 stycznia 2000 r. Sto pięćdziesiąt siedem krajów jest członkami Protokołu i wiele z nich wykorzystuje go jako punkt odniesienia dla swoich własne przepisy.

Status prawny i regulacyjny żywności modyfikowanej genetycznie różni się w zależności od kraju, przy czym niektóre kraje zakazują ich lub ograniczają, a inne zezwalają na to z bardzo różnymi stopniami regulacji. Niektóre kraje zezwalają na import żywności GM z zezwoleniem, ale albo nie zezwalają na jej uprawę (Rosja, Norwegia, Izrael) albo mają przepisy dotyczące uprawy, mimo że nie są jeszcze produkowane produkty GM (Japonia, Korea Południowa). Większość krajów, które nie zezwalają na uprawę GMO, zezwala na badania. Niektóre z najbardziej wyraźnych różnic występują między Stanami Zjednoczonymi a Europą. Polityka USA koncentruje się na produkcie (nie na procesie), uwzględnia jedynie możliwe do zweryfikowania zagrożenia naukowe i wykorzystuje koncepcję istotnej równoważności . W przeciwieństwie do tego Unia Europka ma prawdopodobnie najbardziej rygorystyczne przepisy dotyczące GMO na świecie. Wszystkie GMO, wraz z napromieniowaną żywnością, są uważane za „nową żywność” i podlegają szczegółowej, indywidualnej, opartej na nauce ocenie żywności przez Europki Urząd ds. Bezpieczeństwa Żywności . Kryteria zezwolenia dzielą się na cztery szerokie kategorie: „bezpieczeństwo”, „wolność wyboru”, „etykietowanie” i „identyfikowalność”. Poziom regulacji w innych krajach uprawiających GMO leży pomiędzy Europą a Stanami Zjednoczonymi.

Agencje regulacyjne według regionu geograficznego
Region Regulatory Uwagi
NAS USDA, FDA i EPA
Europa Europki Urząd ds. Bezpieczeństwa Żywności
Kanada Health Canada i Kanadka Agencja Kontroli Żywności Regulowane produkty o nowatorskich funkcjach, niezależnie od metody pochodzenia
Afryka Wspólny rynek Afryki Wschodniej i Południowej Ostateczna decyzja należy do każdego kraju z osobna.
Chiny Urząd Rolniczej Inżynierii Genetycznej Administracji Bezpieczeństwa Biologicznego
Indie Instytucjonalny Komitet ds. Bezpieczeństwa Biologicznego, Komitet Rewizyjny ds. Manipulacji Genetycznej i Komitet Zatwierdzający Inżynierii Genetycznej
Argentyna Krajowy Komitet Doradczy ds. Biotechnologii Rolnej (wpływ na środowisko), Krajowa Służba Zdrowia i Jakości Żywności (bezpieczeństwo żywności) oraz Krajowy Kierunek Agrobiznesu (wpływ na handel) Ostateczna decyzja podjęta przez Sekretariat Rolnictwa, Zwierząt Gospodarskich, Rybołówstwa i Żywności.
Brazylia Krajowa Komisja Techniczna ds. Bezpieczeństwa Biologicznego (środowisko i bezpieczeństwo żywności) oraz Rada Ministrów (kwestie gospodarcze i gospodarcze)
Australia Office of the Gene Technology Regulator (nadzoruje wszystkie produkty GM), Therapeutic Goods Administration (leki GM) i Food Standards Australia New Zealand (GM food). Poszczególne rządy stanowe mogą następnie ocenić wpływ uwolnienia na rynki i handel oraz zastosować dalsze przepisy w celu kontroli zatwierdzonych produktów modyfikowanych genetycznie.

Jedną z kluczowych kwestii dotyczących regulatorów jest to, czy produkty GM powinny być znakowane. Komisja Europka twierdzi, że obowiązkowe oznakowanie i identyfikowalność są potrzebne, aby umożliwić świadomy wybór, uniknąć potencjalnej fałszywej reklamy i ułatwić wycofywanie produktów w przypadku wykrycia niekorzystnego wpływu na zdrowie lub środowisko. American Medical Association i American Association for the Advancement of Science twierdzą, że brak naukowych dowodów na szkodliwość, nawet dobrowolne etykietowanie, wprowadza w błąd i fałszywie alarmuje konsumentów. Znakowanie produktów GMO na rynku jest wymagane w 64 krajach. Oznakowanie może być obowiązkowe do progowego poziomu zawartości GM (który różni się w zależności od kraju) lub dobrowolne. W Kanadzie i USA znakowanie żywności GMO jest dobrowolne, podczas gdy w Europie należy oznakować całą żywność (w tym żywność przetworzoną ) lub paszę, która zawiera ponad 0,9% zatwierdzonych GMO.

Spór

Krytycy sprzeciwiali się wykorzystaniu inżynierii genetycznej z kilku powodów, w tym ze względów etycznych, ekologicznych i ekonomicznych. Wiele z tych obaw dotyczy upraw GM oraz tego, czy wyprodukowana z nich żywność jest bezpieczna i jaki wpływ będzie miała ich uprawa na środowisko. Kontrowersje te doprowadziły do ​​sporów sądowych, międzynarodowych sporów handlowych i protestów oraz do restrykcyjnych przepisów dotyczących produktów handlowych w niektórych krajach.

Oskarżenia, że ​​naukowcy „ bawią się w Boga ” i inne kwestie religijne, od początku przypisywano technologii. Inne poruszane kwestie etyczne obejmują patentowanie życia, korzystanie z praw własności intelektualnej, poziom oznakowania produktów, kontrolę dostaw żywności oraz obiektywność procesu regulacyjnego. Chociaż pojawiły się wątpliwości, ekonomicznie większość badań wykazało, że uprawa GM jest korzystna dla rolników.

Przepływ genów między uprawami GM a zgodnymi roślinami, wraz ze zwiększonym użyciem selektywnych herbicydów, może zwiększyć ryzyko rozwoju „ superchwastów ”. Inne problemy środowiskowe obejmują potencjalny wpływ na organizmy niebędące przedmiotem zwalczania, w tym drobnoustroje glebowe, oraz wzrost liczby wtórnych i odpornych szkodników owadzich. Zrozumienie wielu wpływów na środowisko związanych z uprawami GM może zająć wiele lat i są one również widoczne w konwencjonalnych praktykach rolniczych. Wraz z komercjalizacją genetycznie zmodyfikowanych ryb istnieją obawy co do konsekwencji środowiskowych, jeśli uciekną.

Istnieją trzy główne obawy dotyczące bezpieczeństwa genetycznie zmodyfikowanej żywności: czy mogą wywołać reakcję alergiczną ; czy geny mogą przenosić się z pożywienia do komórek ludzkich; oraz czy geny niezatwierdzone do spożycia przez ludzi mogą przenikać do innych upraw. Istnieje naukowy konsensus, że obecnie dostępna żywność pochodząca z upraw GM nie stanowi większego zagrożenia dla zdrowia ludzkiego niż żywność konwencjonalna, ale każda żywność GM musi zostać przetestowana indywidualnie przed wprowadzeniem. Niemniej jednak, członkowie społeczeństwa rzadziej niż naukowcy postrzegają żywność GM jako bezpieczną.

W kulturze popularnej

Inżynieria genetyczna pojawia się w wielu opowiadaniach science fiction . Powieść Franka Herberta Biała zaraza opisuje celowe wykorzystanie inżynierii genetycznej do stworzenia patogenu, który zabija kobiety. Kolejne dzieło Herberta, seria powieści Dune, wykorzystuje inżynierię genetyczną do stworzenia potężnego Tleilaxan . Niewiele filmów informowało publiczność o inżynierii genetycznej, z wyjątkiem Chłopców z Brazylii z 1978 r. i Parku Jurkiego z 1993 r., które wykorzystują lekcję, pokaz i fragment filmu naukowego. Metody inżynierii genetycznej są słabo reprezentowane w filmie; Michael Clark, piszący dla Wellcome Trust, nazywa obraz inżynierii genetycznej i biotechnologii „poważnie zniekształconym” w filmach takich jak „Szósty dzień” . W opinii Clarka biotechnologia jest zazwyczaj „nadawana fantastycznym, ale wizualnie zapierającym dech w piersiach formom”, podczas gdy nauka jest albo spychana na dalszy plan, albo fabularyzowana, by pasowała do młodego odbiorcy.

W grze wideo z 2007 roku, BioShock, inżynieria genetyczna odgrywa ważną rolę w głównej fabule i wszechświecie. Akcja gry toczy się w fikcyjnej podwodnej dystopii Rapture, w której jej mieszkańcy posiadają nadludzkie zdolności genetyczne po wstrzyknięciu sobie „plazmidów”, czyli serum, które takie moce zapewnia. W mieście Rapture są także „Małe Siostry”, małe dziewczynki, które są inżynierami ogólnymi, a także wątek poboczny, w którym piosenkarka kabaretowa sprzedaje swój płód genetykom, którzy wszczepiają noworodkowi fałszywe wspomnienia i za pomocą inżynierii genetycznej w dorosłego.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki