Inginerie genetică -Genetic engineering

De la Wikipedia, enciclopedia liberă

Ingineria genetică, numită și modificare genetică sau manipulare genetică, este modificarea și manipularea genelor unui organism folosind tehnologie . Este un set de tehnologii utilizate pentru a schimba structura genetică a celulelor, inclusiv transferul de gene în interiorul și peste granițele speciilor pentru a produce organisme îmbunătățite sau noi . Noul ADN este obținut fie prin izolarea și copierea materialului genetic de interes folosind metode de ADN recombinant, fie prin sintetizarea artificială a ADN-ului. Un construct este de obicei creat și utilizat pentru a introduce acest ADN în organismul gazdă. Prima moleculă de ADN recombinant a fost făcută de Paul Berg în 1972 prin combinarea ADN-ului de la virusul maimuței SV40 cu virusul lambda . Pe lângă inserarea genelor, procesul poate fi folosit pentru a elimina sau „ elimina ” genele. Noul ADN poate fi inserat aleatoriu sau direcționat către o anumită parte a genomului .

Un organism care este generat prin inginerie genetică este considerat a fi modificat genetic (MG), iar entitatea rezultată este un organism modificat genetic (OMG). Primul OMG a fost o bacterie generată de Herbert Boyer și Stanley Cohen în 1973. Rudolf Jaenisch a creat primul animal MG când a introdus ADN străin într-un șoarece în 1974. Prima companie care se concentrează pe inginerie genetică, Genentech, a fost fondată în 1976 și a început producția de proteine ​​umane. Insulină umană modificată genetic a fost produsă în 1978, iar bacteriile producătoare de insulină au fost comercializate în 1982. Alimentele modificate genetic au fost vândute din 1994, odată cu lansarea roșii Flavr Savr . Flavr Savr a fost conceput pentru a avea o durată de valabilitate mai lungă, dar majoritatea culturilor MG actuale sunt modificate pentru a crește rezistența la insecte și erbicide. GloFish, primul OMG conceput ca animal de companie, a fost vândut în Statele Unite în decembrie 2003. În 2016 a fost vândut somon modificat cu un hormon de creștere.

Ingineria genetică a fost aplicată în numeroase domenii, inclusiv cercetare, medicină, biotehnologie industrială și agricultură. În cercetare, OMG-urile sunt folosite pentru a studia funcția și expresia genelor prin pierderea funcției, câștigarea funcției, urmărirea și experimentele de exprimare. Prin eliminarea genelor responsabile pentru anumite condiții, este posibil să se creeze organisme model animale ale bolilor umane. Pe lângă producerea de hormoni, vaccinuri și alte medicamente, ingineria genetică are potențialul de a vindeca boli genetice prin terapia genică . Aceleași tehnici care sunt folosite pentru producerea medicamentelor pot avea și aplicații industriale, cum ar fi producerea de enzime pentru detergent de rufe, brânzeturi și alte produse.

Creșterea culturilor modificate genetic comercializate a oferit beneficii economice fermierilor din multe țări diferite, dar a fost și sursa majorității controverselor din jurul tehnologiei. Acesta a fost prezent încă de la utilizarea sa timpurie; primele teste pe teren au fost distruse de activiști anti-MG. Deși există un consens științific că alimentele disponibile în prezent derivate din culturi modificate genetic nu prezintă un risc mai mare pentru sănătatea umană decât alimentele convenționale, siguranța alimentelor modificate genetic este o preocupare principală pentru critici. Fluxul de gene, impactul asupra organismelor nețintă, controlul aprovizionării cu alimente și drepturile de proprietate intelectuală au fost, de asemenea, ridicate ca probleme potențiale. Aceste preocupări au condus la dezvoltarea unui cadru de reglementare, care a început în 1975. A dus la un tratat internațional, Protocolul de la Cartagena privind biosecuritatea, care a fost adoptat în 2000. Țările individuale și-au dezvoltat propriile sisteme de reglementare în ceea ce privește OMG-urile, cu cele mai marcate diferențe apar între SUA și Europa.

Definiția IUPAC

Inginerie genetică : Proces de inserare a unor noi informații genetice în celulele existente pentru a modifica un anumit organism în scopul de a-i schimba caracteristicile.

Notă : Adaptat după ref.

Prezentare generală

Comparație între ameliorarea convențională a plantelor cu modificarea genetică transgenică și cisgenică

Ingineria genetică este un proces care modifică structura genetică a unui organism fie prin îndepărtarea sau introducerea ADN-ului, fie prin modificarea materialului genetic existent in situ. Spre deosebire de creșterea tradițională a animalelor și plantelor, care implică încrucișări multiple și apoi selectarea organismului cu fenotipul dorit, ingineria genetică preia gena direct de la un organism și o transmite celuilalt. Acest lucru este mult mai rapid, poate fi folosit pentru a introduce orice gene din orice organism (chiar și cele din domenii diferite ) și previne adăugarea altor gene nedorite.

Ingineria genetică ar putea rezolva tulburările genetice severe la oameni prin înlocuirea genei defecte cu una funcțională. Este un instrument important în cercetare care permite studierea funcției unor gene specifice. Medicamentele, vaccinurile și alte produse au fost recoltate din organisme concepute pentru a le produce. Au fost dezvoltate culturi care ajută la securitatea alimentară prin creșterea randamentului, a valorii nutriționale și a toleranței la stresul mediului.

ADN-ul poate fi introdus direct în organismul gazdă sau într-o celulă care este apoi fuzionată sau hibridizată cu gazda. Aceasta se bazează pe tehnici de recombinare a acidului nucleic pentru a forma noi combinații de material genetic ereditar, urmate de încorporarea acelui material fie indirect printr-un sistem vectorial, fie direct prin micro-injecție, macro-injecție sau micro-încapsulare .

Ingineria genetică nu include în mod normal reproducerea tradițională, fertilizarea in vitro, inducerea poliploidiei, mutageneza și tehnicile de fuziune celulară care nu utilizează acizi nucleici recombinanți sau un organism modificat genetic în proces. Cu toate acestea, unele definiții largi ale ingineriei genetice includ creșterea selectivă . Clonarea și cercetarea celulelor stem, deși nu sunt considerate inginerie genetică, sunt strâns legate și ingineria genetică poate fi utilizată în cadrul acestora. Biologia sintetică este o disciplină în curs de dezvoltare care duce ingineria genetică un pas mai departe prin introducerea de material sintetizat artificial într-un organism.

Plantele, animalele sau microorganismele care au fost modificate prin inginerie genetică sunt denumite organisme modificate genetic sau OMG-uri. Dacă la gazdă se adaugă material genetic de la altă specie, organismul rezultat se numește transgenic . Dacă se folosește material genetic din aceeași specie sau dintr-o specie care se poate reproduce în mod natural cu gazda, organismul rezultat se numește cisgenic . Dacă ingineria genetică este utilizată pentru a îndepărta materialul genetic din organismul țintă, organismul rezultat este numit organism knockout . În Europa, modificarea genetică este sinonimă cu inginerie genetică, în timp ce în Statele Unite ale Americii și Canada, modificarea genetică poate fi folosită și pentru a se referi la metode de ameliorare mai convenționale.

Istorie

Oamenii au modificat genomul speciilor de mii de ani prin reproducere selectivă sau selecție artificială, spre deosebire de selecția naturală . Mai recent, reproducerea mutațiilor a folosit expunerea la substanțe chimice sau radiații pentru a produce o frecvență ridicată de mutații aleatorii, în scopuri de reproducere selectivă. Ingineria genetică ca manipulare directă a ADN-ului de către oameni în afara reproducerii și mutațiilor a existat abia din anii 1970. Termenul de „inginerie genetică” a fost inventat pentru prima dată de Jack Williamson în romanul său științifico -fantastic Dragon's Island, publicat în 1951 – cu un an înainte ca rolul ADN-ului în ereditate să fie confirmat de Alfred Hershey și Martha Chase și cu doi ani înainte ca James Watson și Francis Crick să arate că molecula de ADN are o structură cu dublu helix – deși conceptul general de manipulare genetică directă a fost explorat într-o formă rudimentară în povestea științifico-fantastică a lui Stanley G. Weinbaum din 1936, Insula Proteus .

În 1974, Rudolf Jaenisch a creat un șoarece modificat genetic, primul animal MG.

În 1972, Paul Berg a creat primele molecule de ADN recombinant prin combinarea ADN-ului din virusul maimuței SV40 cu cel al virusului lambda . În 1973, Herbert Boyer și Stanley Cohen au creat primul organism transgenic prin inserarea genelor de rezistență la antibiotice în plasmida unei bacterii Escherichia coli . Un an mai târziu, Rudolf Jaenisch a creat un șoarece transgenic introducând ADN străin în embrionul său, făcându-l primul animal transgenic din lume. Aceste realizări au dus la îngrijorări în comunitatea științifică cu privire la riscurile potențiale ale ingineriei genetice, care au fost discutate pentru prima dată în profunzime la Conferința Asilomar . în 1975. Una dintre principalele recomandări din această întâlnire a fost că supravegherea guvernamentală a cercetării ADN recombinant ar trebui să fie stabilită până când tehnologia a fost considerată sigură.

În 1976, Genentech, prima companie de inginerie genetică, a fost fondată de Herbert Boyer și Robert Swanson, iar un an mai târziu compania a produs o proteină umană ( somatostatina ) în E. coli . Genentech a anunțat producerea de insulină umană modificată genetic în 1978. În 1980, Curtea Supremă a SUA în cazul Diamond v. Chakrabarty a decis că viața modificată genetic ar putea fi brevetată. Insulina produsă de bacterii a fost aprobată pentru eliberare de Food and Drug Administration (FDA) în 1982.

În 1983, o companie de biotehnologie, Advanced Genetic Sciences (AGS) a solicitat autorizarea guvernului SUA pentru a efectua teste pe teren cu tulpina de gheață minus de Pseudomonas syringae pentru a proteja culturile de îngheț, dar grupurile ecologiste și protestatarii au amânat testele pe teren timp de patru ani, provocări legale. În 1987, tulpina de gheață minus de P. syringae a devenit primul organism modificat genetic (OMG) care a fost eliberat în mediu atunci când un câmp de căpșuni și un câmp de cartofi din California au fost stropite cu acesta. Ambele câmpuri de testare au fost atacate de grupuri de activiști cu o seară înainte de efectuarea testelor: „Primul loc de testare din lume a atras primul gunoi de câmp din lume”.

Primele teste de teren ale plantelor modificate genetic au avut loc în Franța și SUA în 1986, plantele de tutun au fost concepute pentru a fi rezistente la erbicide . Republica Populară Chineză a fost prima țară care a comercializat plante transgenice, introducând un tutun rezistent la virus în 1992. În 1994, Calgene a obținut aprobarea pentru a lansa în comerț primul aliment modificat genetic, Flavr Savr, o roșie concepută pentru a avea o durată de valabilitate mai lungă. . În 1994, Uniunea Europeană a aprobat tutunul conceput pentru a fi rezistent la erbicidul bromoxinil, făcându-l prima cultură modificată genetic comercializată în Europa. În 1995, cartoful Bt a fost aprobat în condiții de siguranță de către Agenția pentru Protecția Mediului, după ce a fost aprobat de FDA, făcându-l prima cultură producătoare de pesticide care a fost aprobată în SUA. În 2009, 11 culturi transgenice au fost cultivate comercial în 25 de țări, dintre care cele mai mari după suprafață cultivată au fost SUA, Brazilia, Argentina, India, Canada, China, Paraguay și Africa de Sud.

În 2010, oamenii de știință de la Institutul J. Craig Venter au creat primul genom sintetic și l-au introdus într-o celulă bacteriană goală. Bacteria rezultată, numită Mycoplasma laboratorium, s-ar putea replica și produce proteine. Patru ani mai târziu, acest lucru a fost făcut un pas mai departe, când a fost dezvoltată o bacterie care a replicat o plasmidă care conține o pereche unică de baze, creând primul organism conceput pentru a utiliza un alfabet genetic extins. În 2012, Jennifer Doudna și Emmanuelle Charpentier au colaborat pentru a dezvolta sistemul CRISPR/Cas9, o tehnică care poate fi folosită pentru a modifica ușor și specific genomul aproape oricărui organism.

Proces

Reacția în lanț a polimerazei este un instrument puternic folosit în clonarea moleculară

Crearea unui OMG este un proces în mai multe etape. Inginerii genetici trebuie să aleagă mai întâi ce genă doresc să introducă în organism. Acest lucru este determinat de scopul pentru organismul rezultat și se bazează pe cercetări anterioare. Ecranele genetice pot fi efectuate pentru a determina gene potențiale și teste suplimentare apoi utilizate pentru a identifica cei mai buni candidați. Dezvoltarea de microarrays, transcriptomics și secvențierea genomului a făcut mult mai ușoară găsirea de gene adecvate. Norocul își joacă și el rolul; gena Roundup Ready a fost descoperită după ce oamenii de știință au observat o bacterie prosperă în prezența erbicidului.

Izolarea genelor și clonarea

Următorul pas este izolarea genei candidate. Celula care conține gena este deschisă și ADN-ul este purificat. Gena este separată prin utilizarea enzimelor de restricție pentru a tăia ADN-ul în fragmente sau prin reacția în lanț a polimerazei (PCR) pentru a amplifica segmentul genei. Aceste segmente pot fi apoi extrase prin electroforeză pe gel . Dacă gena aleasă sau genomul organismului donator a fost bine studiat, acesta poate fi deja accesibil dintr-o bibliotecă genetică . Dacă secvența ADN este cunoscută, dar nu sunt disponibile copii ale genei, aceasta poate fi, de asemenea, sintetizată artificial . Odată izolată, gena este legată într-o plasmidă care este apoi inserată într-o bacterie. Plasmida este replicată atunci când bacteriile se divid, asigurându-se că sunt disponibile copii nelimitate ale genei. Plasmida RK2 este remarcabilă pentru capacitatea sa de a se replica într-o mare varietate de organisme unicelulare, ceea ce o face potrivită ca instrument de inginerie genetică.

Înainte ca gena să fie introdusă în organismul țintă, aceasta trebuie combinată cu alte elemente genetice. Acestea includ o regiune promotor și terminator, care inițiază și termină transcripția . Se adaugă o genă marker selectabilă, care în cele mai multe cazuri conferă rezistență la antibiotice, astfel încât cercetătorii pot determina cu ușurință care celule au fost transformate cu succes. Gena poate fi, de asemenea, modificată în această etapă pentru o mai bună exprimare sau eficacitate. Aceste manipulări sunt efectuate folosind tehnici de ADN recombinant, cum ar fi digerările de restricție, ligările și clonarea moleculară.

Inserarea ADN-ului în genomul gazdei

Un pistol cu ​​gene folosește biolistică pentru a introduce ADN-ul în țesutul vegetal

Există o serie de tehnici utilizate pentru a introduce material genetic în genomul gazdei. Unele bacterii pot prelua în mod natural ADN străin . Această capacitate poate fi indusă în alte bacterii prin stres (de exemplu, șoc termic sau electric), care crește permeabilitatea membranei celulare la ADN; ADN-ul preluat poate fie să se integreze cu genomul, fie să existe ca ADN extracromozomial . ADN-ul este în general inserat în celulele animale prin microinjecție, unde poate fi injectat prin învelișul nuclear al celulei direct în nucleu sau prin utilizarea vectorilor virali .

Genomii plantelor pot fi modificați prin metode fizice sau prin utilizarea Agrobacterium pentru livrarea secvențelor găzduite în vectori binari T-ADN . În plante, ADN-ul este adesea inserat folosind transformarea mediată de Agrobacterium, profitând de secvența T-ADN a Agrobacterium care permite inserarea naturală a materialului genetic în celulele plantei. Alte metode includ biolistica, în care particulele de aur sau wolfram sunt acoperite cu ADN și apoi împușcate în celulele plantelor tinere, și electroporarea, care implică utilizarea unui șoc electric pentru a face membrana celulară permeabilă la ADN-ul plasmidic.

Deoarece doar o singură celulă este transformată cu material genetic, organismul trebuie să fie regenerat din acea singură celulă. La plante acest lucru se realizează prin utilizarea culturii de țesuturi . La animale este necesar să se asigure că ADN-ul inserat este prezent în celulele stem embrionare . Bacteriile constau dintr-o singură celulă și se reproduc clonal, astfel încât regenerarea nu este necesară. Markerii selectabili sunt utilizați pentru a diferenția cu ușurință celulele transformate de cele netransformate. Acești markeri sunt de obicei prezenți în organismul transgenic, deși au fost dezvoltate o serie de strategii care pot elimina markerul selectabil din planta transgenică matură.

A. tumefaciens atașându-se de o celulă de morcov

Sunt efectuate teste suplimentare folosind PCR, hibridizare Southern și secvențierea ADN-ului pentru a confirma că un organism conține noua genă. Aceste teste pot confirma, de asemenea, locația cromozomială și numărul de copii ale genei inserate. Prezența genei nu garantează că va fi exprimată la niveluri adecvate în țesutul țintă, așa că sunt utilizate și metode care caută și măsoară produsele genice (ARN și proteină). Acestea includ hibridizarea nordică, RT-PCR cantitativă, Western blot, imunofluorescența, ELISA și analiza fenotipică.

Noul material genetic poate fi introdus aleatoriu în genomul gazdei sau direcționat către o locație specifică. Tehnica de țintire a genelor folosește recombinarea omoloagă pentru a face modificările dorite la o anumită genă endogenă . Acest lucru tinde să apară la o frecvență relativ scăzută la plante și animale și, în general, necesită utilizarea unor markeri selectabili . Frecvența țintirii genelor poate fi mult îmbunătățită prin editarea genomului . Editarea genomului folosește nucleaze artificiale care creează pauze dublu-catenar specifice în locațiile dorite din genom și utilizează mecanismele endogene ale celulei pentru a repara ruptura indusă de procesele naturale de recombinare omoloagă și unire finală neomologă . Există patru familii de nucleaze modificate: meganucleaze, nucleaze cu degete de zinc, nucleaze efectoare asemănătoare activatorului de transcripție (TALEN) și sistemul Cas9-guideRNA (adaptat din CRISPR ). TALEN și CRISPR sunt cele două cele mai frecvent utilizate și fiecare are propriile sale avantaje. TALEN-urile au o specificitate mai mare a țintei, în timp ce CRISPR este mai ușor de proiectat și mai eficient. În plus față de îmbunătățirea țintirii genelor, nucleazele modificate pot fi utilizate pentru a introduce mutații la genele endogene care generează un knockout al genei .

Aplicații

Ingineria genetică are aplicații în medicină, cercetare, industrie și agricultură și poate fi utilizată pe o gamă largă de plante, animale și microorganisme. Bacteriile, primele organisme care au fost modificate genetic, pot avea ADN plasmidic inserat care conține noi gene care codifică medicamente sau enzime care procesează alimente și alte substraturi . Plantele au fost modificate pentru protecție împotriva insectelor, rezistență la erbicide, rezistență la virusuri, nutriție îmbunătățită, toleranță la presiunile mediului și producerea de vaccinuri comestibile . Cele mai multe OMG-uri comercializate sunt plante de cultură rezistente la insecte sau tolerante la erbicide. Animalele modificate genetic au fost folosite pentru cercetare, animale model și producția de produse agricole sau farmaceutice. Animalele modificate genetic includ animale cu gene eliminate, susceptibilitate crescută la boli, hormoni pentru creștere suplimentară și capacitatea de a exprima proteine ​​în laptele lor.

Medicament

Ingineria genetică are multe aplicații în medicină, care includ fabricarea de medicamente, crearea de animale model care imită condițiile umane și terapia genică . Una dintre cele mai timpurii utilizări ale ingineriei genetice a fost producerea în masă a insulinei umane în bacterii. Această aplicație a fost acum aplicată hormonilor umani de creștere, hormonilor foliculostimulatori (pentru tratarea infertilității), albuminei umane, anticorpilor monoclonali, factorii antihemofili, vaccinurilor și multor alte medicamente. Hibridoamele de șoarece, celule fuzionate împreună pentru a crea anticorpi monoclonali, au fost adaptate prin inginerie genetică pentru a crea anticorpi monoclonali umani. Se dezvoltă viruși modificați genetic care încă pot conferi imunitate, dar lipsesc secvențele infecțioase .

Ingineria genetică este, de asemenea, utilizată pentru a crea modele animale ale bolilor umane. Șoarecii modificați genetic sunt cel mai comun model animal modificat genetic. Acestea au fost folosite pentru a studia și modela cancerul ( oncomuse ), obezitatea, bolile de inimă, diabetul, artrita, abuzul de substanțe, anxietatea, îmbătrânirea și boala Parkinson. Potențialele remedii pot fi testate împotriva acestor modele de șoarece.

Terapia genică este ingineria genetică a oamenilor, în general prin înlocuirea genelor defecte cu unele eficiente. Cercetările clinice care utilizează terapia genică somatică au fost efectuate cu mai multe boli, inclusiv SCID X-linked, leucemia limfocitară cronică (LLC) și boala Parkinson . În 2012, Alipogene tiparvovec a devenit primul tratament de terapie genică care a fost aprobat pentru uz clinic. În 2015, un virus a fost folosit pentru a introduce o genă sănătoasă în celulele pielii unui băiat care suferă de o boală rară a pielii, epidermoliza buloasă, pentru a crește și apoi a grefa pielea sănătoasă pe 80% din corpul băiatului care a fost afectat de maladie.

Terapia genică a liniei germinale ar duce la moștenirea oricărei schimbări, ceea ce a stârnit îngrijorări în comunitatea științifică. În 2015, CRISPR a fost folosit pentru a edita ADN-ul embrionilor umani neviabile, conducând oamenii de știință din marile academii mondiale să solicite un moratoriu asupra modificărilor moștenite ale genomului uman. Există, de asemenea, îngrijorări că tehnologia ar putea fi folosită nu doar pentru tratament, ci și pentru îmbunătățirea, modificarea sau alterarea aspectului, adaptabilității, inteligenței, caracterului sau comportamentului unei ființe umane. Distincția dintre vindecare și îmbunătățire poate fi, de asemenea, dificil de stabilit. În noiembrie 2018, He Jiankui a anunțat că a editat genomul a doi embrioni umani, pentru a încerca să dezactiveze gena CCR5, care codifică un receptor pe care HIV îl folosește pentru a pătrunde în celule. Lucrarea a fost condamnată pe scară largă ca fiind lipsită de etică, periculoasă și prematură. În prezent, modificarea liniei germinale este interzisă în 40 de țări. Oamenii de știință care fac acest tip de cercetare vor lăsa adesea embrionii să crească timp de câteva zile fără a-i permite să se dezvolte într-un copil.

Cercetătorii modifică genomul porcilor pentru a induce creșterea organelor umane, cu scopul de a crește succesul transplantului de organe de la porc la om . Oamenii de știință creează „impulsuri genetice”, schimbând genomul țânțarilor pentru a-i face imuni la malarie și apoi caută să răspândească țânțarii modificați genetic în întreaga populație de țânțari, în speranța eliminării bolii.

Cercetare

Celule umane în care unele proteine ​​sunt fuzionate cu proteină verde fluorescentă pentru a le permite să fie vizualizate

Ingineria genetică este un instrument important pentru oamenii de știință naturală, cu crearea de organisme transgenice unul dintre cele mai importante instrumente pentru analiza funcției genelor. Genele și alte informații genetice dintr-o gamă largă de organisme pot fi inserate în bacterii pentru depozitare și modificare, creând bacterii modificate genetic în acest proces. Bacteriile sunt ieftine, ușor de cultivat, clonale, se înmulțesc rapid, relativ ușor de transformat și pot fi păstrate la -80 °C aproape la nesfârșit. Odată ce o genă este izolată, aceasta poate fi stocată în interiorul bacteriilor, oferind o aprovizionare nelimitată pentru cercetare.

Organismele sunt modificate genetic pentru a descoperi funcțiile anumitor gene. Acesta ar putea fi efectul asupra fenotipului organismului, unde este exprimată gena sau cu ce alte gene interacționează. Aceste experimente implică în general pierderea funcției, câștigul funcției, urmărirea și expresia.

  • Experimente de pierdere a funcției, cum ar fi într-un experiment de eliminare a genelor, în care un organism este proiectat să nu aibă activitatea uneia sau mai multor gene. Într-un simplu knockout, o copie a genei dorite a fost modificată pentru a o face nefuncțională. Celulele stem embrionare încorporează gena modificată, care înlocuiește copia funcțională deja prezentă. Aceste celule stem sunt injectate în blastociste, care sunt implantate în mamele surogat. Acest lucru permite experimentatorului să analizeze defectele cauzate de această mutație și, prin urmare, să determine rolul anumitor gene. Este folosit mai ales frecvent în biologia dezvoltării . Când acest lucru se face prin crearea unei biblioteci de gene cu mutații punctuale în fiecare poziție din zona de interes, sau chiar în fiecare poziție din întreaga genă, aceasta se numește „mutageneză de scanare”. Cea mai simplă metodă și prima care trebuie utilizată este „scanarea alaninei”, în care fiecare poziție la rândul ei este mutată în aminoacidul nereactiv alanină .
  • Câștig de experimente de funcție, omologul logic al knockouts. Acestea sunt uneori efectuate împreună cu experimente knockout pentru a stabili mai fin funcția genei dorite. Procesul este aproape același cu cel din inginerie knockout, cu excepția faptului că constructul este conceput pentru a crește funcția genei, de obicei prin furnizarea de copii suplimentare ale genei sau inducerea sintezei proteinei mai frecvent. Câștigul de funcție este folosit pentru a spune dacă o proteină este sau nu suficientă pentru o funcție, dar nu înseamnă întotdeauna că este necesară, mai ales atunci când se confruntă cu redundanță genetică sau funcțională.
  • Experimente de urmărire, care caută să obțină informații despre localizarea și interacțiunea proteinei dorite. O modalitate de a face acest lucru este înlocuirea genei de tip sălbatic cu o genă de „fuziune”, care este o juxtapunere a genei de tip sălbatic cu un element de raportare, cum ar fi proteina fluorescentă verde (GFP), care va permite vizualizarea ușoară a produselor. a modificării genetice. Deși aceasta este o tehnică utilă, manipularea poate distruge funcția genei, creând efecte secundare și, eventual, punând sub semnul întrebării rezultatele experimentului. Sunt acum în dezvoltare tehnici mai sofisticate care pot urmări produsele proteice fără a le atenua funcția, cum ar fi adăugarea de secvențe mici care vor servi drept motive de legare la anticorpii monoclonali.
  • Studiile de expresie urmăresc să descopere unde și când sunt produse anumite proteine. În aceste experimente, secvența de ADN dinaintea ADN-ului care codifică o proteină, cunoscută sub numele de promotor al unei gene, este reintrodusă într-un organism cu regiunea de codificare a proteinei înlocuită cu o genă reporter, cum ar fi GFP sau o enzimă care catalizează producerea unui colorant. . Astfel, timpul și locul în care este produsă o anumită proteină pot fi observate. Studiile de expresie pot fi făcute un pas mai departe prin modificarea promotorului pentru a găsi care piese sunt cruciale pentru exprimarea corectă a genei și sunt de fapt legate de proteinele factorului de transcripție; acest proces este cunoscut sub numele de bashing promotor .

Industrial

Produse de inginerie genetică

Organismele pot avea celulele lor transformate cu o genă care codifică o proteină utilă, cum ar fi o enzimă, astfel încât să supraexprima proteina dorită. Cantități de masă de proteină pot fi apoi fabricate prin creșterea organismului transformat în echipamente de bioreactor utilizând fermentație industrială și apoi purificând proteina. Unele gene nu funcționează bine în bacterii, așa că pot fi folosite și celulele de drojdie, de insecte sau de mamifere. Aceste tehnici sunt folosite pentru a produce medicamente precum insulina, hormonul uman de creștere și vaccinuri, suplimente precum triptofanul, ajută la producerea de alimente ( chimozina în fabricarea brânzei) și combustibili. Alte aplicații cu bacterii modificate genetic ar putea implica obligarea acestora să îndeplinească sarcini în afara ciclului lor natural, cum ar fi producerea de biocombustibili, curățarea scurgerilor de petrol, carbon și alte deșeuri toxice și detectarea arsenului în apa potabilă. Anumiți microbi modificați genetic pot fi utilizați și în biomine și bioremediere, datorită capacității lor de a extrage metale grele din mediul lor și de a le încorpora în compuși care sunt mai ușor de recuperat.

În știința materialelor, un virus modificat genetic a fost folosit într-un laborator de cercetare ca schelă pentru asamblarea unei baterii litiu-ion mai ecologice . Bacteriile au fost, de asemenea, concepute pentru a funcționa ca senzori prin exprimarea unei proteine ​​fluorescente în anumite condiții de mediu.

Agricultură

Toxinele Bt prezente în frunzele de arahide (imaginea de jos) îl protejează de daune extinse cauzate de larvele mai mici de tulpini de porumb (imaginea de sus).

Una dintre cele mai cunoscute și controversate aplicații ale ingineriei genetice este crearea și utilizarea culturilor modificate genetic sau a animalelor modificate genetic pentru a produce alimente modificate genetic . Culturile au fost dezvoltate pentru a crește producția, a crește toleranța la stresul abiotic, a modifica compoziția alimentelor sau pentru a produce produse noi.

Primele culturi care au fost eliberate comercial pe scară largă au oferit protecție împotriva insectelor dăunătoare sau toleranță la erbicide . Au fost dezvoltate sau sunt în curs de dezvoltare și culturi rezistente la ciuperci și virusuri. Acest lucru facilitează gestionarea insectelor și buruienilor culturilor și poate crește indirect randamentul culturilor. Culturile modificate genetic care îmbunătățesc direct randamentul prin accelerarea creșterii sau făcând planta mai rezistentă (prin îmbunătățirea toleranței la sare, frig sau secetă) sunt de asemenea în curs de dezvoltare. În 2016, somonii au fost modificați genetic cu hormoni de creștere pentru a ajunge mult mai repede la dimensiunea normală a adultului.

Au fost dezvoltate OMG-uri care modifică calitatea produselor prin creșterea valorii nutriționale sau oferind mai multe calități sau cantități utile din punct de vedere industrial. Cartoful Amflora produce un amestec mai util din punct de vedere industrial de amidon. Soia și canola au fost modificate genetic pentru a produce uleiuri mai sănătoase. Primul aliment MG comercializat a fost o roșie care a întârziat coacerea, crescându-și durata de valabilitate .

Plantele și animalele au fost proiectate pentru a produce materiale pe care nu le produc în mod normal. Pharming folosește culturi și animale ca bioreactoare pentru a produce vaccinuri, medicamente intermediare sau medicamentele în sine; produsul util este purificat din recoltă și apoi utilizat în procesul standard de producție farmaceutică. Vacile și caprele au fost concepute pentru a exprima medicamente și alte proteine ​​în laptele lor, iar în 2009 FDA a aprobat un medicament produs în lapte de capră.

Alte aplicații

Ingineria genetică are aplicații potențiale în conservarea și managementul ariilor naturale. Transferul de gene prin vectori virali a fost propus ca mijloc de control al speciilor invazive, precum și de vaccinare a faunei amenințate de boală. Arborii transgenici au fost sugerați ca o modalitate de a conferi rezistență la agenții patogeni în populațiile sălbatice. Odată cu creșterea riscurilor de inadaptare a organismelor ca urmare a schimbărilor climatice și a altor perturbări, adaptarea facilitată prin modificarea genelor ar putea fi o soluție pentru reducerea riscurilor de extincție. Aplicațiile ingineriei genetice în conservare sunt până acum în mare parte teoretice și încă nu au fost puse în practică.

Ingineria genetică este, de asemenea, folosită pentru a crea artă microbiană . Unele bacterii au fost modificate genetic pentru a crea fotografii alb-negru. Articole noutate, cum ar fi garoafe de culoare lavandă, trandafiri albaștri și pești strălucitori, au fost, de asemenea, produse prin inginerie genetică.

Regulament

Reglementarea ingineriei genetice se referă la abordările adoptate de guverne pentru a evalua și gestiona riscurile asociate cu dezvoltarea și eliberarea de OMG-uri. Dezvoltarea unui cadru de reglementare a început în 1975, la Asilomar, California. Reuniunea Asilomar a recomandat un set de linii directoare voluntare privind utilizarea tehnologiei recombinante. Pe măsură ce tehnologia s-a îmbunătățit, SUA au înființat un comitet la Biroul de Știință și Tehnologie, care a atribuit aprobarea de reglementare a alimentelor modificate genetic la USDA, FDA și EPA. Protocolul de la Cartagena privind biosecuritatea, un tratat internațional care guvernează transferul, manipularea și utilizarea OMG-urilor, a fost adoptat la 29 ianuarie 2000. O sută cincizeci și șapte de țări sunt membre ale protocolului și multe îl folosesc ca punct de referință pentru regulamentele proprii.

Statutul legal și de reglementare al alimentelor modificate genetic variază în funcție de țară, unele națiuni le interzic sau le restricționează, iar altele le permit cu grade foarte diferite de reglementare. Unele țări permit importul de alimente modificate genetic cu autorizație, dar fie nu permit cultivarea acestora (Rusia, Norvegia, Israel) fie au prevederi pentru cultivare chiar dacă nu sunt încă produse produse modificate genetic (Japonia, Coreea de Sud). Majoritatea țărilor care nu permit cultivarea OMG-urilor permit cercetarea. Unele dintre cele mai marcate diferențe apar între SUA și Europa. Politica SUA se concentrează pe produs (nu pe proces), se uită doar la riscurile științifice verificabile și utilizează conceptul de echivalență substanțială . În schimb, Uniunea Europeană are, probabil, cele mai stricte reglementări privind OMG-urile din lume. Toate OMG-urile, împreună cu alimentele iradiate, sunt considerate „alimente noi” și fac obiectul unei evaluări alimentare extinse, de la caz la caz, bazate pe știință, de către Autoritatea Europeană pentru Siguranța Alimentară . Criteriile de autorizare se încadrează în patru mari categorii: „siguranță”, „libertate de alegere”, „etichetare” și „trasabilitate”. Nivelul de reglementare în alte țări care cultivă OMG-uri se află între Europa și Statele Unite.

Agenții de reglementare pe regiune geografică
Regiune Regulatoare Note
S.U.A. USDA, FDA și EPA
Europa Autoritatea Europeană pentru Siguranța Alimentară
Canada Health Canada și Agenția Canadiană de Inspecție a Alimentelor Produse reglementate cu caracteristici noi, indiferent de metoda de origine
Africa Piața comună pentru Africa de Est și de Sud Decizia finală revine fiecărei țări în parte.
China Biroul de Administrare a Biosecurității Ingineriei Genetice Agricole
India Comitetul instituțional de biosecuritate, Comitetul de revizuire privind manipularea genetică și Comitetul de aprobare pentru inginerie genetică
Argentina Comitetul Consultativ Național pentru Biotehnologie Agricolă (impact asupra mediului), Serviciul Național de Sănătate și Calitate Agroalimentară (siguranța alimentelor) și Direcția Națională de Agribusiness (efect asupra comerțului) Decizie finală luată de Secretariatul pentru Agricultură, Zootehnie, Pescuit și Alimentație.
Brazilia Comisia Tehnică Națională de Biosecuritate (mediu și siguranță alimentară) și Consiliul de Miniștri (aspecte comerciale și economice)
Australia Biroul Autorității de Reglementare a Tehnologiei Genetice (supraveghează toate produsele MG), Administrația de Bunuri Terapeutice (medicamente MG) și Standardele Alimentare Australia Noua Zeelandă (alimente MG). Guvernele individuale ale statelor pot evalua apoi impactul eliberării asupra piețelor și comerțului și pot aplica legislația suplimentară pentru a controla produsele modificate genetic aprobate.

Una dintre problemele cheie privind autoritățile de reglementare este dacă produsele modificate genetic ar trebui să fie etichetate. Comisia Europeană spune că etichetarea și trasabilitatea obligatorii sunt necesare pentru a permite alegerea în cunoștință de cauză, pentru a evita potențiala publicitate falsă și pentru a facilita retragerea produselor în cazul în care sunt descoperite efecte negative asupra sănătății sau mediului. Asociația Medicală Americană și Asociația Americană pentru Avansarea Științei spun că lipsa dovezilor științifice ale vătămării, chiar și etichetarea voluntară este înșelătoare și va alarma în mod fals consumatorii. Etichetarea produselor OMG pe piață este necesară în 64 de țări. Etichetarea poate fi obligatorie până la un nivel prag de conținut MG (care variază de la țară) sau voluntară. În Canada și SUA, etichetarea alimentelor modificate genetic este voluntară, în timp ce în Europa toate alimentele (inclusiv alimentele procesate ) sau furajele care conțin mai mult de 0,9% din OMG-uri aprobate trebuie să fie etichetate.

Controversă

Criticii s-au opus utilizării ingineriei genetice din mai multe motive, inclusiv preocupări etice, ecologice și economice. Multe dintre aceste preocupări implică culturi modificate genetic și dacă alimentele produse din acestea sunt sigure și ce impact va avea cultivarea lor asupra mediului. Aceste controverse au dus la litigii, dispute comerciale internaționale și proteste și la reglementarea restrictivă a produselor comerciale în unele țări.

Acuzațiile că oamenii de știință „se joacă cu Dumnezeu ” și alte probleme religioase au fost atribuite tehnologiei încă de la început. Alte probleme etice ridicate includ brevetarea vieții, utilizarea drepturilor de proprietate intelectuală, nivelul de etichetare a produselor, controlul aprovizionării cu alimente și obiectivitatea procesului de reglementare. Deși au fost ridicate îndoieli, din punct de vedere economic, majoritatea studiilor au descoperit că cultivarea culturilor modificate genetic este benefică fermierilor.

Fluxul de gene între culturile modificate genetic și plantele compatibile, împreună cu utilizarea sporită a erbicidelor selective, poate crește riscul de apariție a „ superiurii ”. Alte preocupări de mediu implică impacturi potențiale asupra organismelor nețintă, inclusiv microbii din sol, și o creștere a insectelor dăunătoare secundare și rezistente. Multe dintre efectele asupra mediului legate de culturile modificate genetic pot dura mulți ani pentru a fi înțelese și sunt, de asemenea, evidente în practicile agricole convenționale. Odată cu comercializarea peștilor modificați genetic, există îngrijorări cu privire la consecințele asupra mediului dacă aceștia scapă.

Există trei preocupări principale cu privire la siguranța alimentelor modificate genetic: dacă acestea pot provoca o reacție alergică ; dacă genele s-ar putea transfera din alimente în celulele umane; și dacă genele neaprobate pentru consumul uman ar putea fi încrucișate cu alte culturi. Există un consens științific conform căruia alimentele disponibile în prezent derivate din culturi modificate genetic nu prezintă un risc mai mare pentru sănătatea umană decât alimentele convenționale, dar că fiecare aliment modificat genetic trebuie testat de la caz la caz înainte de introducere. Cu toate acestea, membrii publicului sunt mai puțin susceptibili decât oamenii de știință de a percepe alimentele modificate genetic ca fiind sigure.

În cultura populară

Ingineria genetică apare în multe povești științifico-fantastice . Romanul lui Frank Herbert Ciuma albă descrie utilizarea deliberată a ingineriei genetice pentru a crea un agent patogen care ucide în mod specific femeile. O altă creație a lui Herbert, seria de romane Dune, folosește inginerie genetică pentru a crea puternicul Tleilaxu . Puține filme au informat publicul despre inginerie genetică, cu excepția Băieților din Brazilia din 1978 și Jurassic Park din 1993, ambele utilizând o lecție, o demonstrație și un clip de film științific. Metodele de inginerie genetică sunt slab reprezentate în film; Michael Clark, scriind pentru Wellcome Trust, numește portretizarea ingineriei genetice și a biotehnologiei „serios distorsionată” în filme precum The 6th Day . În viziunea lui Clark, biotehnologiei i se „oferă în mod obișnuit forme fantastice, dar captivante din punct de vedere vizual”, în timp ce știința este fie retrogradată pe fundal, fie ficționalizată pentru a se potrivi unui public tânăr.

În jocul video din 2007, BioShock, ingineria genetică joacă un rol important în povestea și universul central. Jocul are loc în distopia subacvatică fictivă Rapture, în care locuitorii săi posedă abilități genetice supraumane după ce s-au injectat cu „plasmide”, un ser care conferă astfel de puteri. De asemenea, în orașul Rapture sunt „Little Sisters”, fetițe care sunt concepute generic, precum și un complot secundar în care o cântăreață de cabaret își vinde fătul unor geneticieni care implantează amintiri false în nou-născut și îl transformă genetic să crească. într-un adult.

Vezi si

Referințe

Lectură în continuare

linkuri externe