Генная инженерия -Genetic engineering

Из Википедии, бесплатной энциклопедии

Генная инженерия, также называемая генетической модификацией или генетическими манипуляциями, представляет собой модификацию и манипулирование генами организма с использованием технологий . Это набор технологий, используемых для изменения генетического состава клеток, включая перенос генов внутри и между видами для создания улучшенных или новых организмов . Новую ДНК получают либо путем выделения и копирования интересующего генетического материала с использованием методов рекомбинантной ДНК, либо путем искусственного синтеза ДНК. Обычно создается конструкция, которая используется для встраивания этой ДНК в организм-хозяин. Первая молекула рекомбинантной ДНК была получена Полом Бергом в 1972 году путем объединения ДНК обезьяньего вируса SV40 с вирусом лямбда . Помимо вставки генов, этот процесс можно использовать для удаления или « выбивания » генов. Новая ДНК может быть вставлена ​​случайным образом или нацелена на определенную часть генома .

Организм, созданный с помощью генной инженерии, считается генетически модифицированным (ГМ), а полученный объект является генетически модифицированным организмом (ГМО). Первой ГМО была бактерия, созданная Гербертом Бойером и Стэнли Коэном в 1973 году. Рудольф Йениш создал первое ГМО-животное, когда он ввел чужеродную ДНК мыши в 1974 году. Первая компания, специализирующаяся на генной инженерии, Genentech, была основана в 1976 году . началось производство белков человека. Генетически модифицированный человеческий инсулин был произведен в 1978 году, а бактерии, продуцирующие инсулин, были коммерциализированы в 1982 году. Генетически модифицированные продукты продаются с 1994 года, когда был выпущен томат Flavr Savr . Flavr Savr был спроектирован так, чтобы иметь более длительный срок хранения, но большинство современных генетически модифицированных культур модифицированы для повышения устойчивости к насекомым и гербицидам. GloFish, первый ГМО, разработанный как домашнее животное, был продан в США в декабре 2003 года. В 2016 году был продан лосось, модифицированный гормоном роста.

Генная инженерия применяется во многих областях, включая исследования, медицину, промышленную биотехнологию и сельское хозяйство. В исследованиях ГМО используются для изучения функции и экспрессии генов путем потери функции, приобретения функции, экспериментов по отслеживанию и экспрессии. Выбивая гены, ответственные за определенные состояния, можно создавать животные модели организмов человеческих болезней. Помимо производства гормонов, вакцин и других лекарств, генная инженерия может лечить генетические заболевания с помощью генной терапии . Те же методы, которые используются для производства лекарств, также могут иметь промышленное применение, например, производство ферментов для стирального порошка, сыров и других продуктов.

Рост коммерциализации генетически модифицированных культур принес экономическую выгоду фермерам во многих странах, но также стал источником большинства споров вокруг этой технологии. Это присутствовало с момента его раннего использования; первые полевые испытания были уничтожены активистами, выступающими против ГМО. Хотя существует научный консенсус в отношении того, что доступная в настоящее время пища, полученная из ГМ-культур, не представляет большего риска для здоровья человека, чем обычная пища, безопасность ГМ-продуктов вызывает серьезную озабоченность у критиков. Поток генов, воздействие на нецелевые организмы, контроль над поставками продуктов питания и права на интеллектуальную собственность также были подняты в качестве потенциальных проблем. Эти опасения привели к разработке нормативно-правовой базы, которая началась в 1975 году. Это привело к международному договору, Картахенскому протоколу по биобезопасности, который был принят в 2000 году. Отдельные страны разработали свои собственные системы регулирования в отношении ГМО, с наиболее заметные различия происходят между США и Европой.

определение ИЮПАК

Генная инженерия : Процесс введения новой генетической информации в существующие клетки с целью модификации конкретного организма с целью изменения его характеристик.

Примечание : адаптировано из исх.

Обзор

Сравнение традиционной селекции растений с трансгенной и цисгенной генетической модификацией

Генная инженерия — это процесс, который изменяет генетическую структуру организма путем удаления или введения ДНК или модификации существующего генетического материала in situ. В отличие от традиционной селекции животных и растений, которая включает в себя несколько скрещиваний и последующий отбор организма с желаемым фенотипом, генная инженерия берет ген непосредственно от одного организма и доставляет его другому. Это намного быстрее, может использоваться для вставки любых генов из любого организма (даже из разных доменов ) и предотвращает добавление других нежелательных генов.

Генная инженерия потенциально может исправить серьезные генетические нарушения у людей, заменив дефектный ген функционирующим. Это важный инструмент в исследованиях, который позволяет изучать функции конкретных генов. Лекарства, вакцины и другие продукты были получены из организмов, сконструированных для их производства. Были выведены культуры, которые способствуют продовольственной безопасности за счет повышения урожайности, питательной ценности и устойчивости к стрессам окружающей среды.

ДНК может быть введена непосредственно в организм-хозяин или в клетку, которая затем сливается или гибридизуется с хозяином. Это основано на методах рекомбинантных нуклеиновых кислот для формирования новых комбинаций наследуемого генетического материала с последующим включением этого материала либо косвенно через векторную систему, либо напрямую посредством микроинъекции, макроинъекции или микроинкапсуляции .

Генная инженерия обычно не включает традиционное разведение, экстракорпоральное оплодотворение, индукцию полиплоидии, мутагенез и методы слияния клеток, в процессе которых не используются рекомбинантные нуклеиновые кислоты или генетически модифицированный организм. Однако некоторые широкие определения генной инженерии включают селекцию . Клонирование и исследования стволовых клеток, хотя и не считаются генной инженерией, тесно связаны между собой, и в них может использоваться генная инженерия. Синтетическая биология — это развивающаяся дисциплина, которая продвигает генную инженерию на шаг вперед, вводя в организм искусственно синтезированный материал.

Растения, животные или микроорганизмы, которые были изменены с помощью генной инженерии, называются генетически модифицированными организмами или ГМО. Если к хозяину добавляется генетический материал другого вида, полученный организм называется трансгенным . Если используется генетический материал того же вида или вида, который может естественным образом скрещиваться с хозяином, полученный организм называется цисгенным . Если генная инженерия используется для удаления генетического материала из организма-мишени, полученный организм называется организмом- нокаутом . В Европе генетическая модификация является синонимом генной инженерии, в то время как в Соединенных Штатах Америки и Канаде генетическая модификация также может использоваться для обозначения более традиционных методов селекции.

История

Люди изменяли геномы видов на протяжении тысячелетий посредством селекции или искусственного отбора, в отличие от естественного отбора . Совсем недавно в мутационной селекции использовалось воздействие химических веществ или радиации для получения высокой частоты случайных мутаций в целях селекции. Генная инженерия как прямое манипулирование ДНК людьми вне размножения и мутаций существует только с 1970-х годов. Термин «генная инженерия» был впервые введен Джеком Уильямсоном в его научно-фантастическом романе «Остров Дракона», опубликованном в 1951 году — за год до того, как роль ДНК в наследственности была подтверждена Альфредом Херши и Мартой Чейз, и за два года до того, как Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик показали что молекула ДНК имеет структуру двойной спирали, хотя общая концепция прямых генетических манипуляций была исследована в зачаточной форме в научно-фантастическом рассказе Стэнли Г. Вайнбаума 1936 года « Остров Протея» .

В 1974 году Рудольф Йениш создал генетически модифицированную мышь, первое генетически модифицированное животное.

В 1972 году Пол Берг создал первые молекулы рекомбинантной ДНК, объединив ДНК обезьяньего вируса SV40 с ДНК вируса лямбда . В 1973 году Герберт Бойер и Стэнли Коэн создали первый трансгенный организм, вставив гены устойчивости к антибиотикам в плазмиду бактерии Escherichia coli . Год спустя Рудольф Йениш создал трансгенную мышь, внедрив чужеродную ДНК в ее эмбрион, что сделало ее первым в мире трансгенным животным . в 1975 году. Одна из основных рекомендаций этой встречи заключалась в том, что государственный надзор за исследованиями рекомбинантной ДНК должен быть установлен до тех пор, пока технология не будет признана безопасной.

В 1976 году Гербертом Бойером и Робертом Суонсоном была основана первая компания по генной инженерии Genentech, а год спустя компания произвела человеческий белок ( соматостатин ) в кишечной палочке . Genentech объявила о производстве генно-инженерного человеческого инсулина в 1978 году. В 1980 году Верховный суд США в деле Даймонд против Чакрабарти постановил, что генетически измененная жизнь может быть запатентована. Инсулин, вырабатываемый бактериями, был одобрен для выпуска Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) в 1982 году.

В 1983 году биотехнологическая компания Advanced Genetic Sciences (AGS) подала заявку на разрешение правительства США на проведение полевых испытаний штамма Pseudomonas syringae без льда для защиты сельскохозяйственных культур от заморозков, но группы защитников окружающей среды и протестующие отложили полевые испытания на четыре года из-за юридические вызовы. В 1987 году штамм P. syringae без льда стал первым генетически модифицированным организмом (ГМО), который был выпущен в окружающую среду, когда им были опрысканы клубничное и картофельное поля в Калифорнии. Оба испытательных поля подверглись нападению групп активистов за ночь до проведения испытаний: «Первый в мире испытательный полигон привлек первого в мире полевого мусорщика».

Первые полевые испытания генно-инженерных растений прошли во Франции и США в 1986 году, растения табака были спроектированы так, чтобы быть устойчивыми к гербицидам . Китайская Народная Республика была первой страной, начавшей коммерциализировать трансгенные растения, внедрив устойчивый к вирусам табак в 1992 году. В 1994 году Calgene получила разрешение на коммерческий выпуск первого генетически модифицированного продукта питания Flavr Savr, помидора, спроектированного так, чтобы иметь более длительный срок хранения. . В 1994 году Европейский Союз одобрил табак, устойчивый к гербициду бромоксинил, что сделало его первой генетически модифицированной культурой, коммерциализированной в Европе. В 1995 году Bt-картофель был признан безопасным Агентством по охране окружающей среды после одобрения FDA, что сделало его первой культурой, производящей пестициды, которая была одобрена в США. В 2009 году 11 трансгенных культур коммерчески выращивались в 25 странах, крупнейшими из которых по площади выращивания были США, Бразилия, Аргентина, Индия, Канада, Китай, Парагвай и Южная Африка.

В 2010 году ученые из Института Дж. Крейга Вентера создали первый синтетический геном и вставили его в пустую бактериальную клетку. Получившаяся бактерия, названная Mycoplasma Laboratorium, могла размножаться и производить белки. Четыре года спустя это было сделано еще дальше, когда была разработана бактерия, которая реплицировала плазмиду, содержащую уникальную пару оснований, создав первый организм, сконструированный для использования расширенного генетического алфавита. В 2012 году Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье совместно разработали систему CRISPR/Cas9, метод, который можно использовать для простого и специфического изменения генома практически любого организма.

Процесс

Полимеразная цепная реакция — мощный инструмент, используемый в молекулярном клонировании .

Создание ГМО — это многоэтапный процесс. Генные инженеры должны сначала выбрать, какой ген они хотят внедрить в организм. Это обусловлено тем, что является целью для результирующего организма, и основано на более ранних исследованиях. Можно провести генетический скрининг для определения потенциальных генов, а затем использовать дополнительные тесты для выявления лучших кандидатов. Развитие микрочипов, транскриптомики и секвенирования генома значительно упростило поиск подходящих генов. Удача также играет свою роль; Ген Roundup Ready был обнаружен после того, как ученые заметили, что бактерия процветает в присутствии гербицида.

Выделение генов и клонирование

Следующим шагом является выделение гена-кандидата. Ячейку , содержащую ген, открывают и очищают ДНК. Ген разделяется с помощью рестрикционных ферментов для разрезания ДНК на фрагменты или полимеразной цепной реакции (ПЦР) для амплификации сегмента гена. Затем эти сегменты могут быть извлечены с помощью гель-электрофореза . Если выбранный ген или геном донорского организма хорошо изучены, он уже может быть доступен из генетической библиотеки . Если последовательность ДНК известна, но копий гена нет, ее также можно синтезировать искусственно . После выделения ген лигируют в плазмиду, которую затем встраивают в бактерию. Плазмида реплицируется, когда бактерии делятся, обеспечивая доступность неограниченного количества копий гена. Плазмида RK2 отличается своей способностью реплицироваться в большом количестве одноклеточных организмов, что делает ее пригодной в качестве инструмента генной инженерии.

Прежде чем ген будет вставлен в организм-мишень, он должен быть объединен с другими генетическими элементами. К ним относятся промоторная и терминаторная области, которые инициируют и заканчивают транскрипцию . Добавляется селективный маркерный ген, который в большинстве случаев придает устойчивость к антибиотикам, поэтому исследователи могут легко определить, какие клетки были успешно трансформированы. Ген также может быть модифицирован на этой стадии для лучшей экспрессии или эффективности. Эти манипуляции осуществляются с использованием методов рекомбинантной ДНК, таких как рестрикция, лигирование и молекулярное клонирование.

Встраивание ДНК в геном хозяина

Генная пушка использует биолистику для встраивания ДНК в растительную ткань

Существует ряд методов, используемых для встраивания генетического материала в геном хозяина. Некоторые бактерии могут естественным образом поглощать чужеродную ДНК . Эта способность может быть вызвана у других бактерий стрессом (например, тепловым или электрическим ударом), который увеличивает проницаемость клеточной мембраны для ДНК; поглощенная ДНК может либо интегрироваться в геном, либо существовать в виде внехромосомной ДНК . ДНК обычно вводят в клетки животных с помощью микроинъекций, когда ее можно вводить через ядерную оболочку клетки непосредственно в ядро ​​или с помощью вирусных векторов .

Геномы растений могут быть сконструированы физическими методами или с использованием Agrobacterium для доставки последовательностей, размещенных в бинарных векторах Т-ДНК . В растениях ДНК часто встраивают с помощью Agrobacterium - опосредованной трансформации с использованием последовательности Т-ДНК Agrobacterium, которая позволяет естественным образом вводить генетический материал в растительные клетки. Другие методы включают биолистику, когда частицы золота или вольфрама покрывают ДНК, а затем вводят в молодые растительные клетки, и электропорацию, которая включает использование электрического тока, чтобы сделать клеточную мембрану проницаемой для плазмидной ДНК.

Поскольку генетическим материалом трансформируется только одна клетка, организм должен регенерироваться из этой единственной клетки. У растений это достигается за счет использования культуры тканей . У животных необходимо убедиться, что встроенная ДНК присутствует в эмбриональных стволовых клетках . Бактерии состоят из одной клетки и размножаются клонально, поэтому регенерация не требуется. Селектируемые маркеры используются для легкой дифференциации трансформированных клеток от нетрансформированных. Эти маркеры обычно присутствуют в трансгенном организме, хотя был разработан ряд стратегий, позволяющих удалить селектируемый маркер из зрелого трансгенного растения.

A. tumefaciens прикрепляется к клетке моркови

Дальнейшее тестирование с использованием ПЦР, Саузерн-гибридизации и секвенирования ДНК проводится для подтверждения того, что организм содержит новый ген. Эти тесты также могут подтвердить хромосомное расположение и количество копий вставленного гена. Наличие гена не гарантирует, что он будет экспрессироваться на соответствующих уровнях в ткани-мишени, поэтому также используются методы, которые ищут и измеряют продукты гена (РНК и белок). К ним относятся нозерн- гибридизация, количественная ОТ-ПЦР, вестерн-блоттинг, иммунофлуоресценция, ИФА и фенотипический анализ.

Новый генетический материал может быть вставлен случайным образом в геном хозяина или нацелен на определенное место. Метод нацеливания генов использует гомологичную рекомбинацию для внесения желаемых изменений в конкретный эндогенный ген. Это имеет тенденцию происходить с относительно низкой частотой у растений и животных и обычно требует использования селектируемых маркеров . Частота нацеливания генов может быть значительно увеличена за счет редактирования генома . При редактировании генома используются искусственно сконструированные нуклеазы, которые создают специфические двухцепочечные разрывы в нужных местах генома и используют эндогенные механизмы клетки для восстановления индуцированного разрыва с помощью естественных процессов гомологичной рекомбинации и негомологичного соединения концов . Существует четыре семейства сконструированных нуклеаз: мегануклеазы, нуклеазы цинковых пальцев, эффекторные нуклеазы, подобные активаторам транскрипции (TALEN), и система Cas9-guideRNA (адаптированная из CRISPR ). TALEN и CRISPR — два наиболее часто используемых, и каждый из них имеет свои преимущества. TALEN обладают большей специфичностью к мишеням, а CRISPR проще в разработке и более эффективен. В дополнение к усилению нацеливания на гены сконструированные нуклеазы можно использовать для введения мутаций в эндогенные гены, которые вызывают нокаут гена .

Приложения

Генная инженерия применяется в медицине, исследованиях, промышленности и сельском хозяйстве и может применяться к широкому кругу растений, животных и микроорганизмов. Бактерии, первые организмы, подвергшиеся генетической модификации, могут иметь встроенную плазмидную ДНК, содержащую новые гены, кодирующие лекарства или ферменты, обрабатывающие пищу и другие субстраты . Растения были модифицированы для защиты от насекомых, устойчивости к гербицидам, устойчивости к вирусам, улучшения питания, устойчивости к давлению окружающей среды и производства пищевых вакцин . Большинство коммерческих ГМО представляют собой устойчивые к насекомым или гербицидам сельскохозяйственные растения. Генетически модифицированные животные использовались для исследований, модельных животных и производства сельскохозяйственной или фармацевтической продукции. К генетически модифицированным животным относятся животные с выбитыми генами, повышенной восприимчивостью к болезням, гормонами для дополнительного роста и способностью экспрессировать белки в своем молоке.

Лекарственное средство

Генная инженерия имеет множество применений в медицине, включая производство лекарств, создание модельных животных, имитирующих человеческие состояния, и генную терапию . Одним из первых применений генной инженерии было массовое производство человеческого инсулина в бактериях. Это приложение теперь применяется к гормонам роста человека, фолликулостимулирующим гормонам (для лечения бесплодия), человеческому альбумину, моноклональным антителам, антигемофильным факторам, вакцинам и многим другим лекарствам. Гибридомы мыши, клетки, слитые вместе для создания моноклональных антител, были адаптированы с помощью генной инженерии для создания моноклональных антител человека. Разрабатываются генетически модифицированные вирусы, которые все еще могут вызывать иммунитет, но не имеют инфекционных последовательностей .

Генная инженерия также используется для создания животных моделей болезней человека. Генетически модифицированные мыши являются наиболее распространенной генетически модифицированной моделью животных. Они использовались для изучения и моделирования рака ( oncomouse ), ожирения, сердечных заболеваний, диабета, артрита, злоупотребления психоактивными веществами, беспокойства, старения и болезни Паркинсона. Потенциальные лекарства можно протестировать на этих моделях мышей.

Генная терапия — это генная инженерия человека, как правило, путем замены дефектных генов эффективными. Клинические исследования с использованием соматической генной терапии были проведены при нескольких заболеваниях, включая SCID, сцепленный с Х-хромосомой, хронический лимфолейкоз (ХЛЛ) и болезнь Паркинсона . В 2012 году Alipogene tiparvovec стал первым препаратом генной терапии, одобренным для клинического применения. В 2015 году вирус был использован для вставки здорового гена в клетки кожи мальчика, страдающего редким кожным заболеванием, буллезным эпидермолизом, чтобы вырастить, а затем пересадить здоровую кожу на 80 процентов тела мальчика, пораженного вирусом. болезнь.

Генная терапия зародышевой линии приведет к наследованию любых изменений, что вызывает обеспокоенность в научном сообществе. В 2015 году CRISPR использовался для редактирования ДНК нежизнеспособных человеческих эмбрионов, что побудило ученых крупнейших мировых академий призвать к введению моратория на наследуемое редактирование генома человека. Есть также опасения, что эту технологию можно использовать не только для лечения, но и для улучшения, модификации или изменения внешности, приспособляемости, интеллекта, характера или поведения человека. Различие между лечением и улучшением также может быть трудно установить. В ноябре 2018 года Хэ Цзянькуй объявил, что отредактировал геномы двух человеческих эмбрионов, чтобы попытаться отключить ген CCR5, кодирующий рецептор, который ВИЧ использует для проникновения в клетки. Работа была широко осуждена как неэтичная, опасная и преждевременная. В настоящее время модификация зародышевой линии запрещена в 40 странах. Ученые, которые проводят такого рода исследования, часто позволяют эмбрионам расти в течение нескольких дней, не позволяя им развиться в ребенка.

Исследователи изменяют геном свиней, чтобы стимулировать рост органов человека, с целью повысить эффективность трансплантации органов свиньи человеку . Ученые создают «генные драйвы», изменяя геномы комаров, чтобы сделать их невосприимчивыми к малярии, а затем стремятся распространить генетически измененных комаров среди популяции комаров в надежде искоренить болезнь.

Исследовательская работа

Клетки человека, в которых некоторые белки слиты с зеленым флуоресцентным белком, чтобы их можно было визуализировать.

Генная инженерия — важный инструмент для естествоиспытателей, а создание трансгенных организмов — один из самых важных инструментов для анализа функции генов. Гены и другая генетическая информация от широкого круга организмов могут быть вставлены в бактерии для хранения и модификации, создавая в процессе генетически модифицированные бактерии . Бактерии дешевы, их легко выращивать, они клонируются, быстро размножаются, относительно легко трансформируются и могут храниться при температуре -80 °C почти неограниченное время. Как только ген изолирован, он может храниться внутри бактерий, обеспечивая неограниченный запас для исследований.

Организмы генно-инженерные, чтобы обнаружить функции определенных генов. Это может быть влияние на фенотип организма, где экспрессируется ген или с какими другими генами он взаимодействует. Эти эксперименты обычно связаны с потерей функции, усилением функции, отслеживанием и выражением.

  • Эксперименты с потерей функции, например, в эксперименте с нокаутом гена, в котором организм сконструирован так, что у него отсутствует активность одного или нескольких генов. При простом нокауте копия желаемого гена была изменена, чтобы сделать ее нефункциональной. Эмбриональные стволовые клетки включают измененный ген, который заменяет уже существующую функциональную копию. Эти стволовые клетки вводят в бластоцисты, которые имплантируют суррогатным матерям. Это позволяет экспериментатору анализировать дефекты, вызванные этой мутацией, и тем самым определять роль тех или иных генов. Особенно часто он используется в биологии развития . Когда это делается путем создания библиотеки генов с точечными мутациями в каждом положении в интересующей области или даже в каждом положении всего гена, это называется «сканирующим мутагенезом». Самый простой метод и первый, который будет использоваться, - это «аланиновое сканирование», при котором каждая позиция, в свою очередь, мутирует в нереакционноспособную аминокислоту аланин .
  • Усиление функциональных экспериментов, логический аналог нокаутов. Иногда их проводят в сочетании с экспериментами с нокаутом, чтобы более точно установить функцию желаемого гена. Процесс во многом такой же, как и в нокаутной инженерии, за исключением того, что конструкция предназначена для усиления функции гена, обычно путем предоставления дополнительных копий гена или более частого индукции синтеза белка. Получение функции используется, чтобы сказать, достаточно ли белка для функции, но не всегда означает, что он необходим, особенно когда речь идет о генетической или функциональной избыточности.
  • Эксперименты по отслеживанию, направленные на получение информации о локализации и взаимодействии желаемого белка. Один из способов сделать это — заменить ген дикого типа «слитым» геном, который представляет собой сопоставление гена дикого типа с отчетным элементом, таким как зеленый флуоресцентный белок (GFP), что позволит легко визуализировать продукты. генетической модификации. Хотя это полезный метод, манипуляция может разрушить функцию гена, создавая вторичные эффекты и, возможно, ставя под сомнение результаты эксперимента. В настоящее время разрабатываются более сложные методы, которые могут отслеживать белковые продукты без ослабления их функции, такие как добавление небольших последовательностей, которые будут служить мотивами связывания с моноклональными антителами.
  • Исследования экспрессии направлены на то, чтобы выяснить, где и когда продуцируются специфические белки. В этих экспериментах последовательность ДНК перед ДНК, которая кодирует белок, известная как промотор гена, повторно вводится в организм с заменой области, кодирующей белок, репортерным геном, таким как GFP, или ферментом, катализирующим производство красителя. . Таким образом, можно наблюдать время и место, где производится конкретный белок. Исследования экспрессии можно сделать еще дальше, изменив промотор, чтобы определить, какие фрагменты имеют решающее значение для правильной экспрессии гена и действительно связаны белками факторов транскрипции; этот процесс известен как избиение промоутера .

промышленный

Продукты генной инженерии

Организмы могут трансформировать свои клетки с помощью гена, кодирующего полезный белок, такой как фермент, так что они будут сверхэкспрессировать желаемый белок. Массовые количества белка затем могут быть получены путем выращивания трансформированного организма в биореакторном оборудовании с использованием промышленной ферментации и последующей очистки белка. Некоторые гены плохо работают у бактерий, поэтому можно также использовать клетки дрожжей, насекомых или млекопитающих. Эти методы используются для производства лекарств, таких как инсулин, гормон роста человека и вакцины, добавки, такие как триптофан, помощь в производстве продуктов питания ( химозин в сыроварении) и топлива. Другие применения генно-инженерных бактерий могут включать в себя выполнение ими задач, выходящих за рамки их естественного цикла, таких как производство биотоплива, очистка разливов нефти, углерода и других токсичных отходов, а также обнаружение мышьяка в питьевой воде. Некоторые генетически модифицированные микробы также могут использоваться в биодобыче и биоремедиации из-за их способности извлекать тяжелые металлы из окружающей среды и включать их в соединения, которые легче восстановить.

В материаловедении генетически модифицированный вирус использовался в исследовательской лаборатории в качестве основы для сборки более экологически чистой литий-ионной батареи . Бактерии также были сконструированы так, чтобы они функционировали как сенсоры, экспрессируя флуоресцентный белок в определенных условиях окружающей среды.

сельское хозяйство

Bt-токсины, присутствующие в листьях арахиса (нижнее изображение), защищают его от значительных повреждений, вызванных
личинками мотылька кукурузного стебля (верхнее изображение).

Одним из самых известных и противоречивых применений генной инженерии является создание и использование генетически модифицированных сельскохозяйственных культур или генетически модифицированного скота для производства генетически модифицированных продуктов питания . Культуры были разработаны для увеличения производства, повышения устойчивости к абиотическим стрессам, изменения состава пищи или производства новых продуктов.

Первые сельскохозяйственные культуры, выпущенные в промышленных масштабах, обеспечивали защиту от насекомых-вредителей или устойчивость к гербицидам . Также были разработаны или находятся в стадии разработки культуры, устойчивые к грибкам и вирусам. Это упрощает борьбу с насекомыми и сорняками и может косвенно повысить урожайность. Также разрабатываются ГМ-культуры, которые напрямую улучшают урожайность за счет ускорения роста или повышения выносливости растений (за счет улучшения солеустойчивости, холодо- или засухоустойчивости). В 2016 году лосось был генетически модифицирован с помощью гормонов роста, чтобы он быстрее достиг нормального взрослого размера.

Были разработаны ГМО, которые изменяют качество продукции за счет повышения питательной ценности или обеспечения более полезных в промышленном отношении качеств или количества. Картофель Amflora производит более полезную в промышленном отношении смесь крахмалов. Соевые бобы и рапс были генетически модифицированы для производства более полезных масел. Первым коммерциализированным ГМ-продуктом был томат, созревание которого было отсрочено, что увеличило срок его хранения .

Растения и животные были созданы для производства материалов, которые они обычно не производят. Фарминг использует сельскохозяйственные культуры и животных в качестве биореакторов для производства вакцин, промежуточных продуктов или самих лекарств; полезный продукт очищается от урожая и затем используется в стандартном фармацевтическом производственном процессе. Коровы и козы были созданы для экспрессии лекарств и других белков в их молоке, а в 2009 году FDA одобрило лекарство, производимое из козьего молока.

Другие приложения

Генная инженерия имеет потенциальное применение в сохранении и управлении природными территориями. Перенос генов через вирусные векторы был предложен в качестве средства контроля инвазивных видов, а также вакцинации фауны, находящейся под угрозой, от болезней. Трансгенные деревья были предложены как способ придания устойчивости к патогенам в диких популяциях. В связи с возрастающими рисками плохой адаптации организмов в результате изменения климата и других возмущений упрощенная адаптация посредством модификации генов может стать одним из способов снижения риска исчезновения. Применение генной инженерии в охране природы до сих пор носит в основном теоретический характер и еще не реализовано на практике.

Генная инженерия также используется для создания микробного искусства . Некоторые бактерии были генетически модифицированы для создания черно-белых фотографий. Новые предметы, такие как гвоздики цвета лаванды, голубые розы и светящиеся рыбы, также были получены с помощью генной инженерии.

Регулирование

Регулирование генной инженерии касается подходов, используемых правительствами для оценки и управления рисками, связанными с разработкой и выпуском ГМО. Разработка нормативно-правовой базы началась в 1975 году в Асиломаре, Калифорния. Совещание Asilomar рекомендовало ряд добровольных руководств по использованию рекомбинантных технологий. По мере совершенствования технологии США создали комитет в Управлении по науке и технологиям, который поручил регуляторное одобрение ГМО пищевых продуктов Министерству сельского хозяйства США, FDA и EPA. Картахенский протокол по биобезопасности, международный договор, регулирующий передачу, обработку и использование ГМО, был принят 29 января 2000 г. Участниками Протокола являются 157 стран, и многие используют его в качестве отправной точки для своих собственный регламент.

Правовой и нормативный статус генетически модифицированных пищевых продуктов варьируется в зависимости от страны: некоторые страны запрещают или ограничивают их, а другие разрешают их с очень разной степенью регулирования. Некоторые страны разрешают импорт ГМ-продуктов с разрешения, но либо не разрешают их выращивание (Россия, Норвегия, Израиль), либо имеют условия для выращивания, даже если ГМ-продукты еще не производятся (Япония, Южная Корея). Большинство стран, которые не разрешают выращивание ГМО, разрешают исследования. Некоторые из наиболее заметных различий наблюдаются между США и Европой. Политика США фокусируется на продукте (а не на процессе), рассматривает только поддающиеся проверке научные риски и использует концепцию существенной эквивалентности . Европейский Союз, напротив, имеет, пожалуй, самые строгие правила в отношении ГМО в мире. Все ГМО, наряду с облученными продуктами питания, считаются «новыми продуктами питания» и подлежат обширной, индивидуальной, научно обоснованной оценке пищевых продуктов Европейским агентством по безопасности пищевых продуктов . Критерии авторизации делятся на четыре широкие категории: «безопасность», «свобода выбора», «маркировка» и «отслеживаемость». Уровень регулирования в других странах, выращивающих ГМО, находится между Европой и США.

Регулирующие органы по географическим регионам
Область, край Регуляторы Заметки
НАС USDA, FDA и EPA
Европа Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов
Канада Министерство здравоохранения Канады и Канадское агентство по надзору за пищевыми продуктами Подкарантинные продукты с новыми свойствами независимо от способа происхождения
Африка Общий рынок Восточной и Южной Африки Окончательное решение остается за каждой отдельной страной.
Китай Управление сельскохозяйственной генной инженерии по биобезопасности
Индия Институциональный комитет по биобезопасности, Комитет по обзору генетических манипуляций и Комитет по одобрению генной инженерии
Аргентина Национальный консультативный комитет по сельскохозяйственной биотехнологии (воздействие на окружающую среду), Национальная служба здравоохранения и качества агропродовольствия (безопасность пищевых продуктов) и Национальное управление агробизнеса (воздействие на торговлю) Окончательное решение принимает Секретариат сельского хозяйства, животноводства, рыболовства и продовольствия.
Бразилия Национальная техническая комиссия по биобезопасности (экологическая и пищевая безопасность) и Совет министров (коммерческие и экономические вопросы)
Австралия Управление по регулированию генных технологий (контролирует все ГМ-продукты), Управление терапевтических товаров (ГМ-лекарства) и Управление пищевых стандартов Австралии и Новой Зеландии (ГМ-продукты). Затем правительства отдельных штатов могут оценить влияние выпуска на рынки и торговлю и применить дополнительное законодательство для контроля за утвержденными генетически модифицированными продуктами.

Один из ключевых вопросов, касающихся регулирующих органов, заключается в том, следует ли маркировать генетически модифицированные продукты. Европейская комиссия заявляет, что обязательная маркировка и отслеживаемость необходимы, чтобы сделать осознанный выбор, избежать возможной ложной рекламы и облегчить изъятие продукции в случае обнаружения неблагоприятного воздействия на здоровье или окружающую среду. Американская медицинская ассоциация и Американская ассоциация развития науки заявляют, что отсутствие научных доказательств вреда, даже добровольная маркировка, вводит в заблуждение и будет ложно тревожить потребителей. Маркировка ГМО-продуктов на рынке требуется в 64 странах. Маркировка может быть обязательной до порогового уровня содержания ГМ (который варьируется в зависимости от страны) или добровольной. В Канаде и США маркировка ГМО-продуктов является добровольной, в то время как в Европе все продукты питания (включая переработанные продукты ) или корма, содержащие более 0,9% утвержденных ГМО, должны маркироваться.

Споры

Критики возражали против использования генной инженерии по нескольким причинам, включая этические, экологические и экономические соображения. Многие из этих опасений связаны с ГМ-культурами и безопасностью продуктов, произведенных из них, и с тем, какое влияние их выращивание окажет на окружающую среду. Эти противоречия привели к судебным разбирательствам, международным торговым спорам и протестам, а также к ограничительному регулированию коммерческих продуктов в некоторых странах.

Обвинения ученых в том, что они « играют в Бога », и другие религиозные проблемы с самого начала приписывались технологии. Другие затронутые этические вопросы включают патентование жизни, использование прав интеллектуальной собственности, уровень маркировки продуктов, контроль над поставками продуктов питания и объективность процесса регулирования. Хотя были высказаны сомнения, с экономической точки зрения большинство исследований показали, что выращивание ГМ-культур выгодно для фермеров.

Поток генов между ГМ-культурами и совместимыми растениями, наряду с более широким использованием селективных гербицидов, может увеличить риск развития « суперсорняков ». Другие экологические проблемы включают потенциальное воздействие на нецелевые организмы, включая почвенные микробы, а также увеличение количества вторичных и устойчивых насекомых-вредителей. На то, чтобы понять многие из воздействий ГМ-культур на окружающую среду, может уйти много лет, они также проявляются в традиционных методах ведения сельского хозяйства. В связи с коммерциализацией генетически модифицированной рыбы возникают опасения по поводу последствий для окружающей среды, если она ускользнет.

Есть три основных опасения по поводу безопасности генетически модифицированных продуктов: могут ли они вызвать аллергическую реакцию ; могут ли гены перейти из пищи в клетки человека; и могут ли гены, не одобренные для потребления человеком, скрещиваться с другими культурами. Существует научный консенсус в отношении того, что доступная в настоящее время пища, полученная из ГМ-культур, не представляет большего риска для здоровья человека, чем обычная пища, но что каждый ГМ-продукт должен быть проверен в каждом конкретном случае перед введением. Тем не менее, представители общественности с меньшей вероятностью, чем ученые, считают ГМ-продукты безопасными.

В популярной культуре

Генная инженерия фигурирует во многих фантастических рассказах. В романе Фрэнка Герберта « Белая чума » описывается преднамеренное использование генной инженерии для создания патогена, который специально убивает женщин. Еще одно творение Герберта, серия романов « Дюна », использует генную инженерию для создания могущественного Тлейлаксу . Немногие фильмы информировали зрителей о генной инженерии, за исключением «Мальчиков из Бразилии» 1978 года и « Парка Юрского периода» 1993 года, в обоих из которых используются урок, демонстрация и отрывок из научного фильма. Методы генной инженерии слабо представлены в кино; Майкл Кларк, пишущий для Wellcome Trust, называет изображение генной инженерии и биотехнологии «серьезно искаженным» в таких фильмах, как «Шестой день» . По мнению Кларка, биотехнология обычно «придается фантастическим, но визуально захватывающим формам», в то время как наука либо отодвигается на задний план, либо выдумывается, чтобы удовлетворить потребности молодой аудитории.

В видеоигре BioShock 2007 года генная инженерия играет важную роль в центральной сюжетной линии и вселенной. Действие игры происходит в вымышленной подводной антиутопии Rapture, жители которой обладают генетическими сверхчеловеческими способностями после инъекции себе «плазмид», сыворотки, которая наделяет такими способностями. Также в городе Восторг есть «Маленькие сестрички», маленькие девочки, созданные с помощью генетической инженерии, а также побочный сюжет, в котором певица кабаре продает свой плод ученым-генетикам, которые вживляют в новорожденного ложные воспоминания и генетически модифицируют его, чтобы он рос. во взрослого.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки