Genetické inženýrství -Genetic engineering

z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Genetické inženýrství, také nazývané genetická modifikace nebo genetická manipulace, je modifikace a manipulace s geny organismu pomocí technologie . Jedná se o soubor technologií používaných ke změně genetického složení buněk, včetně přenosu genů v rámci a přes hranice druhů za účelem produkce vylepšených nebo nových organismů . Nová DNA se získává buď izolací a kopírováním požadovaného genetického materiálu pomocí metod rekombinantní DNA nebo umělou syntézou DNA. Obvykle se vytvoří konstrukt a použije se k vložení této DNA do hostitelského organismu. První rekombinantní molekulu DNA vytvořil Paul Berg v roce 1972 spojením DNA z opičího viru SV40 s virem lambda . Stejně jako vkládání genů lze tento proces použít k odstranění nebo „ vyřazení “ genů. Nová DNA může být vložena náhodně nebo zacílena na určitou část genomu .

Organismus, který je vytvořen pomocí genetického inženýrství, je považován za geneticky modifikovaný (GM) a výsledná entita je geneticky modifikovaný organismus (GMO). První GMO byla bakterie vytvořená Herbertem Boyerem a Stanley Cohenem v roce 1973. Rudolf Jaenisch vytvořil první GM zvíře, když v roce 1974 vložil cizí DNA do myši . První společnost zaměřená na genetické inženýrství, Genentech, byla založena v roce 1976 a zahájila produkci lidských bílkovin. Geneticky upravený lidský inzulín byl vyroben v roce 1978 a bakterie produkující inzulín byly uvedeny na trh v roce 1982. Geneticky modifikované potraviny se prodávají od roku 1994 s uvedením rajčat Flavr Savr . Flavr Savr byl navržen tak, aby měl delší skladovatelnost, ale většina současných GM plodin je upravena tak, aby zvýšila odolnost vůči hmyzu a herbicidům. GloFish, první GMO navržený jako domácí mazlíček, byl prodán ve Spojených státech v prosinci 2003. V roce 2016 byl prodán losos modifikovaný růstovým hormonem.

Genetické inženýrství bylo aplikováno v mnoha oblastech včetně výzkumu, lékařství, průmyslové biotechnologie a zemědělství. Ve výzkumu se GMO používají ke studiu genové funkce a exprese prostřednictvím ztráty funkce, získání funkce, sledování a experimentů exprese. Vyřazením genů odpovědných za určité stavy je možné vytvořit zvířecí modelové organismy lidských nemocí. Kromě výroby hormonů, vakcín a dalších léků má genetické inženýrství potenciál léčit genetická onemocnění prostřednictvím genové terapie . Stejné techniky, které se používají k výrobě léků, mohou mít také průmyslové využití, jako je výroba enzymů pro prací prostředky, sýry a další produkty.

Vzestup komercializovaných geneticky modifikovaných plodin poskytl farmářům v mnoha různých zemích ekonomický prospěch, ale byl také zdrojem většiny kontroverzí kolem této technologie. Toto bylo přítomno od jeho časného použití; první polní pokusy zničili aktivisté proti GM. Přestože existuje vědecký konsenzus, že v současnosti dostupné potraviny získané z GM plodin nepředstavují pro lidské zdraví větší riziko než konvenční potraviny, bezpečnost GM potravin je hlavním problémem kritiků. Tok genů, dopad na necílové organismy, kontrola dodávek potravin a práva duševního vlastnictví byly rovněž nastoleny jako potenciální problémy. Tyto obavy vedly k vývoji regulačního rámce, který byl zahájen v roce 1975. To vedlo k mezinárodní smlouvě, Cartagenskému protokolu o biologické bezpečnosti, která byla přijata v roce 2000. Jednotlivé země vyvinuly své vlastní regulační systémy týkající se GMO, přičemž nejvýraznější rozdíly se vyskytují mezi USA a Evropou.

Definice IUPAC

Genetické inženýrství : Proces vkládání nové genetické informace do existujících buněk za účelem modifikace konkrétního organismu za účelem změny jeho vlastností.

Poznámka : Převzato z č.j.

Přehled

Srovnání konvenčního šlechtění rostlin s transgenní a cisgenní genetickou modifikací

Genetické inženýrství je proces, který mění genetickou strukturu organismu buď odstraněním nebo zavedením DNA, nebo úpravou existujícího genetického materiálu in situ. Na rozdíl od tradičního šlechtění zvířat a rostlin, které zahrnuje provádění více křížení a následnou selekci organismu s požadovaným fenotypem, genové inženýrství bere gen přímo z jednoho organismu a dodává ho do druhého. To je mnohem rychlejší, lze jej použít k vložení libovolných genů z jakéhokoli organismu (dokonce i z různých domén ) a zabrání přidání dalších nežádoucích genů.

Genetické inženýrství by mohlo potenciálně opravit vážné genetické poruchy u lidí nahrazením defektního genu funkčním. Je to důležitý nástroj ve výzkumu, který umožňuje studovat funkci specifických genů. Léky, vakcíny a další produkty byly sklizeny z organismů upravených k jejich výrobě. Byly vyvinuty plodiny, které napomáhají potravinové bezpečnosti zvýšením výnosu, nutriční hodnoty a tolerance k environmentálním stresům.

DNA může být zavedena přímo do hostitelského organismu nebo do buňky, která je pak fúzována nebo hybridizována s hostitelem. To se opírá o techniky rekombinantní nukleové kyseliny k vytvoření nových kombinací dědičného genetického materiálu, po kterém následuje začlenění tohoto materiálu buď nepřímo prostřednictvím vektorového systému nebo přímo pomocí mikroinjekce, makroinjekce nebo mikroenkapsulace .

Genetické inženýrství běžně nezahrnuje tradiční šlechtění, oplodnění in vitro, indukci polyploidie, mutagenezi a techniky buněčné fúze, které v procesu nepoužívají rekombinantní nukleové kyseliny nebo geneticky modifikovaný organismus. Některé široké definice genetického inženýrství však zahrnují selektivní šlechtění . Klonování a výzkum kmenových buněk, i když nou považovány za genetické inženýrství, spolu úzce souvisejí a lze v rámci nich využít genetické inženýrství. Syntetická biologie je nově vznikající disciplína, která posouvá genetické inženýrství o krok dále tím, že do organismu zavádí uměle syntetizovaný materiál.

Rostliny, zvířata nebo mikroorganismy, které byly změněny genetickým inženýrstvím, se nazývají geneticky modifikované organismy nebo GMO. Pokud je k hostiteli přidán genetický materiál z jiného druhu, výsledný organismus se nazývá transgenní . Pokud je použit genetický materiál ze stejného druhu nebo druhu, který se může přirozeně množit s hostitelem, výsledný organismus se nazývá cisgenní . Pokud se genetické inženýrství používá k odstranění genetického materiálu z cílového organismu, výsledný organismus se nazývá knockout organismus. V Evropě je genetická modifikace synonymem pro genetické inženýrství, zatímco ve Spojených státech amerických a Kanadě lze genetickou modifikaci také použít k označení konvenčnějších šlechtitelských metod.

Dějiny

Lidé měnili genomy druhů po tisíce let prostřednictvím selektivního šlechtění nebo umělého výběru na rozdíl od přirozeného výběru . V poslední době šlechtění mutací používá vystavení chemikáliím nebo záření k produkci vysoké frekvence náhodných mutací pro účely selektivního šlechtění. Genetické inženýrství jako přímá manipulace s DNA lidmi mimo chov a mutace existuje teprve od 70. let 20. století. Termín „genetické inženýrství“ poprvé zavedl Jack Williamson ve svém vědeckofantastickém románu Dračí ostrov, který vyšel v roce 1951 – rok předtím, než Alfred Hershey a Martha Chase potvrdili roli DNA v dědičnosti, a dva roky předtím, než ukázali James Watson a Francis Crick . že molekula DNA má dvoušroubovicovou strukturu – ačkoli obecný koncept přímé genetické manipulace byl v základní formě prozkoumán ve sci-fi příběhu Stanleyho G. Weinbauma z roku 1936 Ostrov Proteus .

V roce 1974 vytvořil Rudolf Jaenisch geneticky modifikovanou myš, první GM zvíře.

V roce 1972 vytvořil Paul Berg první rekombinantní molekuly DNA spojením DNA z opičího viru SV40 s DNA viru lambda . V roce 1973 Herbert Boyer a Stanley Cohen vytvořili první transgenní organismus vložením genů rezistence na antibiotika do plazmidu bakterie Escherichia coli . O rok později vytvořil Rudolf Jaenisch transgenní myš zavedením cizí DNA do jejího embrya, čímž se stala prvním transgenním zvířetem na světě . v roce 1975. Jedním z hlavních doporučení z tohoto setkání bylo, že by měl být zaveden vládní dohled nad výzkumem rekombinantní DNA, dokud nebude technologie považována za bezpečnou.

V roce 1976 založili Herbert Boyer a Robert Swanson Genentech, první společnost zabývající se genetickým inženýrstvím, ao rok později společnost vyrobila lidský protein ( somatostatin ) v E. coli . Genentech oznámil výrobu geneticky upraveného lidského inzulínu v roce 1978. V roce 1980 Nejvyšší soud USA v případu Diamond v. Chakrabarty rozhodl, že geneticky pozměněný život lze patentovat. Inzulin produkovaný bakteriemi byl schválen pro uvolňování Food and Drug Administration ( FDA) v roce 1982.

V roce 1983 požádala biotechnologická společnost Advanced Genetic Sciences (AGS) o povolení vlády USA provádět polní testy s kmenem Pseudomonas syringae bez ledu, aby chránila plodiny před mrazem, ale ekologické skupiny a protestující odložili polní testy o čtyři roky. právní výzvy. V roce 1987 se kmen P. syringae bez ledu stal prvním geneticky modifikovaným organismem (GMO), který byl uvolněn do životního prostředí, když jím bylo postříkáno jahodové pole a bramborové pole v Kalifornii. Obě testovací pole byla napadena aktivistickými skupinami noc předtím, než k testům došlo: „První zkušební místo na světě přilákalo prvního polního trpaslíka na světě“.

První polní pokusy s geneticky upravenými rostlinami proběhly ve Francii a USA v roce 1986, rostliny tabáku byly upraveny tak, aby byly odolné vůči herbicidům . Čínská lidová republika byla první zemí, která komercializovala transgenní rostliny a v roce 1992 představila tabák odolný vůči virům. V roce 1994 Calgene získalo povolení ke komerčnímu uvedení první geneticky modifikované potraviny Flavr Savr, rajčata upraveného tak, aby mělo delší trvanlivost. . V roce 1994 schválila Evropská unie tabák upravený tak, aby byl odolný vůči herbicidu bromoxynil, čímž se stal první geneticky upravenou plodinou komerčně komerčně dostupnou v Evropě. V roce 1995 byly Bt brambory schváleny jako bezpečné Agenturou pro ochranu životního prostředí poté, co byly schváleny FDA, čímž se staly první plodinou produkující pesticidy schválenou v USA. V roce 2009 bylo komerčně pěstováno 11 transgenních plodin ve 25 zemích, z nichž největší podle pěstované plochy byly USA, Brazílie, Argentina, Indie, Kanada, Čína, Paraguay a Jižní Afrika.

V roce 2010 vytvořili vědci z Institutu J. Craiga Ventera první syntetický genom a vložili jej do prázdné bakteriální buňky. Výsledná bakterie, pojmenovaná Mycoplasma laboratorium, by se mohla replikovat a produkovat proteiny. O čtyři roky později to bylo učiněno o krok dále, když byla vyvinuta bakterie, která replikovala plazmid obsahující jedinečný pár bází, čímž vznikl první organismus navržený tak, aby používal rozšířenou genetickou abecedu. V roce 2012 Jennifer Doudna a Emmanuelle Charpentier spolupracovaly na vývoji systému CRISPR/Cas9, techniky, kterou lze použít ke snadné a specifické změně genomu téměř jakéhokoli organismu.

Proces

Polymerázová řetězová reakce je mocný nástroj používaný při molekulárním klonování

Vytvoření GMO je vícestupňový proces. Genetičtí inženýři si musí nejprve vybrat, jaký gen chtějí do organismu vložit. To je řízeno tím, jaký je cíl pro výsledný organismus, a je založeno na dřívějším výzkumu. Pro určení potenciálních genů lze provést genetické screeningy a další testy pak použít k identifikaci nejlepších kandidátů. Vývoj mikročipů, transkriptomiky a sekvenování genomu značně usnadnil nalezení vhodných genů. Svou roli hraje i štěstí; gen Roundup Ready byl objeven poté, co vědci zaznamenali bakterii prosperující v přítomnosti herbicidu.

Genová izolace a klonování

Dalším krokem je izolace kandidátního genu. Buňka obsahující gen je otevřena a DNA je purifikována . Gen je separován pomocí restrikčních enzymů k rozštěpení DNA na fragmenty nebo polymerázové řetězové reakce (PCR) k amplifikaci genového segmentu. Tyto segmenty pak mohou být extrahovány gelovou elektroforézou . Pokud byl vybraný gen nebo genom organismu dárce dobře prostudován, může být již dostupný z genetické knihovny . Pokud je sekvence DNA známa, ale nou k dispozici žádné kopie genu, může být také uměle syntetizována . Jakmile je gen izolován, je ligován do plazmidu, který je poté vložen do bakterie. Plazmid se replikuje, když se bakterie dělí, což zajišťuje dostupnost neomezených kopií genu. Plazmid RK2 je pozoruhodný svou schopností replikovat se v široké škále jednobuněčných organismů, díky čemuž je vhodný jako nástroj genetického inženýrství.

Než je gen vložen do cílového organismu, musí být kombinován s dalšími genetickými prvky. Ty zahrnují promotorovou a terminátorovou oblast, které iniciují a ukončují transkripci . Je přidán selektovatelný markerový gen, který ve většině případů uděluje rezistenci na antibiotika, takže vědci mohou snadno určit, které buňky byly úspěšně transformovány. Gen může být v této fázi také modifikován pro lepší expresi nebo účinnost. Tyto manipulace se provádějí za použití technik rekombinantní DNA, jako je restrikční štěpení, ligace a molekulární klonování.

Vložení DNA do genomu hostitele

Genová zbraň používá biolistiku k vložení DNA do rostlinné tkáně

Pro vložení genetického materiálu do hostitelského genomu se používá řada technik. Některé bakterie mohou přirozeně přijímat cizí DNA . Tato schopnost může být u jiných bakterií vyvolána stresem (např . tepelným nebo elektrickým šokem), který zvyšuje propustnost buněčné membrány pro DNA; up-take DNA se může buď integrovat s genomem nebo existovat jako extrachromozomální DNA . DNA se obecně vkládá do živočišných buněk pomocí mikroinjekce, kde může být vstříknuta přes buněčný jaderný obal přímo do jádra nebo pomocí virových vektorů .

Rostlinné genomy mohou být upraveny fyzikálními metodami nebo použitím Agrobacterium pro dodání sekvencí hostovaných v T-DNA binárních vektorech . V rostlinách je DNA často vkládána pomocí transformace zprostředkované Agrobacterium, přičemž se využívá sekvence T-DNA Agrobacterium, která umožňuje přirozené vložení genetického materiálu do rostlinných buněk. Jiné metody zahrnují biolistiku, kdeou částice zlata nebo wolframu potaženy DNA a poté vstřeleny do mladých rostlinných buněk, a elektroporace, která zahrnuje použití elektrického šoku, aby byla buněčná membrána propustná pro plasmidovou DNA.

Vzhledem k tomu, že genetickým materiálem je transformována pouze jedna buňka, musí být organismus z této jediné buňky regenerován . U rostlin je toho dosaženo pomocí tkáňové kultury . U zvířat je nutné zajistit, aby vložená DNA byla přítomna v embryonálních kmenových buňkách . Bakterie se skládají z jedné buňky a množí se klonálně, takže regenerace není nutná. Volitelné markery se používají ke snadnému odlišení transformovaných od netransformovaných buněk. Tyto markeryou obvykle přítomny v transgenním organismu, i když byla vyvinuta řada strategií, které mohou odstranit selekční marker ze zralé transgenní rostliny.

A. tumefaciens přichycující se k buňce mrkve

Pro potvrzení, že organismus obsahuje nový gen, se provádí další testování pomocí PCR, Southern hybridizace a sekvenování DNA . Tyto testy mohou také potvrdit chromozomální umístění a počet kopií vloženého genu. Přítomnost genu nezaručuje, že bude exprimován na vhodných úrovních v cílové tkáni, takže se používají také metody, které hledají a měří genové produkty (RNA a protein). Patří mezi ně Northern hybridizace, kvantitativní RT-PCR, Western blot, imunofluorescence, ELISA a fenotypová analýza.

Nový genetický materiál může být vložen náhodně do hostitelského genomu nebo zacílen na konkrétní místo. Technika genového cílení využívá homologní rekombinaci k provedení požadovaných změn specifického endogenního genu. K tomu dochází u rostlin a zvířat s relativně nízkou frekvencí a obecně vyžaduje použití volitelných markerů . Frekvenci genového cílení lze výrazně zvýšit úpravou genomu . Editace genomu využívá uměle upravené nukleázy, které vytvářejí specifické dvouvláknové zlomy na požadovaných místech v genomu, a využívají endogenní mechanismy buňky k opravě indukovaného zlomu přirozenými procesy homologní rekombinace a nehomologního spojování konců . Existují čtyři rodiny upravených nukleáz: meganukleázy, nukleázy se zinkovým prstem, efektorové nukleázy podobné aktivátoru transkripce (TALEN) a systém Cas9-guideRNA (upravený z CRISPR ). TALEN a CRISPRou dva nejčastěji používané a každý má své výhody. TALEN mají větší cílovou specifitu, zatímco CRISPR se snadněji navrhuje a je efektivnější. Kromě posílení genového cílení mohou být geneticky upravené nukleázy použity k zavedení mutací do endogenních genů, které generují genový knockout .

Aplikace

Genetické inženýrství má aplikace v medicíně, výzkumu, průmyslu a zemědělství a lze jej použít na širokou škálu rostlin, zvířat a mikroorganismů. Bakterie, první organismy, které byly geneticky modifikovány, mohou mít vloženou plazmidovou DNA obsahující nové geny, které kódují léky nebo enzymy, které zpracovávají potraviny a další substráty . Rostliny byly upraveny pro ochranu proti hmyzu, odolnost vůči herbicidům, odolnost vůči virům, zvýšenou výživu, toleranci vůči tlakům prostředí a výrobu jedlých vakcín . Většina komercializovaných GMOou plodiny odolné vůči hmyzu nebo herbicidům. Geneticky modifikovaná zvířata byla použita pro výzkum, modelování zvířat a výrobu zemědělských nebo farmaceutických produktů. Mezi geneticky modifikovaná zvířata patří zvířata s vyřazenými geny, zvýšenou náchylností k nemocem, hormony pro extra růst a schopností vylučovat bílkoviny v mléce.

Lék

Genetické inženýrství má mnoho aplikací v medicíně, které zahrnují výrobu léků, vytváření modelů zvířat, která napodobují lidské podmínky a genovou terapii . Jedním z prvních použití genetického inženýrství byla masová produkce lidského inzulínu v bakteriích. Tato aplikace byla nyní aplikována na lidské růstové hormony, folikuly stimulující hormony (pro léčbu neplodnosti), lidský albumin, monoklonální protilátky, antihemofilní faktory, vakcíny a mnoho dalších léků. Myší hybridomy, buňky fúzované dohromady, aby vytvořily monoklonální protilátky, byly upraveny pomocí genetického inženýrství k vytvoření lidských monoklonálních protilátek. Vyvíjejí se viry genetického inženýrství, které stále mohou poskytovat imunitu, ale postrádají infekční sekvence .

Genetické inženýrství se také používá k vytváření zvířecích modelů lidských nemocí. Geneticky modifikované myšiou nejběžnějším geneticky upraveným zvířecím modelem. Byly použity ke studiu a modelování rakoviny ( oncomouse ), obezity, srdečních chorob, cukrovky, artritidy, zneužívání návykových látek, úzkosti, stárnutí a Parkinsonovy choroby. Na těchto myších modelech lze testovat potenciální vyléčení.

Genová terapie je genetické inženýrství lidí, obecně nahrazením defektních genů účinnými. Klinický výzkum využívající somatickou genovou terapii byl prováděn u několika onemocnění, včetně X-vázané SCID, chronické lymfocytární leukémie (CLL) a Parkinsonovy choroby . V roce 2012 se Alipogene tiparvovec stal první léčbou genovou terapií, která byla schválena pro klinické použití. V roce 2015 byl použit virus k vložení zdravého genu do kožních buněk chlapce trpícího vzácným kožním onemocněním, epidermolysis bullosa, aby mohl růst, a poté naroubování zdravé kůže na 80 procent chlapcova těla, které bylo postiženo nemoc.

Zárodečná genová terapie by vedla k tomu, že jakákoli změna by byla dědičná, což vyvolalo obavy ve vědecké komunitě. V roce 2015 byl CRISPR použit k úpravě DNA neživotaschopných lidských embryí, což vede vědce z hlavních světových akademií k tomu, aby požadovali moratorium na úpravy dědičného lidského genomu. Existují také obavy, že by tato technologie mohla být použita nejen k léčbě, ale také k vylepšení, úpravě nebo změně vzhledu, přizpůsobivosti, inteligence, charakteru nebo chování lidských bytostí. Také může být obtížné stanovit rozdíl mezi léčbou a vylepšením. V listopadu 2018 He Jiankui oznámil, že upravil genomy dvou lidských embryí, aby se pokusil deaktivovat gen CCR5, který kóduje receptor, který HIV používá ke vstupu do buněk. Dílo bylo široce odsuzováno jako neetické, nebezpečné a předčasné. V současné době je modifikace zárodečné linie zakázána ve 40 zemích. Vědci, kteří provádějí tento typ výzkumu, často nechají embrya růst několik dní, aniž by jim umožnili vyvinout se v dítě.

Vědci pozměňují genom prasat, aby vyvolali růst lidských orgánů, s cílem zvýšit úspěšnost transplantace orgánů z prasete na lidské . Vědci vytvářejí „genové pohony“, mění genomy komárů, aby je učinili imunními vůči malárii, a poté se snaží rozšířit geneticky změněné komáry v celé populaci komárů v naději, že nemoc odstraní.

Výzkum

Lidské buňky, ve kterýchou některé proteiny fúzovány se zeleným fluorescenčním proteinem, aby bylo možné je vizualizovat

Genetické inženýrství je důležitým nástrojem pro přírodovědce, přičemž tvorba transgenních organismů je jedním z nejdůležitějších nástrojů pro analýzu funkce genů. Geny a další genetické informace z široké škály organismů mohou být vloženy do bakterií pro uložení a modifikaci, čímž se v procesu vytvoří geneticky modifikované bakterie . Bakterieou levné, snadno se pěstují, klonují se, rychle se množí, relativně snadno se transformují a lze je skladovat při -80 °C téměř neomezeně. Jakmile je gen izolován, může být uložen uvnitř bakterií, což poskytuje neomezenou zásobu pro výzkum.

Organismyou geneticky upraveny, aby objevily funkce určitých genů. Může to být vliv na fenotyp organismu, kde je gen exprimován nebo s jakými dalšími geny interaguje. Tyto experimenty obecně zahrnují ztrátu funkce, zisk funkce, sledování a expresi.

  • Experimenty se ztrátou funkce, jako je experiment s vyřazením genu, ve kterém je organismus navržen tak, aby postrádal aktivitu jednoho nebo více genů. V jednoduchém knockoutu byla kopie požadovaného genu změněna tak, aby byl nefunkční. Embryonální kmenové buňky obsahují změněný gen, který nahrazuje již přítomnou funkční kopii. Tyto kmenové buňkyou injikovány do blastocyst, kteréou implantovány do náhradních matek. To umožňuje experimentátorovi analyzovat defekty způsobené touto mutací a tím určit roli konkrétních genů. Zvláště často se používá ve vývojové biologii . Když se to provede vytvořením knihovny genů s bodovými mutacemi na každé pozici v oblasti zájmu, nebo dokonce na každé pozici v celém genu, nazývá se to „skenovací mutageneze“. Nejjednodušší metodou a první, která se má použít, je "ananinové skenování", kde je každá pozice postupně mutována na nereaktivní aminokyselinu alanin .
  • Experimenty se ziskem funkcí, logický protějšek knockoutů. Ty se někdy provádějí ve spojení s knockout experimenty, aby se přesněji stanovila funkce požadovaného genu. Proces je v podstatě stejný jako v knockout inženýrství, kromě toho, že konstrukt je navržen tak, aby zvýšil funkci genu, obvykle poskytnutím dalších kopií genu nebo častějším indukováním syntézy proteinu. Zisk funkce se používá k určení, zda protein je nebo není dostatečný pro funkci, ale ne vždy znamená, že je to nutné, zvláště když se jedná o genetickou nebo funkční redundanci.
  • Sledovací experimenty, které se snaží získat informace o lokalizaci a interakci požadovaného proteinu. Jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je nahradit gen divokého typu „fúzním“ genem, což je juxtapozice genu divokého typu s reportujícím prvkem, jako je zelený fluorescenční protein (GFP), který umožní snadnou vizualizaci produktů. genetické modifikace. I když je to užitečná technika, manipulace může zničit funkci genu, vytvořit sekundární efekty a možná zpochybnit výsledky experimentu. Nyníou ve vývoji sofistikovanější techniky, které dokážou sledovat proteinové produkty bez omezení jejich funkce, jako je přidání malých sekvencí, které budou sloužit jako vazebné motivy k monoklonálním protilátkám.
  • Cílem studií exprese je zjistit, kde a kdyou produkovány specifické proteiny. V těchto experimentech je sekvence DNA před DNA, která kóduje protein, známý jako promotor genu, znovu zavedena do organismu, přičemž oblast kódující protein je nahrazena reportérovým genem, jako je GFP nebo enzymem, který katalyzuje produkci barviva. . Lze tak pozorovat čas a místo, kde je produkován konkrétní protein. Studie exprese mohou být provedeny o krok dále změnou promotoru, aby se zjistilo, které částiou klíčové pro správnou expresi genu aou skutečně vázány proteiny transkripčních faktorů; tento proces je známý jako bití promotorem .

Průmyslový

Produkty genetického inženýrství

Organismy mohou mít své buňky transformované genem kódujícím užitečný protein, jako je enzym, takže budou nadměrně exprimovat požadovaný protein. Masová množství proteinu lze poté vyrobit pěstováním transformovaného organismu v zařízení bioreaktoru za použití průmyslové fermentace a poté čištěním proteinu. Některé geny v bakteriích nefungují dobře, takže lze použít i buňky kvasinek, hmyzu nebo savců. Tyto techniky se používají k výrobě léků, jako je inzulín, lidský růstový hormon a vakcíny, doplňky, jako je tryptofan, pomoc při výrobě potravin ( chymosin při výrobě sýrů) a paliv. Jiné aplikace s geneticky upravenými bakteriemi by mohly zahrnovat přimět je k provádění úkolů mimo jejich přirozený cyklus, jako je výroba biopaliv, čištění ropných skvrn, uhlíku a jiného toxického odpadu a zjišťování arsenu v pitné vodě. Určité geneticky modifikované mikroby mohou být také použity v biotěžbě a bioremediaci, a to díky jejich schopnosti extrahovat těžké kovy ze svého prostředí a začlenit je do sloučenin, kteréou snadněji obnovitelné.

Ve vědě o materiálech byl geneticky modifikovaný virus použit ve výzkumné laboratoři jako lešení pro sestavení lithium-iontové baterie šetrnější k životnímu prostředí . Bakterie byly také navrženy tak, aby fungovaly jako senzory exprimováním fluorescenčního proteinu za určitých podmínek prostředí.

Zemědělství

Bt-toxiny přítomné v listech podzemnice olejné (spodní obrázek) ji chrání před rozsáhlým poškozením způsobeným
larvami zavíječe kukuřičného (obrázek nahoře).

Jednou z nejznámějších a nejkontroverznějších aplikací genetického inženýrství je vytváření a používání geneticky modifikovaných plodin nebo geneticky modifikovaných hospodářských zvířat k výrobě geneticky modifikovaných potravin . Plodiny byly vyvinuty pro zvýšení produkce, zvýšení tolerance vůči abiotickým stresům, změnu složení potravin nebo pro výrobu nových produktů.

První plodiny komerčně dostupné ve velkém měřítku poskytovaly ochranu před hmyzími škůdci nebo toleranci k herbicidům . Byly také vyvinuty neboou ve vývoji plodiny odolné vůči plísním a virům. To usnadňuje ochranu plodin proti hmyzu a plevelům a může nepřímo zvýšit výnos plodin. Ve vývojiou také GM plodiny, které přímo zlepšují výnos urychlením růstu nebo zvýšením odolnosti rostliny (zlepšením odolnosti vůči soli, chladu nebo suchu). V roce 2016 byl losos geneticky modifikován růstovými hormony, aby dosáhl normální velikosti pro dospělé mnohem rychleji.

Byly vyvinuty GMO, které modifikují kvalitu produkce zvýšením nutriční hodnoty nebo poskytnutím průmyslově užitečnějších vlastností nebo množství. Brambor Amflora produkuje průmyslově užitečnější směs škrobů. Sójové boby a řepka byly geneticky modifikovány, aby produkovaly více zdravých olejů. První komercializovanou GM potravinou bylo rajče, které zpozdilo zrání a prodloužilo jeho trvanlivost .

Rostliny a zvířata byly navrženy tak, aby produkovaly materiály, které běžně nevyrábějí. Pharming využívá plodiny a zvířata jako bioreaktory k výrobě vakcín, meziproduktů léků nebo samotných léků; užitečný produkt je purifikován ze sklizně a poté použit ve standardním farmaceutickém výrobním procesu. Krávy a kozy byly navrženy tak, aby ve svém mléce exprimovaly léky a jiné bílkoviny, a v roce 2009 FDA schválil lék vyrobený v kozím mléce.

Jiné aplikace

Genetické inženýrství má potenciální aplikace v ochraně přírody a managementu přírodních oblastí. Genový přenos prostřednictvím virových vektorů byl navržen jako prostředek kontroly invazivních druhů a také jako vakcinace ohrožené fauny proti chorobám. Transgenní stromy byly navrženy jako způsob, jak udělit odolnost vůči patogenům u divokých populací. S rostoucími riziky maladaptace v organismech v důsledku změny klimatu a dalších poruch by mohla být usnadněná adaptace prostřednictvím vyladění genů jedním z řešení, jak snížit rizika vyhynutí. Aplikace genetického inženýrství v konzervaciou zatím převážně teoretické a teprve musí být uvedeny do praxe.

Genetické inženýrství se také používá k vytvoření mikrobiálního umění . Některé bakterie byly geneticky upraveny tak, aby vytvářely černobílé fotografie. Pomocí genetického inženýrství byly také vyrobeny novinky, jakoou karafiáty v barvě levandule, modré růže a zářící ryby .

Nařízení

Regulace genetického inženýrství se týká přístupů přijatých vládami k hodnocení a řízení rizik spojených s vývojem a uvolňováním GMO. Vývoj regulačního rámce začal v roce 1975 v Asilomaru v Kalifornii. Zasedání Asilomar doporučilo soubor dobrovolných pokynů týkajících se použití rekombinantní technologie. Jak se technologie zlepšovala, USA ustavily výbor při Úřadu pro vědu a technologii, který přidělil regulační schválení GM potravin USDA, FDA a EPA. Cartagenský protokol o biologické bezpečnosti, mezinárodní smlouva, která upravuje přenos, manipulaci a používání GMO, byl přijat dne 29. ledna 2000. Členy protokolu je 157 zemí a mnohé jej používají jako referenční bod pro své vlastní předpisy.

Právní a regulační status GM potravin se v jednotlivých zemích liší, některé země je zakazují nebo omezují a jiné je povolují s velmi odlišným stupněm regulace. Některé země povolují dovoz GM potravin s povolením, ale buď neumožňují jejich pěstování (Rusko, Norsko, Izrael), nebo mají opatření pro pěstování, i když se zatím žádné GM produkty nevyrábějí (Japonsko, Jižní Korea). Většina zemí, které nepovolují pěstování GMO, výzkum povoluje. Některé z nejvýraznějších rozdílů se vyskytují mezi USA a Evropou. Politika USA se zaměřuje na produkt (nikoli na proces), sleduje pouze ověřitelná vědecká rizika a používá koncept podstatné ekvivalence . Evropská unie má naproti tomu možná nejpřísnější předpisy o GMO na světě. Všechny GMO spolu s ozářenými potravinamiou považovány za „nové potraviny“ a podléhají rozsáhlému, případ od případu, vědecky podloženému hodnocení potravin Evropským úřadem pro bezpečnost potravin . Kritéria pro povolení spadají do čtyř širokých kategorií: „bezpečnost“, „svoboda volby“, „označování“ a „sledovatelnost“. Úroveň regulace v jiných zemích, které pěstují GMO, leží mezi Evropou a Spojenými státy.

Regulační agentury podle zeměpisné oblasti
Kraj Regulátoři Poznámky
NÁS USDA, FDA a EPA
Evropa Evropský úřad pro bezpečnost potravin
Kanada Health Canada a Kanadská agentura pro kontrolu potravin Regulované produkty s novými vlastnostmi bez ohledu na způsob původu
Afrika Společný trh pro východní a jižní Afriku Konečné rozhodnutí je na každé jednotlivé zemi.
Čína Úřad správy biologické bezpečnosti zemědělského genetického inženýrství
Indie Institucionální výbor pro biologickou bezpečnost, Revizní výbor pro genetické manipulace a Výbor pro schválení genetického inženýrství
Argentina National Agricultural Biotechnology Advisory Committee (dopad na životní prostředí), National Service of Health and Agrofood Quality (bezpečnost potravin) a National Agribusiness Direction (vliv na obchod) Konečné rozhodnutí učinil sekretariát zemědělství, chovu dobytka, rybolovu a potravinářství.
Brazílie Národní technická komise pro biologickou bezpečnost (životní prostředí a bezpečnost potravin) a Rada ministrů (obchodní a ekonomické otázky)
Austrálie Office of the Gene Technology Regulator (dohlíží na všechny GM produkty), Therapeutic Goods Administration (GM léky) a Food Standards Australia Nový Zéland (GM potraviny). Vlády jednotlivých států pak mohou posoudit dopad uvolnění na trhy a obchod a aplikovat další legislativu na kontrolu schválených geneticky modifikovaných produktů.

Jednou z klíčových otázek týkajících se regulátorů je, zda by měly být GM produkty označovány. Evropská komise říká, že povinné označování a sledovatelnostou potřebné, aby umožnily informovaný výběr, zamezily potenciální falešné reklamě a usnadnily stažení produktů, pokudou objeveny nepříznivé účinky na zdraví nebo životní prostředí. Americká lékařská asociace a Americká asociace pro rozvoj vědy tvrdí, že chybějící vědecké důkazy o škodlivosti, dokonce i dobrovolné označování,ou zavádějící a falešně znepokojují spotřebitele. Označování GMO produktů na trhu je vyžadováno v 64 zemích. Označování může být povinné až do prahové úrovně obsahu GM (která se mezi zeměmi liší) nebo dobrovolné. V Kanadě a USA je označování GM potravin dobrovolné, zatímco v Evropě musí být označeny všechny potraviny (včetně zpracovaných potravin ) nebo krmiva, které obsahují více než 0,9 % schválených GMO.

Kontroverze

Kritici namítali proti použití genetického inženýrství z několika důvodů, včetně etických, ekologických a ekonomických zájmů. Mnohé z těchto obav se týkají GM plodin a toho, zdaou potraviny vyrobené z nich bezpečné a jaký dopad bude mít jejich pěstování na životní prostředí. Tyto kontroverze vedly k soudním sporům, mezinárodním obchodním sporům a protestům a v některých zemích k restriktivní regulaci komerčních produktů.

Obvinění, že si vědci „ hrají na Boha “ a další náboženské problémy, byla od počátku připisována technologii. Mezi další etické otázky patří patentování života, využívání práv duševního vlastnictví, úroveň označování výrobků, kontrola dodávek potravin a objektivita regulačního procesu. Ačkoli byly vzneseny pochybnosti, z ekonomického hlediska většina studií zjistila, že pěstování GM plodin je pro zemědělce prospěšné.

Tok genů mezi GM plodinami a kompatibilními rostlinami může spolu se zvýšeným používáním selektivních herbicidů zvýšit riziko rozvoje „ superplevelů “. Další environmentální problémy zahrnují potenciální dopady na necílové organismy, včetně půdních mikrobů, a nárůst sekundárních a odolných hmyzích škůdců. Pochopení mnoha dopadů na životní prostředí v souvislosti s GM plodinami může trvat mnoho let aou také zřejmé v konvenčních zemědělských postupech. S komercializací geneticky modifikovaných ryb existují obavy, jaké budou důsledky pro životní prostředí, pokud uniknou.

Existují tři hlavní obavy ohledně bezpečnosti geneticky modifikovaných potravin: zda mohou vyvolat alergickou reakci ; zda by se geny mohly přenést z potravy do lidských buněk; a zda by se geny neschválené pro lidskou spotřebu mohly křížit s jinými plodinami. Existuje vědecký konsenzus, že v současnosti dostupné potraviny získané z GM plodin nepředstavují pro lidské zdraví větší riziko než konvenční potraviny, ale že každá GM potravina musí být před zavedením případ od případu testována. Přesto je u veřejnosti méně pravděpodobné než u vědců, že budou vnímat GM potraviny jako bezpečné.

V populární kultuře

Genetické inženýrství se objevuje v mnoha příbězích sci-fi . Román Franka Herberta Bílý mor popisuje záměrné použití genetického inženýrství k vytvoření patogenu, který specificky zabíjí ženy. Další z Herbertových výtvorů, série románů Duna, využívá genetické inženýrství k vytvoření mocných Tleilaxanů . Jen málo filmů informovalo diváky o genetickém inženýrství, s výjimkou filmu The Boys z Brazílie z roku 1978 a Jurského parku z roku 1993, které oba využívají lekci, ukázku a klip vědeckého filmu. Metody genetického inženýrstvíou ve filmu zastoupeny slabě; Michael Clark, píšící pro Wellcome Trust, nazývá zobrazení genetického inženýrství a biotechnologie „vážně zkreslené“ ve filmech, jako je 6. den . Podle Clarkova názoru je biotechnologie typicky „dána fantastickými, ale vizuálně přitažlivými formami“, zatímco věda je buď odsunuta do pozadí, nebo beletrizována tak, aby vyhovovala mladému publiku.

Ve videohře BioShock z roku 2007 hraje genetické inženýrství důležitou roli v ústředním příběhu a vesmíru. Hra se odehrává ve fiktivní podvodní dystopii Rapture, ve které její obyvatelé disponují genetickými nadlidskými schopnostmi poté, co do sebe vstříkli „plazmidy“, sérum, které takové schopnosti poskytuje. Ve městě Raptureou také „Little Sisters“, malé holčičky, kteréou genericky upraveny, stejně jako vedlejší spiknutí, ve kterém kabaretní zpěvačka prodává svůj plod genetickým vědcům, kteří implantují falešné vzpomínky do novorozence a geneticky jej upravují, aby vyrostlo. do dospělého.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy