Genetische manipulatie -Genetic engineering

Van Wikipedia, de gratis encyclopedie

Genetische manipulatie, ook wel genetische modificatie of genetische manipulatie genoemd, is de wijziging en manipulatie van de genen van een organisme met behulp van technologie . Het is een reeks technologieën die worden gebruikt om de genetische samenstelling van cellen te veranderen, inclusief de overdracht van genen binnen en over de grenzen van soorten om verbeterde of nieuwe organismen te produceren . Nieuw DNA wordt verkregen door het genetische materiaal van belang te isoleren en te kopiëren met behulp van recombinant-DNA- methoden of door het DNA kunstmatig te synthetiseren . Gewoonlijk wordt een construct gemaakt en gebruikt om dit DNA in het gastheerorganisme in te voegen. Het eerste recombinante DNA-molecuul werd in 1972 door Paul Berg gemaakt door DNA van het apenvirus SV40 te combineren met het lambdavirus . Naast het inbrengen van genen, kan het proces worden gebruikt om genen te verwijderen of " uit te schakelen ". Het nieuwe DNA kan willekeurig worden ingebracht of gericht op een specifiek deel van het genoom .

Een organisme dat is gegenereerd door middel van genetische manipulatie wordt beschouwd als genetisch gemodificeerd (GM) en de resulterende entiteit is een genetisch gemodificeerd organisme (GGO). De eerste GGO was een bacterie die in 1973 werd gegenereerd door Herbert Boyer en Stanley Cohen . Rudolf Jaenisch creëerde het eerste genetisch gemodificeerde dier toen hij in 1974 vreemd DNA in een muis plaatste. Het eerste bedrijf dat zich richtte op genetische manipulatie, Genentech, werd opgericht in 1976 en begonnen met de productie van menselijke eiwitten. Genetisch gemanipuleerde humane insuline werd in 1978 geproduceerd en insulineproducerende bacteriën werden in 1982 op de markt gebracht. Genetisch gemodificeerd voedsel wordt sinds 1994 verkocht, met de introductie van de Flavr Savr - tomaat. De Flavr Savr is ontworpen om een ​​langere houdbaarheid te hebben, maar de meeste huidige gg-gewassen zijn aangepast om de weerstand tegen insecten en herbiciden te vergroten. GloFish, het eerste GGO ontworpen als huisdier, werd in december 2003 in de Verenigde Staten verkocht. In 2016 werd zalm verkocht die gemodificeerd was met een groeihormoon.

Genetische manipulatie is toegepast op tal van gebieden, waaronder onderzoek, geneeskunde, industriële biotechnologie en landbouw. In onderzoek worden GGO's gebruikt om genfunctie en expressie te bestuderen door middel van functieverlies, functiewinst, tracking en expressie-experimenten. Door genen die verantwoordelijk zijn voor bepaalde aandoeningen uit te schakelen, is het mogelijk om diermodelorganismen van menselijke ziekten te creëren. Naast het produceren van hormonen, vaccins en andere medicijnen, heeft genetische manipulatie het potentieel om genetische ziekten te genezen door middel van gentherapie . Dezelfde technieken die worden gebruikt om medicijnen te produceren, kunnen ook industriële toepassingen hebben, zoals het produceren van enzymen voor wasmiddelen, kazen en andere producten.

De opkomst van gecommercialiseerde genetisch gemodificeerde gewassen heeft boeren in veel verschillende landen economisch voordeel opgeleverd, maar was ook de bron van de meeste controverse rond de technologie. Dit is aanwezig sinds het vroege gebruik; de eerste veldproeven werden vernietigd door anti-ggo-activisten. Hoewel er een wetenschappelijke consensus bestaat dat het momenteel beschikbare voedsel dat is afgeleid van genetisch gemodificeerde gewassen geen groter risico vormt voor de menselijke gezondheid dan conventioneel voedsel, is de veiligheid van genetisch gemodificeerd voedsel een belangrijk punt van zorg bij critici. Genenstroom, impact op niet-doelwitorganismen, controle van de voedselvoorziening en intellectuele eigendomsrechten zijn ook naar voren gebracht als mogelijke problemen. Deze zorgen hebben geleid tot de ontwikkeling van een regelgevend kader, dat in 1975 van start is gegaan. Het heeft geleid tot een internationaal verdrag, het Cartagena-protocol inzake bioveiligheid, dat in 2000 is aangenomen. Individuele landen hebben hun eigen regelgevende systemen met betrekking tot GGO's ontwikkeld, met de meest opvallende verschillen tussen de VS en Europa.

IUPAC- definitie

Genetische manipulatie : Proces waarbij nieuwe genetische informatie in bestaande cellen wordt ingebracht om een ​​specifiek organisme te modificeren met als doel de kenmerken ervan te veranderen.

Opmerking : Aangepast van ref.

Overzicht

Vergelijking conventionele plantenveredeling met transgene en cisgene genetische modificatie

Genetische manipulatie is een proces dat de genetische structuur van een organisme verandert door DNA te verwijderen of te introduceren, of bestaand genetisch materiaal in situ te wijzigen. In tegenstelling tot traditionele dier- en plantenveredeling, waarbij meerdere kruisingen worden gedaan en vervolgens op het organisme met het gewenste fenotype wordt geselecteerd, neemt genetische manipulatie het gen rechtstreeks van het ene organisme en levert het aan het andere. Dit is veel sneller, kan worden gebruikt om genen van elk organisme (zelfs die van verschillende domeinen ) in te voegen en voorkomt dat ook andere ongewenste genen worden toegevoegd.

Genetische manipulatie zou mogelijk ernstige genetische aandoeningen bij mensen kunnen oplossen door het defecte gen te vervangen door een functionerend gen. Het is een belangrijk hulpmiddel in onderzoek waarmee de functie van specifieke genen kan worden bestudeerd. Geneesmiddelen, vaccins en andere producten zijn geoogst van organismen die zijn ontwikkeld om ze te produceren. Er zijn gewassen ontwikkeld die de voedselzekerheid bevorderen door de opbrengst, voedingswaarde en tolerantie voor omgevingsstress te verhogen.

Het DNA kan direct in het gastheerorganisme worden ingebracht of in een cel die vervolgens wordt gefuseerd of gehybridiseerd met de gastheer. Dit berust op recombinante nucleïnezuurtechnieken om nieuwe combinaties van erfelijk genetisch materiaal te vormen, gevolgd door de opname van dat materiaal, hetzij indirect via een vectorsysteem, hetzij rechtstreeks via micro-injectie, macro-injectie of micro-inkapseling .

Genetische manipulatie omvat normaal gesproken geen traditionele veredeling, in-vitrofertilisatie, inductie van polyploïdie, mutagenese en celfusietechnieken die geen gebruik maken van recombinante nucleïnezuren of een genetisch gemodificeerd organisme in het proces. Sommige brede definities van genetische manipulatie omvatten echter selectief fokken . Klonen en stamcelonderzoek, hoewel niet beschouwd als genetische manipulatie, zijn nauw verwant en genetische manipulatie kan binnen hen worden gebruikt. Synthetische biologie is een opkomende discipline die genetische manipulatie een stap verder brengt door kunstmatig gesynthetiseerd materiaal in een organisme te introduceren.

Planten, dieren of micro-organismen die door genetische manipulatie zijn veranderd, worden genetisch gemodificeerde organismen of GGO's genoemd. Als genetisch materiaal van een andere soort aan de gastheer wordt toegevoegd, wordt het resulterende organisme transgeen genoemd . Als genetisch materiaal wordt gebruikt van dezelfde soort of een soort die zich van nature met de gastheer kan voortplanten, wordt het resulterende organisme cisgeen genoemd . Als genetische manipulatie wordt gebruikt om genetisch materiaal van het doelorganisme te verwijderen, wordt het resulterende organisme een knock -outorganisme genoemd . In Europa is genetische modificatie synoniem met genetische manipulatie, terwijl in de Verenigde Staten van Amerika en Canada genetische modificatie ook kan worden gebruikt om te verwijzen naar meer conventionele fokmethoden.

Geschiedenis

Mensen hebben het genoom van soorten gedurende duizenden jaren veranderd door selectief fokken, of kunstmatige selectie in tegenstelling tot natuurlijke selectie . Meer recentelijk heeft mutatieveredeling blootstelling aan chemicaliën of straling gebruikt om een ​​hoge frequentie van willekeurige mutaties te produceren, voor selectieve kweekdoeleinden. Genetische manipulatie als de directe manipulatie van DNA door mensen buiten fokken en mutaties bestaat pas sinds de jaren zeventig. De term "genetische manipulatie" werd voor het eerst bedacht door Jack Williamson in zijn sciencefictionroman Dragon 's Island, gepubliceerd in 1951 - een jaar voordat de rol van DNA in erfelijkheid werd bevestigd door Alfred Hershey en Martha Chase, en twee jaar voordat James Watson en Francis Crick toonden dat het DNA -molecuul een dubbele helixstructuur heeft – hoewel het algemene concept van directe genetische manipulatie in rudimentaire vorm werd onderzocht in het sciencefictionverhaal Proteus Island van Stanley G. Weinbaum uit 1936 .

In 1974 creëerde Rudolf Jaenisch een genetisch gemodificeerde muis, het eerste genetisch gemodificeerde dier.

In 1972 creëerde Paul Berg de eerste recombinante DNA- moleculen door DNA van het apenvirus SV40 te combineren met dat van het lambda-virus . In 1973 creëerden Herbert Boyer en Stanley Cohen het eerste transgene organisme door antibioticaresistentiegenen in te voegen in het plasmide van een Escherichia coli- bacterie. Een jaar later creëerde Rudolf Jaenisch een transgene muis door vreemd DNA in zijn embryo te introduceren, waardoor het 's werelds eerste transgene dier werd. in 1975. Een van de belangrijkste aanbevelingen van deze bijeenkomst was dat overheidstoezicht op recombinant DNA-onderzoek moest worden ingesteld totdat de technologie veilig werd geacht.

In 1976 werd Genentech, het eerste genetische manipulatiebedrijf, opgericht door Herbert Boyer en Robert Swanson en een jaar later produceerde het bedrijf een menselijk eiwit ( somatostatine ) in E. coli . Genentech kondigde in 1978 de productie van genetisch gemanipuleerde humane insuline aan. In 1980 oordeelde het Amerikaanse Hooggerechtshof in de zaak Diamond v. Chakrabarty dat genetisch veranderd leven gepatenteerd kon worden. De door bacteriën geproduceerde insuline werd in 1982 goedgekeurd voor vrijgave door de Food and Drug Administration (FDA).

In 1983 vroeg een biotechbedrijf, Advanced Genetic Sciences (AGS), de Amerikaanse overheid om toestemming om veldtesten uit te voeren met de vrije stam van Pseudomonas syringae om gewassen tegen vorst te beschermen, maar milieugroeperingen en demonstranten stelden de veldtesten vier jaar uit met juridische uitdagingen. In 1987 werd de min-stam van P. syringae het eerste genetisch gemodificeerde organisme (GGO) dat in het milieu terechtkwam toen een aardbeienveld en een aardappelveld in Californië ermee werden besproeid. Beide proefvelden werden de nacht voor de tests aangevallen door actiegroepen: "The world's first trial site trok the world's first field trasher".

De eerste veldproeven met genetisch gemanipuleerde planten vonden plaats in Frankrijk en de VS in 1986, tabaksplanten werden gemanipuleerd om resistent te zijn tegen herbiciden . De Volksrepubliek China was het eerste land dat transgene planten op de markt bracht en introduceerde in 1992 een virusresistente tabak. In 1994 kreeg Calgene de goedkeuring om het eerste genetisch gemodificeerde voedsel, de Flavr Savr, commercieel op de markt te brengen, een tomaat die is ontwikkeld om langer houdbaar te zijn. . In 1994 keurde de Europese Unie tabak goed die was ontwikkeld om resistent te zijn tegen het herbicide bromoxynil, waarmee het het eerste genetisch gemanipuleerde gewas is dat in Europa op de markt wordt gebracht. In 1995 werd Bt-aardappel veilig goedgekeurd door de Environmental Protection Agency, na goedkeuring door de FDA, waardoor het het eerste gewas dat pesticiden produceert in de VS werd goedgekeurd. In 2009 werden 11 transgene gewassen commercieel geteeld in 25 landen, waarvan de grootste per areaal de VS, Brazilië, Argentinië, India, Canada, China, Paraguay en Zuid-Afrika waren.

In 2010 creëerden wetenschappers van het J. Craig Venter Institute het eerste synthetische genoom en plaatsten het in een lege bacteriële cel. De resulterende bacterie, Mycoplasma laboratorium genaamd, kon zich vermenigvuldigen en eiwitten produceren. Vier jaar later ging dit nog een stap verder toen een bacterie werd ontwikkeld die een plasmide met een uniek basenpaar repliceerde, waarmee het eerste organisme werd gecreëerd dat is ontwikkeld om een ​​uitgebreid genetisch alfabet te gebruiken. In 2012 werkten Jennifer Doudna en Emmanuelle Charpentier samen aan de ontwikkeling van het CRISPR/Cas9 -systeem, een techniek waarmee het genoom van bijna elk organisme gemakkelijk en specifiek kan worden gewijzigd.

Proces

Polymerasekettingreactie is een krachtig hulpmiddel dat wordt gebruikt bij moleculair klonen

Het creëren van een GGO is een proces dat uit meerdere stappen bestaat. Genetische ingenieurs moeten eerst kiezen welk gen ze in het organisme willen inbrengen. Dit wordt gedreven door wat het doel is voor het resulterende organisme en is gebaseerd op eerder onderzoek. Er kunnen genetische screenings worden uitgevoerd om potentiële genen te bepalen en verdere tests kunnen vervolgens worden gebruikt om de beste kandidaten te identificeren. De ontwikkeling van microarrays, transcriptomics en genoomsequencing heeft het veel gemakkelijker gemaakt om geschikte genen te vinden. Geluk speelt ook een rol; het Roundup Ready -gen werd ontdekt nadat wetenschappers een bacterie zagen floreren in de aanwezigheid van het herbicide.

Genisolatie en klonen

De volgende stap is het isoleren van het kandidaatgen. De cel met het gen wordt geopend en het DNA wordt gezuiverd. Het gen wordt gescheiden door restrictie-enzymen te gebruiken om het DNA in fragmenten te knippen of door polymerasekettingreactie (PCR) om het gensegment te versterken. Deze segmenten kunnen vervolgens worden geëxtraheerd door middel van gelelektroforese . Als het gekozen gen of het genoom van het donororganisme goed is bestudeerd, kan het al toegankelijk zijn vanuit een genetische bibliotheek . Als de DNA-sequentie bekend is, maar geen kopieën van het gen beschikbaar zijn, kan het ook kunstmatig worden gesynthetiseerd . Eenmaal geïsoleerd wordt het gen geligeerd in een plasmide dat vervolgens in een bacterie wordt ingebracht. Het plasmide wordt gerepliceerd wanneer de bacteriën zich delen, zodat er onbeperkte kopieën van het gen beschikbaar zijn. Het RK2-plasmide staat bekend om zijn vermogen om te repliceren in een grote verscheidenheid aan eencellige organismen, waardoor het geschikt is als hulpmiddel voor genetische manipulatie.

Voordat het gen in het doelorganisme wordt ingebracht, moet het worden gecombineerd met andere genetische elementen. Deze omvatten een promotor- en terminatorregio, die transcriptie initiëren en beëindigen . Er wordt een selecteerbaar markergen toegevoegd, dat in de meeste gevallen antibioticaresistentie geeft, zodat onderzoekers gemakkelijk kunnen bepalen welke cellen met succes zijn getransformeerd. Het gen kan in dit stadium ook worden gemodificeerd voor een betere expressie of effectiviteit. Deze manipulaties worden uitgevoerd met behulp van recombinant-DNA- technieken, zoals restrictiedigesten, ligaties en moleculaire klonering.

DNA inbrengen in het gastheergenoom

Een genenkanon gebruikt biolisten om DNA in plantenweefsel te plaatsen

Er zijn een aantal technieken die worden gebruikt om genetisch materiaal in het gastheergenoom in te voegen. Sommige bacteriën kunnen van nature vreemd DNA opnemen . Dit vermogen kan bij andere bacteriën worden geïnduceerd via stress (bijv. thermische of elektrische schok), waardoor de permeabiliteit van het celmembraan voor DNA toeneemt; opgenomen DNA kan ofwel integreren met het genoom of bestaan ​​als extrachromosomaal DNA . DNA wordt over het algemeen in dierlijke cellen ingebracht met behulp van micro- injectie, waar het via de nucleaire envelop van de cel rechtstreeks in de kern kan worden geïnjecteerd, of door het gebruik van virale vectoren .

Plantengenomen kunnen worden gemanipuleerd door fysieke methoden of door gebruik van Agrobacterium voor de levering van sequenties die worden gehost in binaire T-DNA-vectoren . In planten wordt het DNA vaak ingevoegd met behulp van Agrobacterium - gemedieerde transformatie, waarbij gebruik wordt gemaakt van de T -DNA- sequentie van Agrobacterium die natuurlijke invoeging van genetisch materiaal in plantencellen mogelijk maakt. Andere methoden zijn biolistics, waarbij deeltjes van goud of wolfraam worden gecoat met DNA en vervolgens in jonge plantencellen worden geschoten, en elektroporatie, waarbij een elektrische schok wordt gebruikt om het celmembraan doorlaatbaar te maken voor plasmide-DNA.

Omdat slechts een enkele cel wordt getransformeerd met genetisch materiaal, moet het organisme uit die enkele cel worden geregenereerd . Bij planten gebeurt dit door middel van weefselkweek . Bij dieren is het noodzakelijk ervoor te zorgen dat het ingebrachte DNA in de embryonale stamcellen aanwezig is . Bacteriën bestaan ​​uit een enkele cel en planten zich klonaal voort, zodat regeneratie niet nodig is. Selecteerbare markers worden gebruikt om gemakkelijk getransformeerde van niet-getransformeerde cellen te onderscheiden. Deze markers zijn gewoonlijk aanwezig in het transgene organisme, hoewel er een aantal strategieën zijn ontwikkeld die de selecteerbare marker van de volgroeide transgene plant kunnen verwijderen.

A. tumefaciens hecht zich aan een wortelcel

Verdere tests met behulp van PCR, Southern-hybridisatie en DNA-sequencing worden uitgevoerd om te bevestigen dat een organisme het nieuwe gen bevat. Deze tests kunnen ook de chromosomale locatie en het kopienummer van het ingevoegde gen bevestigen. De aanwezigheid van het gen garandeert niet dat het op geschikte niveaus tot expressie zal worden gebracht in het doelweefsel, dus worden ook methoden gebruikt die de genproducten (RNA en eiwit) zoeken en meten. Deze omvatten Northern hybridisatie, kwantitatieve RT-PCR, Western blot, immunofluorescentie, ELISA en fenotypische analyse.

Het nieuwe genetische materiaal kan willekeurig in het gastheergenoom worden ingebracht of op een specifieke locatie worden gericht. De techniek van gentargeting maakt gebruik van homologe recombinatie om gewenste veranderingen aan te brengen in een specifiek endogeen gen. Dit komt meestal in een relatief lage frequentie voor bij planten en dieren en vereist in het algemeen het gebruik van selecteerbare markers . De frequentie van gentargeting kan aanzienlijk worden verbeterd door middel van genoombewerking . Genoombewerking maakt gebruik van kunstmatig gemanipuleerde nucleasen die specifieke dubbelstrengs breuken creëren op gewenste locaties in het genoom, en de endogene mechanismen van de cel gebruiken om de geïnduceerde breuk te herstellen door de natuurlijke processen van homologe recombinatie en niet-homologe end-joining . Er zijn vier families van gemanipuleerde nucleasen: meganucleasen, zinkvingernucleasen, transcriptie-activator-achtige effector-nucleasen (TALEN's) en het Cas9-guideRNA-systeem (aangepast van CRISPR ). TALEN en CRISPR zijn de twee meest gebruikte en hebben elk hun eigen voordelen. TALEN's hebben een grotere doelspecificiteit, terwijl CRISPR gemakkelijker te ontwerpen en efficiënter is. Naast het verbeteren van gentargeting, kunnen gemanipuleerde nucleasen worden gebruikt om mutaties te introduceren bij endogene genen die een gen-knock-out genereren .

Toepassingen

Genetische manipulatie heeft toepassingen in de geneeskunde, onderzoek, industrie en landbouw en kan worden toegepast op een breed scala aan planten, dieren en micro-organismen. Bij bacteriën, de eerste genetisch gemodificeerde organismen, kan plasmide-DNA worden ingebracht met daarin nieuwe genen die coderen voor medicijnen of enzymen die voedsel en andere substraten verwerken . Planten zijn aangepast voor bescherming tegen insecten, resistentie tegen herbiciden, virusresistentie, verbeterde voeding, tolerantie voor milieudruk en de productie van eetbare vaccins . De meeste gecommercialiseerde GGO's zijn insectenresistente of herbicidetolerante gewassen. Genetisch gemodificeerde dieren zijn gebruikt voor onderzoek, modeldieren en de productie van landbouw- of farmaceutische producten. De genetisch gemodificeerde dieren zijn onder andere dieren met genen die zijn uitgeschakeld, verhoogde vatbaarheid voor ziekten, hormonen voor extra groei en het vermogen om eiwitten in hun melk tot expressie te brengen.

Geneesmiddel

Genetische manipulatie heeft veel toepassingen in de geneeskunde, waaronder de productie van medicijnen, het maken van modeldieren die menselijke omstandigheden nabootsen en gentherapie . Een van de eerste toepassingen van genetische manipulatie was de massaproductie van humane insuline in bacteriën. Deze toepassing is nu toegepast op menselijke groeihormonen, follikelstimulerende hormonen (voor de behandeling van onvruchtbaarheid), menselijk albumine, monoklonale antilichamen, antihemofiele factoren, vaccins en vele andere geneesmiddelen. Muishybridoma 's, cellen die samengesmolten zijn om monoklonale antilichamen te creëren, zijn aangepast door middel van genetische manipulatie om menselijke monoklonale antilichamen te creëren. Er worden genetisch gemanipuleerde virussen ontwikkeld die nog steeds immuniteit kunnen verlenen, maar de infectieuze sequenties missen .

Genetische manipulatie wordt ook gebruikt om diermodellen van ziekten bij de mens te maken. Genetisch gemodificeerde muizen zijn het meest voorkomende genetisch gemanipuleerde diermodel. Ze zijn gebruikt voor het bestuderen en modelleren van kanker (de oncomous ), obesitas, hartaandoeningen, diabetes, artritis, middelenmisbruik, angst, veroudering en de ziekte van Parkinson. Potentiële behandelingen kunnen worden getest tegen deze muismodellen.

Gentherapie is de genetische manipulatie van mensen, meestal door defecte genen te vervangen door effectieve. Klinisch onderzoek met somatische gentherapie is uitgevoerd met verschillende ziekten, waaronder X-gebonden SCID, chronische lymfatische leukemie (CLL) en de ziekte van Parkinson . In 2012 werd Alipogene tiparvovec de eerste gentherapiebehandeling die werd goedgekeurd voor klinisch gebruik. In 2015 werd een virus gebruikt om een ​​gezond gen in te brengen in de huidcellen van een jongen die leed aan een zeldzame huidziekte, epidermolysis bullosa, om te groeien, en vervolgens werd een gezonde huid geënt op 80 procent van het lichaam van de jongen dat was aangetast door de ziekte.

Germline -gentherapie zou ertoe leiden dat elke verandering erfelijk is, wat tot bezorgdheid heeft geleid binnen de wetenschappelijke gemeenschap. In 2015 werd CRISPR gebruikt om het DNA van niet-levensvatbare menselijke embryo's te bewerken . vooraanstaande wetenschappers van grote wereldacademies riepen op tot een moratorium op erfelijke bewerkingen van het menselijk genoom. Er zijn ook zorgen dat de technologie niet alleen kan worden gebruikt voor behandeling, maar ook voor verbetering, wijziging of wijziging van het uiterlijk, het aanpassingsvermogen, de intelligentie, het karakter of het gedrag van een mens. Het onderscheid tussen genezing en verbetering kan ook moeilijk zijn vast te stellen. In november 2018 kondigde He Jiankui aan dat hij de genomen van twee menselijke embryo's had bewerkt om te proberen het CCR5 -gen uit te schakelen, dat codeert voor een receptor die HIV gebruikt om cellen binnen te dringen. Het werk werd alom veroordeeld als onethisch, gevaarlijk en voorbarig. Momenteel is kiembaanmodificatie in 40 landen verboden. Wetenschappers die dit soort onderzoek doen, laten embryo's vaak een paar dagen groeien zonder dat ze zich tot een baby kunnen ontwikkelen.

Onderzoekers veranderen het genoom van varkens om de groei van menselijke organen te induceren, met als doel het succes van transplantatie van varkens naar menselijke organen te vergroten . Wetenschappers creëren "gene drives", veranderen het genoom van muggen om ze immuun te maken voor malaria, en proberen vervolgens de genetisch veranderde muggen door de muggenpopulatie te verspreiden in de hoop de ziekte te elimineren.

Onderzoek

Menselijke cellen waarin sommige eiwitten zijn gefuseerd met groen fluorescerend eiwit om ze zichtbaar te maken

Genetische manipulatie is een belangrijk hulpmiddel voor natuurwetenschappers, waarbij het creëren van transgene organismen een van de belangrijkste hulpmiddelen is voor de analyse van de genfunctie. Genen en andere genetische informatie van een breed scala aan organismen kunnen in bacteriën worden ingebracht voor opslag en modificatie, waardoor genetisch gemodificeerde bacteriën ontstaan . Bacteriën zijn goedkoop, gemakkelijk te kweken, klonaal, vermenigvuldigen zich snel, relatief eenvoudig te transformeren en kunnen bijna onbeperkt worden bewaard bij -80 °C. Als een gen eenmaal is geïsoleerd, kan het in de bacteriën worden opgeslagen, wat een onbeperkte voorraad voor onderzoek oplevert.

Organismen zijn genetisch gemanipuleerd om de functies van bepaalde genen te ontdekken. Dit kan het effect zijn op het fenotype van het organisme, waar het gen tot expressie wordt gebracht of met welke andere genen het interageert. Bij deze experimenten gaat het over het algemeen om functieverlies, functiewinst, tracking en expressie.

  • Verlies van functie-experimenten, zoals in een gen-knock-out- experiment, waarbij een organisme is gemanipuleerd om de activiteit van een of meer genen te missen. In een simpele knock-out is een kopie van het gewenste gen veranderd om het niet-functioneel te maken. Embryonale stamcellen nemen het gewijzigde gen op, dat de reeds aanwezige functionele kopie vervangt. Deze stamcellen worden geïnjecteerd in blastocysten, die worden geïmplanteerd in draagmoeders. Hierdoor kan de onderzoeker de defecten die door deze mutatie worden veroorzaakt analyseren en zo de rol van bepaalde genen bepalen. Het wordt vooral veel gebruikt in de ontwikkelingsbiologie . Wanneer dit gebeurt door het creëren van een bibliotheek van genen met puntmutaties op elke positie in het interessegebied, of zelfs elke positie in het hele gen, wordt dit "scanningmutagenese" genoemd. De eenvoudigste methode, en de eerste die wordt gebruikt, is "alanine scanning", waarbij elke positie op zijn beurt wordt gemuteerd naar het niet-reactieve aminozuur alanine .
  • Functiewinst-experimenten, de logische tegenhanger van knockouts. Deze worden soms uitgevoerd in combinatie met knock-out-experimenten om de functie van het gewenste gen nauwkeuriger vast te stellen. Het proces is vrijwel hetzelfde als dat bij knock-out-engineering, behalve dat het construct is ontworpen om de functie van het gen te vergroten, meestal door extra kopieën van het gen te leveren of door de synthese van het eiwit vaker te induceren. Functiewinst wordt gebruikt om te bepalen of een eiwit al dan niet voldoende is voor een functie, maar betekent niet altijd dat het nodig is, vooral als het gaat om genetische of functionele redundantie.
  • Tracking-experimenten, die informatie willen verkrijgen over de lokalisatie en interactie van het gewenste eiwit. Een manier om dit te doen is door het wildtype-gen te vervangen door een 'fusie'-gen, wat een nevenschikking is van het wildtype-gen met een rapportage-element zoals groen fluorescerend eiwit (GFP) dat een gemakkelijke visualisatie van de producten mogelijk maakt van de genetische modificatie. Hoewel dit een nuttige techniek is, kan de manipulatie de functie van het gen vernietigen, secundaire effecten creëren en mogelijk de resultaten van het experiment in twijfel trekken. Er zijn nu meer geavanceerde technieken in ontwikkeling die eiwitproducten kunnen volgen zonder hun functie te verminderen, zoals de toevoeging van kleine sequenties die zullen dienen als bindingsmotieven voor monoklonale antilichamen.
  • Expressiestudies hebben tot doel te ontdekken waar en wanneer specifieke eiwitten worden geproduceerd. In deze experimenten wordt de DNA-sequentie vóór het DNA dat codeert voor een eiwit, bekend als de promotor van een gen, opnieuw geïntroduceerd in een organisme waarbij het eiwitcoderende gebied wordt vervangen door een reportergen zoals GFP of een enzym dat de productie van een kleurstof katalyseert . Zo kan de tijd en plaats worden waargenomen waar een bepaald eiwit wordt geproduceerd. Expressiestudies kunnen nog een stap verder gaan door de promotor te veranderen om te ontdekken welke stukken cruciaal zijn voor de juiste expressie van het gen en daadwerkelijk worden gebonden door transcriptiefactoreiwitten; dit proces staat bekend als promotor bashing .

industrieel

Producten van genetische manipulatie

Organismen kunnen hun cellen laten transformeren met een gen dat codeert voor een bruikbaar eiwit, zoals een enzym, zodat ze het gewenste eiwit tot overexpressie brengen. Massahoeveelheden van het eiwit kunnen vervolgens worden vervaardigd door het getransformeerde organisme te kweken in bioreactorapparatuur met behulp van industriële fermentatie en vervolgens het eiwit te zuiveren . Sommige genen werken niet goed in bacteriën, dus gist, insectencellen of zoogdiercellen kunnen ook worden gebruikt. Deze technieken worden gebruikt om medicijnen te produceren zoals insuline, menselijk groeihormoon en vaccins, supplementen zoals tryptofaan, hulp bij de productie van voedsel ( chymosine bij het maken van kaas) en brandstoffen. Andere toepassingen met genetisch gemanipuleerde bacteriën kunnen inhouden dat ze taken uitvoeren die buiten hun natuurlijke cyclus vallen, zoals het maken van biobrandstoffen, het opruimen van olielozingen, koolstof en ander giftig afval en het opsporen van arseen in drinkwater. Bepaalde genetisch gemodificeerde microben kunnen ook worden gebruikt bij biomining en bioremediatie, vanwege hun vermogen om zware metalen uit hun omgeving te extraheren en op te nemen in verbindingen die gemakkelijker terug te winnen zijn.

In de materiaalkunde is een genetisch gemodificeerd virus in een onderzoekslaboratorium gebruikt als steiger voor het assembleren van een milieuvriendelijkere lithium-ionbatterij . Bacteriën zijn ook ontwikkeld om als sensoren te functioneren door onder bepaalde omgevingsomstandigheden een fluorescerend eiwit tot expressie te brengen.

landbouw

Bt-toxines aanwezig in pindabladeren (onderste afbeelding) beschermen het tegen uitgebreide schade veroorzaakt door mindere maïsstengelboorderlarven ( bovenste afbeelding).

Een van de bekendste en meest controversiële toepassingen van genetische manipulatie is het creëren en gebruiken van genetisch gemodificeerde gewassen of genetisch gemodificeerd vee om genetisch gemodificeerd voedsel te produceren . Gewassen zijn ontwikkeld om de productie te verhogen, de tolerantie voor abiotische stress te vergroten, de samenstelling van het voedsel te veranderen of om nieuwe producten te produceren.

De eerste gewassen die op grote schaal commercieel werden vrijgegeven, boden bescherming tegen insectenplagen of tolerantie voor herbiciden . Ook zijn schimmel- en virusresistente gewassen ontwikkeld of in ontwikkeling. Dit maakt het insecten- en onkruidbeheer van gewassen eenvoudiger en kan indirect de gewasopbrengst verhogen. Er zijn ook gg-gewassen in ontwikkeling die de opbrengst direct verbeteren door de groei te versnellen of de plant winterharder te maken (door de tolerantie voor zout, kou of droogte te verbeteren). In 2016 is zalm genetisch gemodificeerd met groeihormonen om veel sneller de normale volwassen grootte te bereiken.

Er zijn GGO's ontwikkeld die de kwaliteit van de producten wijzigen door de voedingswaarde te verhogen of meer industrieel bruikbare eigenschappen of hoeveelheden te verschaffen. De Amflora- aardappel produceert een meer industrieel bruikbare mix van zetmeel. Sojabonen en koolzaad zijn genetisch gemodificeerd om meer gezonde oliën te produceren. Het eerste gecommercialiseerde genetisch gemodificeerde voedsel was een tomaat die de rijping vertraagde, waardoor de houdbaarheid werd verlengd .

Planten en dieren zijn ontworpen om materialen te produceren die ze normaal niet maken. Pharming gebruikt gewassen en dieren als bioreactoren om vaccins, tussenproducten van geneesmiddelen of de medicijnen zelf te produceren; het bruikbare product wordt uit de oogst gezuiverd en vervolgens gebruikt in het standaard farmaceutische productieproces. Koeien en geiten zijn ontwikkeld om medicijnen en andere eiwitten in hun melk tot expressie te brengen, en in 2009 keurde de FDA een medicijn goed dat in geitenmelk wordt geproduceerd.

Andere applicaties

Genetische manipulatie heeft potentiële toepassingen in natuurbehoud en beheer van natuurgebieden. Genoverdracht via virale vectoren is voorgesteld als een middel om invasieve soorten te beheersen en bedreigde fauna tegen ziekten te vaccineren. Transgene bomen zijn gesuggereerd als een manier om resistentie tegen pathogenen in wilde populaties te verlenen. Met de toenemende risico's van maladaptatie in organismen als gevolg van klimaatverandering en andere verstoringen, zou gefaciliteerde aanpassing door middel van gen-tweaking een oplossing kunnen zijn om de risico's van uitsterven te verminderen. Toepassingen van genetische manipulatie in conservering zijn tot nu toe voornamelijk theoretisch en moeten nog in de praktijk worden gebracht.

Genetische manipulatie wordt ook gebruikt om microbiële kunst te creëren . Sommige bacteriën zijn genetisch gemanipuleerd om zwart-witfoto's te maken. Nieuwigheden zoals lavendelkleurige anjers, blauwe rozen en gloeiende vissen zijn ook geproduceerd door middel van genetische manipulatie.

Regulatie

De regulering van genetische manipulatie betreft de benaderingen die door regeringen worden gevolgd om de risico's van de ontwikkeling en introductie van GGO's te beoordelen en te beheersen. De ontwikkeling van een regelgevend kader begon in 1975 in Asilomar, Californië. De Asilomar-vergadering beval een reeks vrijwillige richtlijnen aan met betrekking tot het gebruik van recombinanttechnologie. Naarmate de technologie verbeterde, richtten de VS een commissie op bij het Office of Science and Technology, die de goedkeuring door de regelgevende instanties van genetisch gemodificeerd voedsel toekende aan de USDA, FDA en EPA. Het Protocol van Cartagena inzake bioveiligheid, een internationaal verdrag dat de overdracht, de behandeling en het gebruik van GGO's regelt, werd op 29 januari 2000 aangenomen. Honderdzevenenvijftig landen zijn lid van het protocol en velen gebruiken het als referentiepunt voor hun eigen regelgeving.

De wettelijke en regelgevende status van genetisch gemodificeerd voedsel verschilt per land, waarbij sommige landen ze verbieden of beperken, en andere toestaan ​​met sterk verschillende mate van regulering. Sommige landen staan ​​de invoer van genetisch gemodificeerd voedsel met toestemming toe, maar staan ​​de teelt ervan niet toe (Rusland, Noorwegen, Israël) of hebben voorzieningen voor de teelt, ook al worden er nog geen genetisch gemodificeerde producten geproduceerd (Japan, Zuid-Korea). De meeste landen die geen ggo-teelt toestaan, staan ​​wel onderzoek toe. Enkele van de meest opvallende verschillen doen zich voor tussen de VS en Europa. Het Amerikaanse beleid richt zich op het product (niet het proces), kijkt alleen naar verifieerbare wetenschappelijke risico's en hanteert het concept van substantiële gelijkwaardigheid . De Europese Unie daarentegen heeft mogelijk de strengste ggo-regelgeving ter wereld. Alle GGO's, samen met bestraald voedsel, worden beschouwd als "nieuw voedsel" en onderworpen aan een uitgebreide, geval per geval, wetenschappelijk onderbouwde voedselevaluatie door de Europese Autoriteit voor voedselveiligheid . De criteria voor autorisatie vallen uiteen in vier brede categorieën: "veiligheid", "keuzevrijheid", "etikettering" en "traceerbaarheid". Het niveau van regelgeving in andere landen die ggo's verbouwen, ligt tussen Europa en de Verenigde Staten in.

Regelgevende instanties per geografische regio
Regio Regelgevers Opmerkingen:
ONS USDA, FDA en EPA
Europa Europese Autoriteit voor voedselveiligheid
Canada Health Canada en de Canadian Food Inspection Agency Gereguleerde producten met nieuwe kenmerken, ongeacht de herkomstmethode
Afrika Gemeenschappelijke markt voor oostelijk en zuidelijk Afrika De uiteindelijke beslissing ligt bij elk afzonderlijk land.
China Office of Agricultural Genetic Engineering Biosafety Administration
India Institutionele commissie voor bioveiligheid, beoordelingscommissie voor genetische manipulatie en goedkeuringscommissie voor genetische manipulatie
Argentinië Nationale Agrarische Biotechnologie Adviescommissie (milieu-impact), de Rijksdienst voor Volksgezondheid en Agrifood Quality (voedselveiligheid) en de Nationale Directie Agribusiness (effect op de handel) Definitieve beslissing genomen door het secretariaat van Landbouw, Veeteelt, Visserij en Voedselvoorziening.
Brazilië Nationale Technische Commissie Bioveiligheid (milieu- en voedselveiligheid) en de Raad van Ministers (commerciële en economische kwesties)
Australië Bureau van de Gene Technology Regulator (houdt toezicht op alle GM-producten), Therapeutic Goods Administration (GM-geneesmiddelen) en Food Standards Australia New Zealand (GM-voedsel). De afzonderlijke deelstaatregeringen kunnen dan de impact van de introductie op markten en handel beoordelen en verdere wetgeving toepassen om goedgekeurde genetisch gemodificeerde producten te controleren.

Een van de belangrijkste kwesties met betrekking tot regelgevers is of genetisch gemodificeerde producten moeten worden geëtiketteerd. De Europese Commissie zegt dat verplichte etikettering en traceerbaarheid nodig zijn om een ​​geïnformeerde keuze mogelijk te maken, mogelijke valse reclame te vermijden en het uit de handel nemen van producten te vergemakkelijken als nadelige effecten op de gezondheid of het milieu worden ontdekt. De American Medical Association en de American Association for the Advancement of Science zeggen dat het ontbreken van wetenschappelijk bew van schade, zelfs vrijwillige etikettering, misleidend is en de consumenten ten onrechte zal alarmeren. Etikettering van GGO-producten op de markt is verplicht in 64 landen. Etikettering kan verplicht zijn tot een drempelwaarde voor het GM-gehalte (die per land verschilt) of vrijwillig. In Canada en de VS is de etikettering van genetisch gemodificeerd voedsel vrijwillig, terwijl in Europa alle levensmiddelen (inclusief bewerkte levensmiddelen ) of diervoeders die meer dan 0,9% van de goedgekeurde GGO's bevatten, moeten worden geëtiketteerd.

Controverse

Critici hebben op verschillende gronden bezwaar gemaakt tegen het gebruik van genetische manipulatie, waaronder ethische, ecologische en economische overwegingen. Veel van deze zorgen hebben betrekking op genetisch gemodificeerde gewassen en of het voedsel dat daaruit wordt geproduceerd veilig is en welke impact de teelt ervan op het milieu zal hebben. Deze controverses hebben geleid tot rechtszaken, internationale handelsgeschillen en protesten, en tot restrictieve regulering van commerciële producten in sommige landen.

Beschuldigingen dat wetenschappers " voor God spelen " en andere religieuze kwesties zijn vanaf het begin toegeschreven aan de technologie. Andere ethische kwesties die aan de orde komen, zijn onder meer het patenteren van leven, het gebruik van intellectuele eigendomsrechten, het niveau van etikettering op producten, controle van de voedselvoorziening en de objectiviteit van het regelgevingsproces. Hoewel er twijfels zijn gerezen, hebben de meeste studies economisch gezien aangetoond dat het verbouwen van genetisch gemodificeerde gewassen gunstig is voor boeren.

Genenstroom tussen genetisch gemodificeerde gewassen en compatibele planten, samen met een verhoogd gebruik van selectieve herbiciden, kan het risico op de ontwikkeling van " superonkruiden " vergroten. Andere milieuproblemen hebben betrekking op mogelijke effecten op niet-doelwitorganismen, waaronder bodemmicroben, en een toename van secundaire en resistente insectenplagen. Veel van de milieueffecten met betrekking tot genetisch gemodificeerde gewassen kunnen vele jaren duren voordat ze worden begrepen en zijn ook duidelijk in conventionele landbouwpraktijken. Met de commercialisering van genetisch gemodificeerde vissen zijn er zorgen over de gevolgen voor het milieu als ze ontsnappen.

Er zijn drie belangrijke zorgen over de veiligheid van genetisch gemodificeerd voedsel: of ze een allergische reactie kunnen veroorzaken ; of de genen van het voedsel in menselijke cellen zouden kunnen overgaan; en of de genen die niet zijn goedgekeurd voor menselijke consumptie zouden kunnen uitkruisen naar andere gewassen. Er is een wetenschappelijke consensus dat het momenteel beschikbare voedsel dat is afgeleid van genetisch gemodificeerde gewassen geen groter risico vormt voor de menselijke gezondheid dan conventioneel voedsel, maar dat elk genetisch gemodificeerd voedsel voor introductie geval per geval moet worden getest. Desalniettemin hebben leden van het publiek minder kans dan wetenschappers om genetisch gemodificeerd voedsel als veilig te beschouwen.

In de populaire cultuur

Genetische manipulatie komt voor in veel sciencefictionverhalen . Frank Herberts roman The White Plague beschrijft het opzettelijke gebruik van genetische manipulatie om een ​​ziekteverwekker te creëren die specifiek vrouwen doodt. Een andere creatie van Herbert, de Dune -romans, maakt gebruik van genetische manipulatie om de krachtige Tleilaxu te creëren . Weinig films hebben het publiek geïnformeerd over genetische manipulatie, met uitzondering van The Boys from Brazil uit 1978 en Jurassic Park uit 1993, die beide gebruik maken van een les, een demonstratie en een clip van wetenschappelijke film. Genetische manipulatiemethoden zijn zwak vertegenwoordigd in film; Michael Clark, die schrijft voor de Wellcome Trust, noemt de weergave van genetische manipulatie en biotechnologie "ernstig vervormd" in films als The 6th Day . Volgens Clark wordt de biotechnologie typisch "fantastische maar visueel boeiende vormen gegeven", terwijl de wetenschap ofwel naar de achtergrond wordt verbannen of gefictionaliseerd om geschikt te zijn voor een jong publiek.

In de videogame BioShock uit 2007 speelt genetische manipulatie een belangrijke rol in de centrale verhaallijn en het universum. De game speelt zich af in de fictieve onderwaterdystopia Rapture, waarin de bewoners genetische bovenmenselijke vermogens bezitten nadat ze zichzelf hebben geïnjecteerd met "plasmiden", een serum dat dergelijke krachten verleent. Ook in de stad Rapture zijn "Little Sisters", kleine meisjes die generiek zijn ontworpen, evenals een zijplot waarin een cabaretzanger haar foetus verkoopt aan genetische wetenschappers die valse herinneringen in de pasgeborene implanteren en deze genetisch manipuleren om te groeien tot een volwassene.

Zie ook

Referenties

Verder lezen

Externe links