Генетически модифицированный организм

«ГМО» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о других значениях, см. ГМО (значения) .

Генетически модифицированный организм ( ГМО ) – это любой организм материал которого , генетический был изменен с использованием методов генной инженерии . Точное определение генетически модифицированного организма и того, что представляет собой генная инженерия, варьируется, наиболее распространенным из которых является организм, измененный таким образом, который «не возникает естественным путем в результате спаривания и/или естественной рекомбинации ». Генетически модифицированы (ГМ) самые разнообразные организмы, включая животных, растения и микроорганизмы.

Генетическая модификация может включать введение новых генов или усиление, изменение или удаление эндогенных генов. В некоторых генетических модификациях гены передаются внутри одного и того же вида , между видами (создавая трансгенные организмы) и даже между царствами . Создание генетически модифицированного организма — многоэтапный процесс. Генные инженеры должны изолировать ген, который они хотят внедрить в организм-хозяин, и объединить его с другими генетическими элементами, включая промотор и терминаторную область, а часто и селектируемый маркер . Доступен ряд методов для вставки изолированного гена в геном хозяина . Недавние достижения в использовании методов редактирования генома , в частности CRISPR , значительно упростили производство ГМО. Герберт Бойер и Стэнли Коэн в 1973 году создали первый генетически модифицированный организм — бактерию, устойчивую к антибиотику канамицину . Первое генетически модифицированное животное , мышь, было создано в 1974 году Рудольфом Йенишом , а первое растение было получено в 1983 году. Был выпущен томат Flavr Savr , первый коммерческий генетически модифицированный продукт . Первым генетически модифицированным животным, которое было коммерциализировано, был GloFish (2003), а первым генетически модифицированным животным, одобренным для использования в пищевых целях, был лосось AquAdvantage в 2015 году.

Бактерии — организмы, которые проще всего сконструировать, и они используются в исследованиях, производстве продуктов питания, промышленной очистке белков (включая лекарства), сельском хозяйстве и искусстве. Существует потенциал использования их в экологических целях или в медицинских целях. Грибы были созданы с теми же целями. Вирусы играют важную роль в качестве векторов для внедрения генетической информации в другие организмы. Это использование особенно актуально для генной терапии человека . Есть предложения удалить вирулентные гены из вирусов для создания вакцин. Растения были созданы для научных исследований, для создания новых цветов растений, доставки вакцин и создания улучшенных сельскохозяйственных культур. Генетически модифицированные сельскохозяйственные культуры являются публично наиболее спорными ГМО, несмотря на то, что они приносят наибольшую пользу для здоровья человека и окружающей среды. Животных, как правило, гораздо сложнее трансформировать, и подавляющее большинство из них все еще находится на стадии исследований. Млекопитающие являются лучшими модельными организмами для человека. Животноводство модифицируется с целью улучшения экономически важных характеристик, таких как скорость роста, качество мяса, состав молока, устойчивость к болезням и выживаемость. Генетически модифицированную рыбу используют в научных исследованиях, в качестве домашних животных и в качестве источника пищи. Генная инженерия была предложена как способ борьбы с комарами, переносчиками многих смертельных заболеваний. Хотя генная терапия человека все еще относительно нова, ее уже использовали для лечения генетических заболеваний, таких как тяжелый комбинированный иммунодефицит и врожденный амавроз Лебера .

Было высказано много возражений по поводу развития ГМО, особенно их коммерциализации. Многие из них связаны с ГМ-культурами, а также с вопросом о том, безопасны ли продукты, произведенные из них, и какое влияние их выращивание окажет на окружающую среду. Другими проблемами являются объективность и строгость регулирующих органов, загрязнение негенетически модифицированных продуктов питания, контроль поставок продуктов питания , патентование жизни и использование прав интеллектуальной собственности . Хотя существует научный консенсус в отношении того, что доступные в настоящее время продукты питания, полученные из ГМ-культур, не представляют большего риска для здоровья человека, чем обычные продукты питания, безопасность ГМ-продуктов является основной проблемой для критиков. Поток генов , воздействие на нецелевые организмы и бегство являются основными экологическими проблемами. Страны приняли меры регулирования для решения этих проблем. Между странами существуют различия в регулировании выпуска ГМО, причем некоторые из наиболее заметных различий наблюдаются между США и Европой. Ключевые вопросы, касающиеся регулирующих органов, включают необходимость маркировки ГМ-продуктов и статус организмов с отредактированными генами.

Определение

Определение генетически модифицированного организма (ГМО) неясно и широко варьируется в зависимости от страны, международных организаций и других сообществ. В самом широком смысле определение ГМО может включать в себя все, гены которого были изменены, в том числе по природе. Если смотреть менее широко, то он может охватывать каждый организм, гены которого были изменены людьми, включая все сельскохозяйственные культуры и домашний скот. В 1993 году Британская энциклопедия определила генную инженерию как «любой из широкого спектра методов… среди них искусственное оплодотворение , экстракорпоральное оплодотворение ( например , дети из «пробирки»), банки спермы , клонирование и манипуляции с генами». Европейский Союз (ЕС) включил в свои ранние обзоры столь же широкое определение, в котором конкретно упоминались ГМО, производимые путем « селективного разведения и других средств искусственного отбора». Эти определения были оперативно скорректированы с добавлением ряда исключений в результате давления со стороны научных и фермерских сообществ, а также развития науки. Позднее определение ЕС исключило традиционную селекцию, экстракорпоральное оплодотворение, индукцию полиплоидии , мутационную селекцию и методы слияния клеток, в которых не используются рекомбинантные нуклеиновые кислоты или генетически модифицированный организм.

Другой подход заключался в определении, предоставленном Продовольственной и сельскохозяйственной организацией , Всемирной организацией здравоохранения и Европейской комиссией , в котором говорилось, что организмы должны быть изменены таким образом, чтобы «не происходило естественным путем путем спаривания и/или естественной рекомбинации ». Прогресс в науке, такой как открытие горизонтального переноса генов, являющегося относительно распространенным природным явлением, еще больше усилил путаницу в отношении того, что «происходит естественным путем», что привело к дальнейшим корректировкам и исключениям. Есть примеры культур, которые соответствуют этому определению, но обычно не считаются ГМО. Например, зерновая культура тритикале была полностью разработана в лаборатории в 1930 году с использованием различных методов изменения ее генома.

Генетически модифицированный организм (ГМО) можно считать более точным термином по сравнению с ГМО при описании геномов организмов, подвергшихся прямым манипуляциям с помощью биотехнологий. В Картахенском протоколе по биобезопасности в 2000 году использовался синоним « живой модифицированный организм » ( ЖМО ) и определялся как «любой живой организм, обладающий новой комбинацией генетического материала, полученной с помощью современной биотехнологии». Современная биотехнология далее определяется как «методы нуклеиновых кислот in vitro, включая рекомбинантную дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и прямую инъекцию нуклеиновой кислоты в клетки или органеллы или слияние клеток за пределами таксономического семейства».

Первоначально термин ГМО не использовался учеными для описания генно-инженерных организмов до тех пор, пока использование ГМО не стало обычным явлением в популярных средствах массовой информации. Министерство сельского хозяйства США (USDA) считает, что ГМО — это растения или животные с наследственными изменениями, внесенными с помощью генной инженерии или традиционными методами, тогда как GEO конкретно относится к организмам, гены которых были введены, удалены или перестроены с помощью молекулярной биологии, особенно рекомбинантной ДНК методов . например, трансгенез .

Определения сосредоточены на процессе больше, чем на продукте, а это означает, что могут быть ГМО и не-ГМО с очень похожими генотипами и фенотипами. Это привело к тому, что ученые назвали эту категорию научно бессмысленной. говоря, что невозможно сгруппировать все различные типы ГМО под одним общим определением. Это также вызвало проблемы у органических организаций и групп, стремящихся запретить ГМО. Это также создает проблемы по мере разработки новых процессов. Нынешние определения появились до того, как редактирование генома стало популярным, и существует некоторая путаница относительно того, являются ли они ГМО. ЕС постановил, что они изменил свое определение ГМО, включив в него «организмы, полученные путем мутагенеза », но исключил их из регулирования на основании их «длительного опыта безопасности» и того, что они «традиционно использовались в ряде применений». Напротив, Министерство сельского хозяйства США постановило, что организмы с отредактированными генами не считаются ГМО.

Еще большая непоследовательность и путаница связана с различными схемами маркировки «Без ГМО» или «Без ГМО» в маркетинге пищевых продуктов, где даже такие продукты, как вода или соль, которые не содержат никаких органических веществ и генетического материала (и, следовательно, не могут быть генетически модифицированные по определению), маркируются, чтобы создать впечатление «более здорового».

Производство

Основная статья: Методы генной инженерии

Генная пушка использует биолистику для внедрения ДНК в растительную ткань.

Создание генетически модифицированного организма (ГМО) — многоэтапный процесс. Генные инженеры должны выделить ген, который они хотят внедрить в организм хозяина. Этот ген можно взять из клетки или искусственно синтезированные . донорского организма Если выбранный ген или геном хорошо изучен, он может быть уже доступен в генетической библиотеке . Затем ген комбинируют с другими генетическими элементами, включая промотора и терминатора область , а также селектируемый маркер .

Доступен ряд методов для вставки изолированного гена в геном хозяина . Бактерии можно заставить поглощать чужеродную ДНК, обычно путем теплового шока или электропорации . ДНК обычно вводят в клетки животных с помощью микроинъекций клетки , при этом ее можно вводить через ядерную оболочку непосредственно в ядро , или с помощью вирусных векторов . В растения ДНК часто встраивают с помощью Agrobacterium рекомбинации, опосредованной . биолистика или электропорация.

Поскольку генетическим материалом трансформируется только одна клетка, организм должен быть регенерирован из этой единственной клетки. У растений это достигается за счет культуры тканей . У животных необходимо убедиться, что вставленная ДНК присутствует в эмбриональных стволовых клетках . Дальнейшее тестирование с использованием ПЦР , Саузерн-гибридизации и секвенирования ДНК проводится для подтверждения того, что организм содержит новый ген.

Традиционно новый генетический материал встраивался в геном хозяина случайным образом. Методы нацеливания на гены , которые создают двухцепочечные разрывы и используют преимущества естественных систем репарации гомологичной рекомбинации клеток , были разработаны для нацеливания вставки в точные места . При редактировании генома используются искусственно созданные нуклеазы , которые создают разрывы в определенных точках. Существует четыре семейства инженерных 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 метода, каждый из которых имеет свои преимущества. TALEN обладают большей целевой специфичностью, а CRISPR проще в разработке и более эффективен.

История

Основная статья: История генной инженерии

Герберт Бойер (на фото) и Стэнли Коэн создали первый генетически модифицированный организм в 1973 году.

Люди одомашнили растения и животных примерно с 12 000 г. до н.э., используя селекционное разведение или искусственный отбор (в отличие от естественного отбора ). Процесс селекции , при котором организмы с желаемыми признаками (и, следовательно, с желаемыми генами ) используются для выведения следующего поколения, а организмы, лишенные этого признака, не разводятся, является предшественником современной концепции генетической модификации. Различные достижения в генетике позволили людям напрямую изменять ДНК и, следовательно, гены организмов. В 1972 году Пол Берг создал первую молекулу рекомбинантной ДНК , соединив ДНК вируса обезьяны с ДНК вируса лямбда .

Герберт Бойер и Стэнли Коэн создали первый генетически модифицированный организм в 1973 году. Они взяли ген у бактерии, которая обеспечивала устойчивость к антибиотику канамицину , вставили его в плазмиду , а затем побудили другие бактерии включить эту плазмиду. Бактерии, успешно внедрившие плазмиду, затем смогли выжить в присутствии канамицина. Бойер и Коэн экспрессировали у бактерий и другие гены. Сюда вошли гены жабы Xenopus laevis в 1974 году, создав первый ГМО, экспрессирующий ген из организма другого царства .

В 1974 году Рудольф Йениш создал первое генетически модифицированное животное.

В 1974 году Рудольф Йениш создал трансгенную мышь , введя в ее эмбрион чужеродную ДНК, что сделало ее первым в мире трансгенным животным. Однако потребовалось еще восемь лет, прежде чем были созданы трансгенные мыши, передавшие трансген своему потомству. В 1984 году были созданы генетически модифицированные мыши, несущие клонированные онкогены , предрасполагающие их к развитию рака. Мыши с удаленными генами (так называемые нокаутные мыши ) были созданы в 1989 году. Первое трансгенное животное было получено в 1985 году. и первым животным, синтезировавшим трансгенные белки в своем молоке, были мыши в 1987 году. Мыши были созданы для производства тканевого активатора плазминогена человека , белка, участвующего в разрушении тромбов .

В 1983 году первое генно-инженерное растение было разработано Майклом В. Беваном , Ричардом Б. Флавеллом и Мэри-Делл Чилтон . Они заразили табак Agrobacterium, трансформированным геном устойчивости к антибиотикам, и с помощью методов культуры тканей смогли вырастить новое растение, содержащее ген устойчивости. Генная пушка была изобретена в 1987 году и позволила трансформировать растения, невосприимчивые к агробактериальной инфекции. В 2000 году витамином А, обогащенный золотой рис, стал первым растением с повышенной питательной ценностью.

В 1976 году Genentech основали Герберт Бойер и Роберт Свенсон , первую генно-инженерную компанию ; годом позже компания произвела человеческий белок ( соматостатин ) в кишечной палочке . Genentech объявила о производстве генно-инженерного человеческого инсулина в 1978 году. Инсулин, вырабатываемый бактериями, под торговой маркой Хумулин , был одобрен к выпуску Управлением по контролю за продуктами и лекарствами в 1982 году. В 1988 году первые человеческие антитела были получены в растениях. В 1987 году штамм Pseudomonas syringae стал первым генетически модифицированным организмом, выпущенным в окружающую среду. когда им опрыскали клубничное и картофельное поле в Калифорнии.

Первая генетически модифицированная культура — устойчивое к антибиотикам растение табака — было получено в 1982 году. Китай был первой страной, которая начала коммерциализировать трансгенные растения, представив в 1992 году устойчивый к вирусам табак. В 1994 году компания Calgene получила разрешение на коммерческий выпуск томатов Flavr Savr , первого генетически модифицированного продукта питания . Также в 1994 году Европейский Союз одобрил табак, созданный с учетом устойчивости к гербициду бромоксинилу , что сделало его первой генно-инженерной культурой, коммерциализированной в Европе. Устойчивый к насекомым картофель был одобрен к выпуску в США в 1995 году. и к 1996 году было получено разрешение на коммерческое выращивание 8 трансгенных культур и одной цветочной культуры (гвоздики) в 6 странах плюс ЕС.

В 2010 году учёные Института Дж. Крейга Вентера объявили, что создали первый синтетический бактериальный геном . Они назвали его Синтия , и это была первая в мире синтетическая форма жизни .

Первым генетически модифицированным животным, которое было коммерциализировано, была GloFish , рыба-зебра с добавленным флуоресцентным геном , который позволяет ей светиться в темноте под ультрафиолетовым светом . Он был выпущен на рынок США в 2003 году. В 2015 году лосось AquAdvantage стал первым генетически модифицированным животным, одобренным для употребления в пищу. Разрешение распространяется на рыбу, выращенную в Панаме и продаваемую в США. Лосось был трансформирован геном , регулирующим гормон роста , от тихоокеанской чавычи и промотором от океанской чавычи, что позволило ему расти круглый год, а не только весной и летом.

Бактерии

Основная статья: Генетически модифицированные бактерии

Слева: бактерии, трансформированные с помощью pGLO в условиях окружающего света.
Справа: бактерии, трансформированные с помощью pGLO, визуализированные в ультрафиолетовом свете.

Бактерии были первыми организмами, генетически модифицированными в лаборатории из-за относительной простоты модификации их хромосом. Эта легкость сделала их важным инструментом для создания других ГМО. Гены и другая генетическая информация из широкого спектра организмов могут быть добавлены в плазмиду и вставлены в бактерии для хранения и модификации. Бактерии дешевы, их легко выращивать, они клонируются , быстро размножаются и могут храниться при температуре −80 °C практически бесконечно. Как только ген выделен, он может храниться внутри бактерий, обеспечивая неограниченный запас для исследований. Большое количество специальных плазмид позволяет сравнительно легко манипулировать ДНК, выделенной из бактерий.

Простота использования сделала их отличным инструментом для ученых, желающих изучить функцию и эволюцию генов . Простейшие модельные организмы произошли от бактерий, а большая часть наших ранних представлений о молекулярной биологии возникла в результате изучения Escherichia coli . Ученые могут легко манипулировать и комбинировать гены внутри бактерий для создания новых или разрушенных белков и наблюдать, какое влияние это оказывает на различные молекулярные системы. Исследователи объединили гены бактерий и архей , что привело к пониманию того, как эти двое расходились в прошлом. В области синтетической биологии они использовались для проверки различных синтетических подходов, от синтеза геномов до создания новых нуклеотидов .

Бактерии уже давно используются в производстве продуктов питания, и для этой работы в промышленных масштабах разработаны и отобраны специфические штаммы. Их можно использовать для производства ферментов , аминокислот , ароматизаторов и других соединений, используемых в производстве продуктов питания. С появлением генной инженерии в эти бактерии можно легко вносить новые генетические изменения. Большинство бактерий, производящих пищевые продукты, являются молочнокислыми бактериями , и именно здесь проводилось большинство исследований в области генной инженерии бактерий, производящих пищевые продукты. Бактерии можно модифицировать, чтобы они работали более эффективно, уменьшали выработку токсичных побочных продуктов, увеличивали производительность, создавали улучшенные соединения и удаляли ненужные пути . Пищевые продукты, полученные из генетически модифицированных бактерий, включают альфа-амилазу , которая превращает крахмал в простые сахара, химозин , который свертывает молочный белок для производства сыра, и пектинэстеразу , которая улучшает прозрачность фруктового сока. Большинство из них производятся в США, и хотя существуют правила, разрешающие производство в Европе, по состоянию на 2015 год там нет пищевых продуктов, полученных из бактерий.

Генетически модифицированные бактерии используются для производства больших количеств белков для промышленного использования. Бактерии обычно выращивают до большого объема до активации гена, кодирующего белок. Затем бактерии собирают и из них очищают желаемый белок. Высокая стоимость добычи и очистки привела к тому, что в промышленных масштабах производились только дорогостоящие продукты. Большинство этих продуктов представляют собой человеческие белки, предназначенные для использования в медицине. Многие из этих белков невозможно или трудно получить естественными методами, и они с меньшей вероятностью загрязняются патогенами, что делает их более безопасными. Первым медицинским применением ГМ-бактерий было производство белка инсулина для лечения диабета . Другие производимые лекарства включают факторы свертывания крови для лечения гемофилии , гормон роста человека для лечения различных форм карликовости , интерферон для лечения некоторых видов рака, эритропоэтин для пациентов с анемией и тканевой активатор плазминогена , растворяющий тромбы. Помимо медицины их использовали для производства биотоплива . Существует интерес к разработке системы внеклеточной экспрессии внутри бактерий, чтобы снизить затраты и сделать производство большего количества продуктов экономичным.

Благодаря более глубокому пониманию роли, которую микробиом играет в здоровье человека, появляется возможность лечить заболевания путем генетического изменения бактерий, чтобы они сами были терапевтическими агентами. Идеи включают изменение кишечных бактерий, чтобы они уничтожали вредные бактерии, или использование бактерий для замены или увеличения количества дефицитных ферментов или белков. Одним из направлений исследований является модификация Lactobacillus , бактерий, которые естественным образом обеспечивают некоторую защиту от ВИЧ , с помощью генов, которые еще больше улучшат эту защиту. Если бактерии не образуют колоний внутри пациента, человеку приходится неоднократно проглатывать модифицированные бактерии, чтобы получить необходимые дозы. Предоставление бактериям возможности образовывать колонии может обеспечить более долгосрочное решение, но также может вызвать проблемы безопасности, поскольку взаимодействие между бактериями и человеческим организмом изучено хуже, чем при использовании традиционных лекарств. Есть опасения, что горизонтальный перенос генов другим бактериям может иметь неизвестные последствия. По состоянию на 2018 год проводятся клинические испытания препарата. эффективность и безопасность этих методов лечения.

Уже более века бактерии используются в сельском хозяйстве. Посевы были инокулированы ризобиями и (а в последнее время азоспириллами ), чтобы увеличить их урожайность или позволить выращивать их за пределами их первоначальной среды обитания . Применение Bacillus thuringiensis (Bt) и других бактерий может помочь защитить посевы от заражения насекомыми и болезней растений. Благодаря достижениям в области генной инженерии этими бактериями стали манипулировать с целью повышения эффективности и расширения круга хозяев. Маркеры также были добавлены, чтобы помочь отслеживать распространение бактерий. Бактерии, которые естественным образом колонизируют определенные культуры, также были модифицированы, в некоторых случаях экспрессируя гены Bt, ответственные за устойчивость к вредителям. Pseudomonas Штаммы бактерий вызывают повреждение морозом, превращая воду в кристаллы льда вокруг себя. Это привело к развитию ледяных бактерий , у которых удалены гены образования льда. При нанесении на сельскохозяйственные культуры они могут конкурировать с немодифицированными бактериями и придавать некоторую морозоустойчивость.

Это произведение искусства создано с использованием бактерий, модифицированных для экспрессии флуоресцентных белков 8 различных цветов .

Другое применение генетически модифицированных бактерий включает биоремедиацию , когда бактерии используются для преобразования загрязняющих веществ в менее токсичную форму. Генная инженерия может повысить уровень ферментов, используемых для разложения токсинов или повышения устойчивости бактерий в условиях окружающей среды. Биоарт также создан с использованием генетически модифицированных бактерий. В 1980-х годах художник Джон Дэвис и генетик Дана Бойд преобразовали германский символ женственности (ᛉ) в двоичный код, а затем в последовательность ДНК, которая затем была выражена в Escherichia coli . В 2012 году был сделан еще один шаг вперед, когда целая книга была закодирована в ДНК. Картины также создавались с использованием бактерий, трансформированных флуоресцентными белками.

Вирусы

Основная статья: Генетически модифицированный вирус

Вирусы часто модифицируются, поэтому их можно использовать в качестве векторов для внедрения генетической информации в другие организмы. Этот процесс называется трансдукцией , и в случае успеха получатель введенной ДНК становится ГМО. Разные вирусы обладают разной эффективностью и возможностями. Исследователи могут использовать это для контроля различных факторов; включая целевое местоположение, размер вставки и продолжительность экспрессии гена. Любые опасные последовательности, присущие вирусу, должны быть удалены, в то время как те, которые позволяют эффективно доставлять ген, сохраняются.

Хотя вирусные векторы можно использовать для внедрения ДНК практически в любой организм, они особенно важны из-за их потенциала в лечении заболеваний человека. Хотя в основном все еще находится на стадии испытаний, были достигнуты некоторые успехи в использовании генной терапии для замены дефектных генов. Это наиболее очевидно при лечении пациентов с тяжелым комбинированным иммунодефицитом , возникающим на фоне дефицита аденозиндезаминазы (ADA-SCID). хотя развитие лейкемии у некоторых пациентов с ADA-SCID наряду со смертью Джесси Гелсингера в судебном процессе в 1999 году развитие этого подхода отодвинулось на многие годы. В 2009 году был достигнут еще один прорыв, когда восьмилетний мальчик с врожденным амаврозом Лебера восстановил нормальное зрение. а в 2016 году компания GlaxoSmithKline получила разрешение на коммерциализацию генной терапии ADA-SCID. По состоянию на 2018 год проводится значительное количество клинических испытаний , включая лечение гемофилии , глиобластомы , хронической гранулематозной болезни , муковисцидоза и различных видов рака .

Наиболее распространенный вирус, используемый для доставки генов, происходит от аденовирусов , поскольку они могут нести до 7,5 т.п.н. чужеродной ДНК и инфицировать относительно широкий спектр клеток-хозяев, хотя известно, что они вызывают иммунные ответы у хозяина и обеспечивают лишь кратковременную экспрессию. . Другими распространенными векторами являются аденоассоциированные вирусы , которые обладают меньшей токсичностью и более длительной экспрессией, но могут нести только около 4 КБ ДНК. Вирусы простого герпеса представляют собой многообещающие векторы, имеющие емкость более 30 КБ и обеспечивающие длительную экспрессию, хотя они менее эффективны при доставке генов, чем другие векторы. Лучшими векторами для долгосрочной интеграции гена в геном хозяина являются ретровирусы , но их склонность к случайной интеграции проблематична. Лентивирусы являются частью того же семейства, что и ретровирусы, и имеют то преимущество, что инфицируют как делящиеся, так и неделящиеся клетки, тогда как ретровирусы нацелены только на делящиеся клетки. Другие вирусы, которые использовались в качестве векторов, включают альфавирусы , флавивирусы , вирусы кори , рабдовирусы , вирус болезни Ньюкасла , поксвирусы и пикорнавирусы .

Большинство вакцин состоят из вирусов, которые были аттенуированы , отключены, ослаблены или убиты каким-либо образом, так что их вирулентные свойства больше не эффективны. Генная инженерия теоретически может быть использована для создания вирусов с удаленными вирулентными генами. Это не влияет на инфекционность вирусов , вызывает естественный иммунный ответ, и нет никаких шансов, что они восстановят свою вирулентную функцию, что может произойти с некоторыми другими вакцинами. Как таковые, они обычно считаются более безопасными и эффективными, чем обычные вакцины, хотя сохраняются опасения по поводу нецелевого заражения, потенциальных побочных эффектов и горизонтального переноса генов на другие вирусы. Другой потенциальный подход заключается в использовании векторов для создания новых вакцин против болезней, для которых нет доступных вакцин или вакцин, которые неэффективны, таких как СПИД , малярия и туберкулез . Самая эффективная вакцина против туберкулеза, вакцина Bacillus Calmette-Guéren (BCG) , обеспечивает лишь частичную защиту. Модифицированная вакцина, экспрессирующая антиген М. туберкулеза, способна усилить защиту БЦЖ. было показано, что его безопасно использовать В исследованиях фазы II , хотя и не так эффективно, как первоначально надеялись. Другие векторные вакцины уже одобрены, и многие другие находятся в стадии разработки.

Еще одно потенциальное применение генетически модифицированных вирусов — изменить их, чтобы они могли напрямую лечить болезни. Это может происходить за счет экспрессии защитных белков или прямого воздействия на инфицированные клетки. В 2004 году исследователи сообщили, что генетически модифицированный вирус, использующий эгоистичное поведение раковых клеток, может предложить альтернативный способ уничтожения опухолей. С тех пор несколько исследователей разработали генетически модифицированные онколитические вирусы , которые перспективны в качестве лечения различных типов рака . В 2017 году исследователи генетически модифицировали вирус, чтобы он экспрессировал белки дефенсина шпината . Вирус был введен в апельсиновые деревья для борьбы с болезнью позеленения цитрусовых , из-за которой с 2005 года производство апельсинов сократилось на 70%.

Природные вирусные заболевания, такие как миксоматоз и геморрагическая болезнь кроликов , использовались для борьбы с популяциями вредителей. Со временем выжившие вредители становятся устойчивыми, что заставляет исследователей искать альтернативные методы. делают целевых животных бесплодными генетически модифицированные вирусы, которые с помощью иммуноконтрацепции В лаборатории созданы а также другие, которые нацелены на стадию развития животного. Существуют опасения по поводу использования этого подхода в отношении сдерживания вирусов. и межвидовая инфекция. Иногда один и тот же вирус можно модифицировать для разных целей. Генетическая модификация вируса миксомы была предложена для сохранения европейских диких кроликов на Пиренейском полуострове и для регулирования их численности в Австралии. Чтобы защитить иберийские виды от вирусных заболеваний, вирус миксомы был генетически модифицирован для иммунизации кроликов, а в Австралии тот же вирус миксомы был генетически модифицирован для снижения плодовитости австралийской популяции кроликов.

Помимо биологии, ученые использовали генетически модифицированный вирус для создания литий-ионной батареи и других наноструктурированных материалов. Можно сконструировать бактериофаги , чтобы они экспрессировали модифицированные белки на своей поверхности и объединяли их в определенные структуры (метод, называемый фаговым дисплеем ). Эти структуры потенциально могут использоваться для хранения и генерации энергии, биосенсорства и регенерации тканей с помощью некоторых новых материалов, производимых в настоящее время, включая квантовые точки , жидкие кристаллы , нанокольца и нановолокна . Батарея была изготовлена ​​с помощью бактериофагов М13, которые покрыли себя фосфатом железа , а затем собрались в углеродные нанотрубки . Это создало высокопроводящую среду для использования в катоде, позволяющую быстро передавать энергию. Их можно было бы построить при более низких температурах с использованием нетоксичных химикатов, что сделало бы их более экологически чистыми.

Грибы

Грибы можно использовать для многих тех же процессов, что и бактерии. Для промышленного применения дрожжи сочетают в себе бактериальные преимущества одноклеточного организма, которым легко манипулировать и выращивать, с передовыми модификациями белка, обнаруженными у эукариот . Их можно использовать для производства больших сложных молекул для использования в продуктах питания, фармацевтических препаратах, гормонах и стероидах. Дрожжи важны для производства вина, и по состоянию на 2016 год два генетически модифицированных дрожжа, участвующих в ферментации вина, поступили в продажу в США и Канаде. Один из них повышает эффективность малолактической ферментации , а другой предотвращает образование опасных соединений этилкарбамата во время ферментации. Также достигнуты успехи в производстве биотоплива из генетически модифицированных грибов.

Грибы, являющиеся наиболее распространенными возбудителями насекомых, являются привлекательными биопестицидами . В отличие от бактерий и вирусов, они имеют то преимущество, что заражают насекомых только контактным путем, хотя по эффективности они уступают химическим пестицидам . Генная инженерия может улучшить вирулентность, обычно за счет добавления большего количества вирулентных белков. увеличение уровня заражения или усиление устойчивости спор . Многие переносчики болезней восприимчивы к энтомопатогенным грибам . Привлекательной мишенью для биологической борьбы являются комары , переносчики ряда смертельных заболеваний, включая малярию , желтую лихорадку и лихорадку денге . Комары могут развиваться быстро, поэтому их уничтожение становится балансирующим актом до того, как переносимый ими плазмодий станет инфекционным заболеванием, но не так быстро, чтобы они стали устойчивыми к грибкам. С помощью генной инженерии грибов, таких как Metarhizium anisopliae и Beauveria bassiana, для задержки развития инфекционности комаров давление отбора , вызывающее выработку устойчивости, снижается. Другая стратегия — добавить к грибам белки, которые блокируют передачу малярии. или вообще удалить плазмодий .

Agaricus bisporus , обычный белый шампиньон, был отредактирован по гену, чтобы противостоять потемнению, что продлевает срок хранения . В процессе использовался CRISPR для выключения гена, кодирующего полифенолоксидазу . Поскольку он не вводил в организм никакой чужеродной ДНК, он не считался подпадающим под действие существующих механизмов ГМО и, таким образом, является первым организмом, отредактированным с помощью CRISPR, который был одобрен для выпуска. Это усилило споры о том, следует ли считать организмы с отредактированными генами генетически модифицированными организмами. и как их следует регулировать.

Растения

Основная статья: Генетически модифицированное растение

Культура ткани, используемая для регенерации Arabidopsis thaliana

Растения были созданы для научных исследований, для демонстрации новых цветов цветов, доставки вакцин и создания улучшенных урожаев. Многие растения являются плюрипотентными , а это означает, что из одной клетки взрослого растения можно собрать и при правильных условиях превратиться в новое растение. Этой способностью могут воспользоваться генные инженеры; путем отбора клеток, которые были успешно трансформированы во взрослое растение, затем можно вырастить новое растение, содержащее трансген в каждой клетке, посредством процесса, известного как культура ткани .

Большая часть достижений в области генной инженерии стала результатом экспериментов с табаком . Основные достижения в области культуры тканей и клеточных механизмов для широкого спектра растений произошли благодаря системам, разработанным в табаке. Это было первое растение, измененное с помощью генной инженерии, и оно считается модельным организмом не только для генной инженерии, но и для ряда других областей. Таким образом, трансгенные инструменты и процедуры хорошо известны, что делает табак одним из самых простых для трансформации растений. Еще одним важным модельным организмом, имеющим отношение к генной инженерии, является Arabidopsis thaliana . Его небольшой геном и короткий жизненный цикл позволяют легко манипулировать им, и он содержит множество гомологов важных видов сельскохозяйственных культур. Это было первое секвенированное растение , доступно множество онлайн-ресурсов, и его можно трансформировать, просто окунув цветок в трансформированный раствор Agrobacterium .

В исследованиях растения проектируются так, чтобы помочь раскрыть функции определенных генов. Самый простой способ сделать это — удалить ген и посмотреть, какой фенотип разовьется по сравнению с формой дикого типа . Любые различия, возможно, являются результатом отсутствия гена. В отличие от мутагенеза , генная инженерия позволяет целенаправленно удалять, не нарушая другие гены в организме. Некоторые гены экспрессируются только в определенных тканях, поэтому репортерные гены, такие как GUS , могут быть прикреплены к интересующему гену, что позволяет визуализировать его местоположение. Другой способ протестировать ген — слегка изменить его, а затем вернуть растению и посмотреть, оказывает ли он по-прежнему такое же влияние на фенотип. Другие стратегии включают прикрепление гена к сильному промотору и наблюдение за тем, что происходит, когда он сверхэкспрессируется, заставляя ген экспрессироваться в другом месте или на разных стадиях развития .

Сантори "голубая" роза

Некоторые генетически модифицированные растения являются чисто декоративными . Они модифицированы по цвету, аромату, форме цветка и архитектуре растений. Первые генетически модифицированные декоративные растения коммерциализировали измененный цвет. Гвоздики были выпущены в 1997 году, а самый популярный генетически модифицированный организм, голубая роза (на самом деле лавандовая или лиловая ), была создана в 2004 году. Розы продаются в Японии, США и Канаде. Другие генетически модифицированные декоративные растения включают хризантему и петунию . Помимо повышения эстетической ценности, планируется разработать декоративные растения, которые потребляют меньше воды или устойчивы к холоду, что позволит выращивать их за пределами их естественной среды.

Было предложено генетически модифицировать некоторые виды растений, находящиеся под угрозой исчезновения, чтобы сделать их устойчивыми к инвазивным растениям и болезням, таким как изумрудная ясеневая златка в Северной Америке и грибковое заболевание Ceratocystis platani у европейских платанов . Вирус кольцевой пятнистости папайи опустошал деревья папайи на Гавайях в двадцатом веке, пока трансгенные растения папайи не приобрели устойчивость к патогену. Однако генетическая модификация растений с целью сохранения остается в основном спекулятивной. Уникальная проблема заключается в том, что трансгенные виды могут больше не иметь достаточного сходства с исходным видом, чтобы действительно утверждать, что исходный вид сохраняется. Вместо этого трансгенные виды могут генетически отличаться настолько, что их можно будет считать новым видом, что снижает природоохранную ценность генетической модификации.

Культуры

Основная статья: Генетически модифицированные культуры

См. Также: Генетически модифицированная еда.

Арахис дикого типа ( вверху ) и трансгенный арахис с Bacillus thuringiensis добавленным геном ( внизу ), подвергнутый воздействию личинки кукурузного мотыля

Генетически модифицированные сельскохозяйственные культуры — это генетически модифицированные растения, которые используются в сельском хозяйстве . Первые разработанные сельскохозяйственные культуры использовались в пищу животным и людям и обеспечивали устойчивость к определенным вредителям, болезням, условиям окружающей среды, порче или химической обработке (например, устойчивость к гербицидам ). Второе поколение сельскохозяйственных культур было направлено на улучшение качества, часто за счет изменения профиля питательных веществ . Генетически модифицированные культуры третьего поколения могут быть использованы в непродовольственных целях, включая производство фармацевтических препаратов , биотоплива и других промышленно полезных товаров, а также для биоремедиации .

Кенийцы исследуют устойчивую к насекомым трансгенную кукурузу Bacillus thuringiensis (Bt)

Есть три основные цели развития сельского хозяйства; увеличение производства, улучшение условий для сельскохозяйственных рабочих и устойчивость . ГМ-культуры способствуют повышению урожайности за счет снижения давления насекомых, повышения питательной ценности и устойчивости к различным абиотическим стрессам . Несмотря на этот потенциал, по состоянию на 2018 год коммерческие культуры ограничиваются в основном товарными культурами , такими как хлопок, соя, кукуруза и рапс, и подавляющее большинство интродуцированных признаков обеспечивают либо устойчивость к гербицидам, либо устойчивость к насекомым. На долю сои пришлось половина всех генетически модифицированных культур, посаженных в 2014 году. Принятие фермерами было быстрым: в период с 1996 по 2013 год общая площадь земель, возделываемых ГМ-культурами, увеличилась в 100 раз. Однако географически распространение было неравномерным: высокие темпы роста наблюдались в Северной и Южной Америке и некоторых частях Азии и незначительные в Европе и Африке. Его социально-экономическое распространение было более равномерным: в 2013 году примерно 54% ​​мировых ГМ-культур было выращено в развивающихся странах . Хоть и были сомнения, Большинство исследований показали, что выращивание ГМ-культур приносит пользу фермерам за счет снижения использования пестицидов, а также увеличения урожайности и прибыли ферм.

Большинство ГМ-культур были модифицированы для обеспечения устойчивости к выбранным гербицидам, обычно глифосата или глюфосината на основе . Генетически модифицированные культуры, устойчивые к гербицидам, теперь более доступны, чем устойчивые сорта, выведенные традиционным способом; в США 93% соевых бобов и большая часть выращиваемой ГМ-кукурузы устойчивы к глифосату. Большинство доступных в настоящее время генов, используемых для создания устойчивости к насекомым, происходят от бактерии Bacillus thuringiensis и кодируют дельта-эндотоксины . Некоторые используют гены, кодирующие вегетативные инсектицидные белки . Единственным геном, коммерчески используемым для защиты от насекомых, который не происходит от B. thuringiensis, является коровьего гороха ингибитор трипсина (CpTI). CpTI был впервые одобрен для использования на хлопке в 1999 году и в настоящее время проходит испытания на рисе. Менее одного процента ГМ-культур содержали другие характеристики, в том числе обеспечение устойчивости к вирусам, задержку старения и изменение состава растений.

Золотой рис по сравнению с белым рисом

Золотой рис — наиболее известная ГМ-культура, цель которой — повысить питательную ценность. Он был создан с использованием трех генов, которые биосинтезируют бета-каротин , предшественник витамина А , в съедобных частях риса. Он предназначен для производства обогащенных продуктов питания, которые будут выращиваться и потребляться в районах с нехваткой диетического витамина А. дефицит, от которого, по оценкам, каждый год умирает 670 000 детей в возрасте до 5 лет. и вызвать еще 500 000 случаев необратимой детской слепоты. Первоначальный золотой рис производил 1,6 мкг/г каротиноидов , а при дальнейшем развитии это количество увеличилось в 23 раза. Первые разрешения на использование в пищу он получил в 2018 году.

Растения и растительные клетки были генетически модифицированы для производства биофармацевтических препаратов в биореакторах – процесс, известный как фарминг . Работа проведена с ряской ряской малой , водоросли Chlamydomonas Reinhardtii и мох Physcomitrella patens . Производимые биофармацевтические препараты включают цитокины , гормоны , антитела , ферменты и вакцины, большая часть которых накапливается в семенах растений. Многие лекарства также содержат натуральные растительные ингредиенты, а пути их производства были генетически изменены или переданы другим видам растений для производства большего объема. Другие варианты биореакторов — биополимеры. и биотопливо . В отличие от бактерий, растения могут модифицировать белки посттрансляционно , что позволяет им создавать более сложные молекулы. Они также представляют меньший риск заражения. Лекарственные препараты были культивированы в трансгенных клетках моркови и табака. включая медикаментозное лечение болезни Гоше .

Производство и хранение вакцин имеет большой потенциал с использованием трансгенных растений. Вакцины дорого производить, транспортировать и применять, поэтому наличие системы, которая могла бы производить их на местном уровне, позволило бы расширить доступ к более бедным и развивающимся регионам. Помимо очистки вакцин, экспрессированных в растениях, также возможно производить съедобные вакцины из растений. Съедобные вакцины стимулируют иммунную систему при приеме внутрь для защиты от определенных заболеваний. Хранение в растениях снижает долгосрочные затраты, поскольку их можно распространять без необходимости хранения в холодильнике, они не требуют очистки и обладают долгосрочной стабильностью. Кроме того, нахождение в растительных клетках обеспечивает некоторую защиту от кишечных кислот при пищеварении. Однако стоимость разработки, регулирования и содержания трансгенных растений высока, что приводит к тому, что большинство современных разработок вакцин на основе растений применяются в ветеринарной медицине , где контроль не такой строгий.

Генетически модифицированные культуры были предложены в качестве одного из способов сокращения выбросов CO2, связанных с сельским хозяйством, _за счет более высокой урожайности, сокращения использования пестицидов, сокращения использования тракторного топлива и отсутствия обработки почвы. Согласно исследованию 2021 года, только в ЕС широкое внедрение ГМ-культур сократит выбросы парниковых газов на 33 миллиона тонн эквивалента CO ₂ или на 7,5% от общего объема выбросов, связанных с сельским хозяйством.

Животные

Основная статья: Генетически модифицированное животное

Подавляющее большинство генетически модифицированных животных находится на стадии исследований, и их количество, близкое к выходу на рынок, остается небольшим. По состоянию на 2018 год одобрено только три генетически модифицированных животных, все в США. Коза и курица были созданы для производства лекарств, а лосось увеличил свой собственный рост. Несмотря на различия и трудности их модификации, конечные цели во многом такие же, как и для растений. ГМ-животные создаются для исследовательских целей, производства промышленных или терапевтических продуктов, сельскохозяйственного использования или улучшения их здоровья. Существует также рынок создания генетически модифицированных домашних животных.

Млекопитающие

Основная статья: Генетически модифицированные млекопитающие

Некоторые химеры , такие как пятнистая мышь, созданы с помощью методов генетической модификации, таких как нацеливание на гены .

Процесс генной инженерии млекопитающих медленный, утомительный и дорогой. Однако новые технологии делают генетические модификации проще и точнее. Первые трансгенные млекопитающие были созданы путем инъекции вирусной ДНК в эмбрионы и последующей имплантации эмбрионов самкам. Эмбрион будет развиваться, и можно надеяться, что часть генетического материала будет включена в репродуктивные клетки. Затем исследователям придется подождать, пока животное достигнет репродуктивного возраста, а затем потомство будет проверено на наличие гена в каждой клетке. Разработка системы редактирования генов CRISPR -Cas9 как дешевого и быстрого способа прямой модификации зародышевых клеток , эффективно сокращающего вдвое время, необходимое для разработки генетически модифицированных млекопитающих.

Продолжительность: 14 секунд. 0:14

Свиная А. модель гемофилии

Млекопитающие являются лучшими моделями болезней человека, поэтому генно-инженерные модели жизненно важны для открытия и разработки лекарств и методов лечения многих серьезных заболеваний. Выключение генов, ответственных за генетические нарушения человека , позволяет исследователям изучить механизм заболевания и проверить возможные методы лечения. Генетически модифицированные мыши были наиболее распространенными млекопитающими, используемыми в биомедицинских исследованиях , поскольку они дешевы и ими легко манипулировать. Свиньи также являются хорошей мишенью, поскольку они имеют одинаковый размер тела, анатомические особенности, физиологию , патофизиологическую реакцию и рацион питания. Приматы, не относящиеся к человеку, являются модельными организмами, наиболее похожими на человека, но общественность меньше поддерживает их использование в качестве исследовательских животных. успешно перенесли ген приматам ( игрункам ) . В 2009 году учёные объявили, что впервые Их первой целью исследования этих игрунок была болезнь Паркинсона , но они также рассматривали боковой амиотрофический склероз и болезнь Хантингтона .

Человеческие белки, экспрессируемые у млекопитающих, с большей вероятностью будут похожи на свои природные аналоги, чем на белки, экспрессируемые в растениях или микроорганизмах. Стабильная экспрессия была достигнута у овец, свиней, крыс и других животных. В 2009 году был одобрен первый биологический препарат для человека, полученный из такого животного — козы . Препарат ATryn представляет собой антикоагулянт , который снижает вероятность образования тромбов во время операций или родов и извлекается из козьего молока. Человеческий альфа-1-антитрипсин — еще один белок, полученный из коз и используемый для лечения людей с этим дефицитом. Другая область медицины – создание свиней с большей способностью к пересадке органов человека ( ксенотрансплантация ). Свиньи были генетически модифицированы так, что их органы больше не могут переносить ретровирусы. или внести изменения, чтобы уменьшить вероятность отклонения. Химерные свиньи могли нести полностью человеческие органы. Первая трансплантация человеку генетически модифицированного сердца свиньи произошла в 2023 году. и почки в 2024 году.

Животноводство модифицируется с целью улучшения экономически важных характеристик, таких как скорость роста, качество мяса, состав молока, устойчивость к болезням и выживаемость. Животные были созданы, чтобы расти быстрее и быть здоровее и противостоять болезням. Модификации также улучшили производство шерсти овец и здоровье вымени коров. Козы были генетически модифицированы для производства молока с сильными протеинами шелка, похожими на паутину, в их молоке. ГМ-свинья под названием Энвиропиг была создана с возможностью более эффективно переваривать растительный фосфор , чем обычные свиньи. Они могут снизить загрязнение воды, поскольку выделяют на 30–70% меньше фосфора в навозе. Молочные коровы были генетически модифицированы для производства молока, такого же, как грудное молоко человека. Это потенциально может принести пользу матерям, которые не могут производить грудное молоко, но хотят, чтобы их дети получали грудное молоко, а не смесь. Исследователи также разработали генно-инженерную корову, производящую молоко, не вызывающее аллергии.

Мыши, экспрессирующие зеленый флуоресцентный белок

В исследовательских целях ученые генетически модифицировали несколько организмов, в том числе некоторых млекопитающих, включив в них зеленый флуоресцентный белок (GFP). GFP и другие подобные гены-отчетники позволяют легко визуализировать и локализовать продукты генетической модификации. Флуоресцентные свиньи были выведены для изучения трансплантации человеческих органов, регенерации клеток глазных фоторецепторов и других тем. В 2011 году были созданы кошки с зеленой флуоресценцией, чтобы помочь найти методы лечения ВИЧ/СПИДа и других заболеваний. поскольку вирус иммунодефицита кошек связан с ВИЧ .

Были предположения, что генная инженерия может быть использована для спасения животных от вымирания . Он включает в себя изменение генома близкого живого родственника, чтобы он напоминал вымерший, и в настоящее время предпринимаются попытки на странствующем голубе . Гены, связанные с шерстистым мамонтом, были добавлены в геном африканского слона , хотя ведущий исследователь говорит, что у него нет намерений создавать живых слонов, а передача всех генов и обращение вспять лет генетической эволюции далеки от осуществимости. Более вероятно, что ученые смогут использовать эту технологию для сохранения исчезающих животных, возвращая утраченное разнообразие или передавая развитые генетические преимущества от адаптированных организмов тем, кто борется с ними.

Люди

Генная терапия использует генетически модифицированные вирусы для доставки генов, которые могут лечить болезни у людей. Хотя генная терапия все еще относительно нова, она уже добилась определенных успехов. Его использовали для лечения генетических заболеваний, таких как тяжелый комбинированный иммунодефицит , и врожденный амавроз Лебера . Также разрабатываются методы лечения ряда других в настоящее время неизлечимых заболеваний, таких как муковисцидоз . серповидноклеточная анемия , болезнь Паркинсона , рак , диабет , сердечное заболевание и мышечная дистрофия . Эти методы лечения воздействуют только на соматические клетки , а это означает, что любые изменения не передаются по наследству. Генная терапия зародышевой линии приводит к тому, что любые изменения передаются по наследству, что вызывает обеспокоенность в научном сообществе.

В 2015 году CRISPR использовали для редактирования ДНК нежизнеспособных эмбрионов человека . В ноябре 2018 года Хэ Цзянькуй объявил, что он отредактировал геномы двух человеческих эмбрионов, пытаясь отключить ген CCR5 , который кодирует рецептор, который ВИЧ использует для проникновения в клетки. Он сказал, что девочки-близнецы, Лулу и Нана , родились несколькими неделями ранее и что они несут функциональные копии CCR5 наряду с отключенными CCR5 ( мозаицизм ) и все еще уязвимы к ВИЧ. Работа была широко осуждена как неэтичная, опасная и преждевременная.

Рыба

Основная статья: Генетически модифицированная рыба

При воздействии воды температурой 13 °C рыбки данио, модифицированные для экспрессии карпа креатинкиназы ( справа ), сохраняли плавательное поведение, в то время как рыбки данио дикого типа ( слева ) не могли.

Генетически модифицированную рыбу используют в научных исследованиях, в качестве домашних животных и в качестве источника пищи. Аквакультура является растущей отраслью, в настоящее время обеспечивающей более половины потребляемой рыбы во всем мире. С помощью генной инженерии можно увеличить темпы роста, снизить потребление пищи, убрать аллергенные свойства, повысить холодоустойчивость и обеспечить устойчивость к болезням. Рыбу также можно использовать для обнаружения загрязнения водной среды или в качестве биореактора.

Несколько групп разрабатывали рыбок данио для обнаружения загрязнения путем прикрепления флуоресцентных белков к генам, активируемым присутствием загрязняющих веществ. После этого рыба начнет светиться, и ее можно будет использовать в качестве датчиков окружающей среды. GloFish — это бренд генетически модифицированных флуоресцентных рыбок данио ярко-красного, зеленого и оранжевого флуоресцентного цвета. Первоначально он был разработан одной из групп для обнаружения загрязнения, но теперь является частью торговли декоративными рыбами, став первым генетически модифицированным животным, ставшим общедоступным в качестве домашнего животного, когда в 2003 году оно было выставлено на продажу в США.

ГМ-рыба широко используется в фундаментальных исследованиях в области генетики и развития. Два вида рыб, рыбки данио и медака , чаще всего модифицируются, поскольку они имеют оптически прозрачные хорионы (мембраны в яйце), быстро развиваются, а одноклеточный эмбрион легко увидеть и микроинъецировать трансгенной ДНК. Рыбки данио являются модельными организмами для процессов развития, регенерации , генетики, поведения, механизмов заболеваний и испытаний на токсичность. Их прозрачность позволяет исследователям наблюдать стадии развития, функции кишечника и рост опухоли. Создание трансгенных протоколов (специфичных для всего организма, клеток или тканей, меченных репортерными генами) повысило уровень информации, получаемой при изучении этих рыб.

ГМ-рыба была выведена с помощью промоутеров, стимулирующих перепроизводство гормона роста для использования в индустрии аквакультуры , чтобы ускорить развитие и потенциально снизить нагрузку промысла на дикие запасы. Это привело к резкому ускорению роста нескольких видов, включая лосося , форель и тилапия . Биотехнологическая компания AquaBounty Technologies произвела лосося (называемого лососем AquAdvantage ), который созревает вдвое быстрее, чем дикий лосось. В 2015 году он получил одобрение регулирующих органов и стал первым коммерческим продуктом, не содержащим ГМО. По состоянию на август 2017 года ГМО-лосось продается в Канаде. Продажи в США стартовали в мае 2021 года.

Насекомые

Смотрите также: Генетически модифицированное насекомое.

Продолжительность: 51 секунда. 0:51

Сверхэкспрессия метил -CpG-связывающего белка 2 у дрозофилы ухудшает способность лазать ( справа ) по сравнению с контрольной группой ( слева ).

В биологических исследованиях трансгенные плодовые мушки ( Drosophila melanogaster ) являются модельными организмами, используемыми для изучения влияния генетических изменений на развитие. Плодовых мушек часто предпочитают другим животным из-за их короткого жизненного цикла и низких требований к содержанию. У них также относительно простой геном по сравнению со многими позвоночными , обычно имеющий только одну копию каждого гена, что упрощает фенотипический анализ. Дрозофила использовалась для изучения генетики и наследственности, эмбрионального развития, обучения, поведения и старения. Открытие транспозонов , в частности p-элемента , у дрозофилы предоставило ранний метод добавления трансгенов в их геном, хотя этот метод был заменен более современными методами редактирования генов.

Из-за их важности для здоровья человека ученые ищут способы борьбы с комарами с помощью генной инженерии. В лаборатории были созданы устойчивые к малярии комары путем введения гена, который замедляет развитие малярийного паразита. а затем использовать самонаводящиеся эндонуклеазы для быстрого распространения этого гена среди мужской популяции (так называемый генный драйв ). Этот подход получил дальнейшее развитие благодаря использованию генного драйва для распространения смертельного гена. В ходе испытаний популяция комаров Aedes aegypti , единственного наиболее важного переносчика лихорадки денге и вируса Зика, сократилась на 80–90%. Другой подход заключается в использовании метода стерильных насекомых , при котором самцы генетически модифицированы так, чтобы они были стерильными, а не конкурирующими жизнеспособными самцами, чтобы сократить численность популяции.

Другими насекомыми-вредителями, которые могут стать привлекательной мишенью, являются моль . Ежегодно во всем мире моль наносит ущерб на сумму от 4 до 5 миллиардов долларов США. Этот подход аналогичен стерильному методу, испытанному на комарах, где самцов трансформируют с помощью гена, который не позволяет рожденным самкам достичь зрелости. В 2017 году они прошли полевые испытания. Генетически модифицированные мотыльки ранее подвергались полевым испытаниям. В этом случае штамм розового коробочного червя , стерилизованный радиацией, был генетически модифицирован так, чтобы экспрессировать красный флуоресцентный белок , что облегчило исследователям мониторинг за ним.

Шелкопряд, личиночная стадия Bombyx mori , является экономически важным насекомым в шелководстве . Ученые разрабатывают стратегии по повышению качества и количества шелка. Существует также потенциал использования оборудования для производства шелка для производства других ценных белков. Белки, которые в настоящее время разрабатываются для экспрессии шелковичными червями, включают; человеческий сывороточный альбумин , α-цепь коллагена человека , мышиные моноклональные антитела и N-гликаназа . Были созданы шелковичные черви, которые производят паучий шелк , более прочный, но чрезвычайно трудный для сбора шелк. и даже новые шелка.

Другой

Лягушка, экспрессирующая зеленый флуоресцентный белок

Были разработаны системы для создания трансгенных организмов у множества других животных. Куры были генетически модифицированы для различных целей. Это включает в себя изучение развития эмбриона , предотвращение передачи птичьего гриппа и предоставление эволюционных идей с использованием обратного проектирования для воссоздания фенотипов динозавров. ГМ-курица, которая производит в своем яйце препарат Канума , фермент, который лечит редкое заболевание, получила одобрение регулирующих органов США в 2015 году. Генетически модифицированные лягушки, в частности Xenopus laevis и Xenopus тропический , используются в биологии развития исследованиях . ГМ-лягушки также можно использовать в качестве датчиков загрязнения, особенно химических веществ, нарушающих работу эндокринной системы . Есть предложения использовать генную инженерию для борьбы с тростниковыми жабами в Австралии .

Нематода области Caenorhabditis elegans — один из основных модельных организмов для исследований в молекулярной биологии . РНК-интерференция (РНКи) была обнаружена у C. elegans. и может быть вызвано простым кормлением их бактериями, модифицированными для экспрессии двухцепочечной РНК . Также относительно легко получить стабильные трансгенные нематоды, и это, наряду с РНКи, является основным инструментом, используемым при изучении их генов. Наиболее распространенным использованием трансгенных нематод является изучение экспрессии и локализации генов путем прикрепления репортерных генов. Трансгены также можно комбинировать с методами РНКи для спасения фенотипов, изучения функции генов, визуализации развития клеток в реальном времени или контроля экспрессии в различных тканях или стадиях развития. Трансгенные нематоды использовались для изучения вирусов. токсикология, болезни, и для обнаружения загрязнителей окружающей среды.

Трансгенная гидра, экспрессирующая зеленый флуоресцентный белок

Ген, ответственный за альбинизм у морских огурцов, был обнаружен и использован для создания белых морских огурцов , редкого деликатеса. Эта технология также открывает путь к исследованию генов, ответственных за некоторые необычные свойства огурцов, в том числе за спячку летом, потрошение кишечника и растворение тел после смерти. Плоские черви обладают способностью регенерировать из одной клетки. До 2017 года не было эффективного способа их преобразования, что затрудняло исследования. С помощью микроинъекций и радиации ученые создали первых генетически модифицированных плоских червей. Щетинковый червь , морской кольчатый червь , был модифицирован. Он представляет интерес тем, что его репродуктивный цикл синхронизирован с лунными фазами, способностью к регенерации и медленной скоростью эволюции. Книдарии, такие как гидра и актиния Nematostella vectensis, являются привлекательными модельными организмами для изучения эволюции иммунитета и некоторых процессов развития. Другие животные, которые были генетически модифицированы, включают улиток , гекконы , черепахи , раки , устрицы , креветки , моллюски , морское ушко и губки .

Регулирование

Основная статья: Регулирование генной инженерии

Использование генетически модифицированных организмов регулируется государственными органами. Это относится как к исследованиям, так и к выпуску генетически модифицированных организмов, включая сельскохозяйственные культуры и продукты питания. Разработка нормативной базы, касающейся генной инженерии, началась в 1975 году в Асиломаре , Калифорния. Встреча в Асиломаре рекомендовала ряд руководящих принципов относительно осторожного использования рекомбинантной технологии и любых продуктов, полученных на основе этой технологии. Картахенский протокол по биобезопасности был принят 29 января 2000 г. и вступил в силу 11 сентября 2003 г. Это международный договор, регулирующий передачу, обращение и использование генетически модифицированных организмов. Сто пятьдесят семь стран являются членами Протокола, и многие используют его в качестве отправной точки для своих собственных правил.

В университетах и ​​исследовательских институтах обычно есть специальный комитет, который отвечает за одобрение любых экспериментов, связанных с генной инженерией. Для многих экспериментов также требуется разрешение национальной регулирующей группы или законодательства. Весь персонал должен быть обучен использованию ГМО, а все лаборатории должны получить разрешение своего регулирующего органа на работу с ГМО. Законодательство, касающееся ГМО, часто основывается на правилах и руководящих принципах, действующих для не-ГМО-вариантов организма, хотя они и более строгие. Существует почти универсальная система оценки относительных рисков, связанных с ГМО и другими агентами, для сотрудников лабораторий и общества. Им относят к одной из четырех категорий риска в зависимости от их вирулентности, тяжести заболевания, способа передачи и доступности профилактических мер или лечения. Существует четыре уровня биобезопасности , которым может соответствовать лаборатория: от уровня 1 (который подходит для работы с агентами, не связанными с заболеванием) до уровня 4 (работа с опасными для жизни агентами). В разных странах используется разная номенклатура для описания уровней и могут предъявляться разные требования к тому, что можно делать на каждом уровне.

Этикетка, на которой указано, что это арахисовое масло не содержит ГМО.

Фрагмент коробки французского сыра с надписью «производство без ГМО» (т. е. содержание ниже 0,9%).

Между странами существуют различия в регулировании выпуска ГМО, причем некоторые из наиболее заметных различий наблюдаются между США и Европой. Регулирование варьируется в каждой стране в зависимости от предполагаемого использования продуктов генной инженерии. Например, культуры, не предназначенные для употребления в пищу, обычно не проверяются органами, ответственными за безопасность пищевых продуктов. Некоторые страны запретили выпуск ГМО или ограничили их использование, а другие разрешают их с разной степенью регулирования. В 2016 году тридцать восемь стран официально запретили или запретили выращивание ГМО, а девять (Алжир, Бутан, Кения, Кыргызстан, Мадагаскар, Перу, Россия, Венесуэла и Зимбабве) запретили их ввоз. Большинство стран, которые не разрешают выращивание ГМО, разрешают исследования с использованием ГМО. Несмотря на регулирование, иногда происходили незаконные выпуски из-за слабости правоприменения.

Европейский Союз (ЕС) проводит различие между разрешением на выращивание в ЕС и разрешением на импорт и переработку. Хотя лишь немногие ГМО были одобрены для выращивания в ЕС, ряд ГМО был одобрен для импорта и переработки. Выращивание ГМО вызвало дискуссию о рынке ГМО в Европе. В зависимости от правил сосуществования, стимулы для выращивания ГМ-культур различаются. Политика США не фокусируется на этом процессе так сильно, как другие страны, рассматривает поддающиеся проверке научные риски и использует концепцию существенной эквивалентности . Спорным остается вопрос о том, следует ли регулировать генно-отредактированные организмы так же, как и генетически модифицированные организмы. Законодательство США рассматривает их как отдельные и не регулирует их на одних и тех же условиях, в то время как в Европе ГМО — это любой организм, созданный с использованием методов генной инженерии.

Один из ключевых вопросов, волнующих регулирующие органы, заключается в том, следует ли маркировать ГМ-продукты. Европейская комиссия заявляет, что обязательная маркировка и отслеживание необходимы, чтобы обеспечить осознанный выбор и избежать потенциальной ложной рекламы. и облегчить изъятие продукции в случае обнаружения вредного воздействия на здоровье или окружающую среду. Американская медицинская ассоциация и Американская ассоциация содействия развитию науки говорят, что отсутствие научных доказательств вреда, даже добровольная маркировка, вводит в заблуждение и вызывает ложную тревогу у потребителей. Маркировка продуктов с ГМО на рынке требуется в 64 странах. Маркировка может быть обязательной до достижения порогового уровня содержания ГМ (который варьируется в зависимости от страны) или добровольной. В США Национальный стандарт раскрытия информации о биоинженерных пищевых продуктах (дата обязательного соблюдения: 1 января 2022 г.) требует маркировки ГМ-продуктов. В Канаде маркировка ГМ-продуктов является добровольной. в то время как в Европе все продукты питания (включая обработанные пищевые продукты ) или корма , содержащие более 0,9% разрешенных ГМО, должны быть маркированы. В 2014 году продажи продуктов, маркированных как не содержащие ГМО, выросли на 30 процентов и составили 1,1 миллиарда долларов.

Споры

См. Также: Споры о генетически модифицированных продуктах питания.

Существуют разногласия по поводу ГМО, особенно в отношении их выпуска за пределы лабораторных условий. В споре участвуют потребители, производители, биотехнологические компании, государственные регулирующие органы, неправительственные организации и ученые. Многие из этих проблем связаны с ГМ-культурами, безопасностью продуктов питания, произведенных из них, и тем, какое влияние их выращивание окажет на окружающую среду. Эти разногласия привели к судебным разбирательствам, международным торговым спорам и протестам, а также к ограничительному регулированию коммерческой продукции в некоторых странах. Наибольшее беспокойство вызывают последствия ГМО для здоровья и окружающей среды. К ним относятся, могут ли они спровоцировать аллергическую реакцию , могут ли трансгены передаваться в клетки человека и могут ли гены, не одобренные для потребления человеком, попасть в продукты питания .

Протестующий, выступающий за маркировку ГМО

Существует научный консенсус что доступные в настоящее время продукты питания, полученные из ГМ-культур, не представляют большего риска для здоровья человека, чем обычные продукты питания, но каждый ГМ-продукт перед внедрением необходимо тестировать в каждом конкретном случае. Тем не менее, представители общественности гораздо менее склонны, чем ученые, воспринимать ГМ-продукты как безопасные. Правовой и нормативный статус ГМ-продуктов варьируется в зависимости от страны: некоторые страны запрещают или ограничивают их, а другие разрешают их с очень разной степенью регулирования.

Еще в 1990-е годы считалось, что поток генов в дикие популяции маловероятен и редок, а если он и произойдет, то его легко искоренить. Считалось, что это не приведет к дополнительным экологическим затратам или рискам – не ожидалось никаких последствий, кроме тех, которые уже вызваны применением пестицидов. Однако за прошедшие десятилетия было замечено несколько таких примеров. Поток генов между ГМ-культурами и совместимыми растениями, а также более широкое использование гербицидов широкого спектра действия . может увеличить риск появления популяций сорняков , устойчивых к гербицидам . Дебаты о масштабах и последствиях потока генов усилились в 2001 году, когда была опубликована статья, показывающая, что трансгены были обнаружены в кукурузе ландрас этой культуры в Мексике, центре разнообразия . Было обнаружено, что поток генов от ГМ-культур к другим организмам обычно ниже, чем естественный. Чтобы решить некоторые из этих проблем, были разработаны некоторые ГМО, обладающие свойствами, помогающими контролировать их распространение. Чтобы предотвратить непреднамеренное размножение генетически модифицированного лосося с диким лососем, вся рыба, выращиваемая в пищу, является самками, триплоидными , 99% репродуктивно стерильна и выращивается в районах, где сбежавший лосось не смог выжить. Бактерии также были модифицированы, чтобы зависеть от питательных веществ, которые невозможно найти в природе. и была разработана, хотя и еще не продана, технология ограничения генетического использования , которая делает второе поколение ГМ-растений стерильным.

Другие экологические и агрономические проблемы включают сокращение биоразнообразия, увеличение числа вторичных вредителей (нецелевых вредителей) и появление устойчивых насекомых-вредителей. В районах Китая и США, где выращиваются Bt-культуры, общее биоразнообразие насекомых увеличилось, а воздействие вторичных вредителей было минимальным. Было обнаружено, что сопротивление развивается медленно, если следовать передовым стратегиям. Влияние культур Bt на полезные нецелевые организмы стало общественной проблемой после того, как в статье 1999 года было высказано предположение, что они могут быть токсичными для бабочек-монархов . Последующие исследования с тех пор показали, что уровни токсичности, обнаруженные в полевых условиях, были недостаточно высокими, чтобы нанести вред личинкам.

обвинения в том, что ученые « играют в Бога » и другие религиозные вопросы . С самого начала этой технологии приписывали Теперь, когда появилась возможность генетически модифицировать людей, возникают этические проблемы относительно того, как далеко должна зайти эта технология и следует ли ее вообще использовать. Много споров вращается вокруг того, где проходит грань между лечением и улучшением и должны ли изменения передаваться по наследству. Другие проблемы включают загрязнение запасов негенетически модифицированных продуктов питания, строгость нормативного процесса, усиление контроля над поставками продуктов питания в компаниях, производящих и продающих ГМО, преувеличение преимуществ генетической модификации, или опасения по поводу использования гербицидов с глифосатом . Среди других поднятых вопросов - патентование жизни. и использование прав интеллектуальной собственности .

Существуют большие различия в принятии потребителями ГМО: европейцы чаще относятся к ГМО-продуктам негативно, чем жители Северной Америки. ГМО появились на сцене, поскольку доверие общественности к безопасности пищевых продуктов, вызванное недавними опасениями по поводу пищевых продуктов, такими как губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота и другими скандалами, связанными с государственным регулированием продуктов в Европе, было низким. Это, а также кампании, проводимые различными неправительственными организациями (НПО), оказались очень успешными в блокировании или ограничении использования ГМ-культур. Такие НПО, как Ассоциация потребителей органической продукции , Союз обеспокоенных ученых , Гринпис и другие группы заявили, что риски не были должным образом выявлены и управляемы. и что остаются без ответа вопросы относительно потенциального долгосрочного воздействия на здоровье человека продуктов питания, полученных из ГМО. Предлагают обязательную маркировку или мораторий на такие продукты.

Внешние ссылки

• база данных ИС
• ГМО-Компас: Информация о генетически модифицированных организмах