Опасности синтетической биологии
| Часть серии статей о |
| Синтетическая биология |
|---|
| Синтетические биологические схемы |
| Редактирование генома |
| Искусственные клетки |
| Ксенобиология |
| Другие темы |
Опасности синтетической биологии включают угрозы биобезопасности для работников и населения, опасности биобезопасности , возникающие в результате преднамеренной разработки организмов с целью причинения вреда, а также опасности для окружающей среды. Опасности для биобезопасности аналогичны угрозам, возникающим в существующих областях биотехнологии, в основном это воздействие патогенов и токсичных химикатов; однако новые синтетические организмы могут иметь новые риски. Что касается биобезопасности, существуют опасения, что синтетические или модифицированные организмы теоретически могут быть использованы для биотерроризма . Потенциальные риски биобезопасности включают воссоздание известных патогенов с нуля, создание более опасных существующих патогенов и создание микробов для производства вредных биохимических веществ. Наконец, экологические опасности включают неблагоприятное воздействие на биоразнообразие и экосистемные услуги , включая потенциальные изменения в землепользовании в результате использования синтетических организмов в сельском хозяйстве.
В целом, существующие меры контроля за опасностями , методологии оценки рисков и правила, разработанные для традиционных генетически модифицированных организмов (ГМО), также применимы и к синтетическим организмам. «Внешние» методы биозащиты , используемые в лабораториях, включают боксы биобезопасности и перчаточные боксы , а также средства индивидуальной защиты . В сельском хозяйстве они включают изоляционные расстояния и пыльцевые барьеры, аналогичные методам биологического сдерживания ГМО . Синтетические организмы потенциально могут обеспечить повышенный контроль над опасностями, поскольку они могут быть созданы с использованием «внутренних» методов биосдерживания, которые ограничивают их рост в неконтролируемой среде или предотвращают горизонтальную передачу генов природным организмам. Примеры внутреннего биосдерживания включают ауксотрофию , биологические переключатели уничтожения , неспособность организма реплицировать или передавать синтетические гены потомству, а также использование ксенобиологических организмов с использованием альтернативной биохимии, например, с использованием искусственных ксенонуклеиновых кислот (XNA) вместо ДНК.
Существующие системы анализа рисков для ГМО в целом применимы к синтетическим организмам, хотя могут возникнуть трудности для организмов, построенных «снизу вверх» из отдельных генетических последовательностей. Синтетическая биология обычно подпадает под действие существующих правил в отношении ГМО и биотехнологии в целом, а также любых правил, существующих для последующих коммерческих продуктов, хотя, как правило, ни в одной юрисдикции нет правил, специфичных для синтетической биологии.
Фон
[ редактировать ]Синтетическая биология является результатом биотехнологии, отличающейся использованием биологических путей или организмов, не встречающихся в природе. Это контрастирует с «традиционными» генетически модифицированными организмами, созданными путем переноса существующих генов из одного типа клеток в другой. Основные цели синтетической биологии включают в себя перепроектирование генов, клеток или организмов для генной терапии ; разработка минимальных клеток и искусственных протоклеток ; и развитие организмов на основе альтернативной биохимии . [1] Эта работа была обусловлена разработкой генома инструментов синтеза и редактирования , а также пулов стандартизированных синтетических биологических схем с определенными функциями. Доступность этих инструментов стимулировала расширение биологического движения «сделай сам» . [2] : 5 [3]
Синтетическая биология имеет потенциальное коммерческое применение в энергетике, сельском хозяйстве, медицине и производстве химических веществ, включая фармацевтические препараты. [1] Биосинтетические применения часто различают либо для «использования в замкнутых системах» внутри лабораторий и производственных предприятий, либо для «намеренного выпуска» за пределами лаборатории для медицинских, ветеринарных, косметических или сельскохозяйственных применений. [2] : 24 Поскольку приложения синтетической биологии все чаще используются в промышленности, ожидается, что число и разнообразие работников, подвергающихся риску, связанному с синтетической биологией, будет увеличиваться. [4]
Опасности
[ редактировать ]Биобезопасность
[ редактировать ]
Опасности биобезопасности для работников синтетической биологии аналогичны угрозам в существующих областях биотехнологии, в основном это воздействие патогенов и токсичных химикатов, используемых в лабораторных или промышленных условиях. [1] [4] К ним относятся опасные химические вещества ; биологические опасности , включая организмы, прионы и токсины биологического происхождения; физические опасности , такие как эргономические опасности , радиация и шум ; и дополнительные опасности травм от автоклавов , центрифуг , сжатого газа , криогенов и электрических опасностей . [5]
Новые протоклетки или ксенобиологические организмы, а также редактирование генов высших животных могут иметь новые угрозы биобезопасности, которые влияют на их оценку риска. По состоянию на 2018 год большинство руководств по лабораторной биобезопасности основано на предотвращении воздействия существующих, а не новых патогенов. [4] Лентивирусные векторы, полученные из вируса ВИЧ-1, широко используются в генной терапии из-за их уникальной способности инфицировать как делящиеся, так и неделящиеся клетки, однако непреднамеренное воздействие на работников может привести к раку и другим заболеваниям. [1] [4] В случае непреднамеренного заражения можно использовать антиретровирусные препараты в качестве постконтактной профилактики . [4]
Учитывая совпадение между синтетической биологией и биологическим движением «сделай сам» , были высказаны опасения, что ее практикующие специалисты могут не соблюдать методы оценки рисков и биобезопасности, требуемые от профессионалов. [2] : 39 хотя было высказано предположение, что существует неофициальный этический кодекс, который признает риски для здоровья и другие неблагоприятные последствия. [3] : 15
Биобезопасность
[ редактировать ]
Развитие синтетической биологии также усилило опасения по поводу биобезопасности , что синтетические или модифицированные организмы могут быть созданы для целей биотерроризма . Это считается возможным, но маловероятным, учитывая ресурсы, необходимые для проведения такого рода исследований. [1] Однако синтетическая биология могла бы расширить группу людей с соответствующими способностями и сократить время, необходимое для их развития. [6] : 2–7
(NASEM) за 2018 год В отчете Национальной академии наук, техники и медицины указаны три возможности, вызывающие наибольшую озабоченность. Первый — это воссоздание известных патогенов с нуля, например, с использованием синтеза генома для воссоздания исторических вирусов, таких как вирус испанского гриппа или вирус полиомиелита . [3] : 12, 14 [6] : 2–7 Современные технологии позволяют синтезировать геном практически любого вируса млекопитающих, последовательности известных человеческих вирусов общедоступны, а процедура имеет относительно низкую стоимость и требует доступа к базовому лабораторному оборудованию. Однако патогены будут обладать известными свойствами и могут быть смягчены стандартными мерами общественного здравоохранения, а также могут быть частично предотвращены путем скрининга коммерчески производимых молекул ДНК. В отличие от вирусов, создание существующих бактерий или совершенно новых патогенов с нуля по состоянию на 2018 год еще не было возможным и считалось низким риском. [6] : 39–43, 54–56
Еще одна возможность, вызывающая беспокойство, на которую указывает NASEM, — это создание более опасных существующих патогенов. Это включает в себя изменение целевого хозяина или ткани или стабильности патогена , а также усиление репликации, вирулентности , трансмиссивности ; или его способность продуцировать токсины, реактивироваться из состояния покоя, уклоняться от естественного или вызванного вакцинацией иммунитета или уклоняться от обнаружения. NASEM считает, что искусственные бактерии представляют более высокий риск, чем вирусы, поскольку ими легче манипулировать, а их геномы более стабильны с течением времени. [6] : 5, 44–53
Последняя возможность, вызывающая беспокойство, на которую указывает NASEM, — это создание микробов для производства вредных биохимических веществ. Метаболическая инженерия микроорганизмов — хорошо зарекомендовавшая себя область, ориентированная на производство топлива, химикатов, пищевых ингредиентов и фармацевтических препаратов, но ее можно использовать для производства токсинов , антиметаболитов , контролируемых веществ , взрывчатых веществ или химического оружия . Считалось, что это более высокий риск для веществ природного происхождения, чем для искусственных. [6] : 59–65
Существует также вероятность появления новых угроз, которые NASEM считал менее рискованными из-за их технических проблем. Доставка искусственно созданного организма в микробиом человека сопряжена с проблемами доставки и сохранения в микробиоме, хотя атаку будет трудно обнаружить и смягчить. Патогены, созданные для изменения иммунной системы человека, вызывая иммунодефицит , гиперреактивность или аутоиммунитет , или непосредственно изменяющие геном человека, также считались менее опасными из-за серьезных технических проблем. [6] : 65–83
Относящийся к окружающей среде
[ редактировать ]Экологические опасности включают токсичность для животных и растений, а также неблагоприятное воздействие на биоразнообразие и экосистемные услуги . Например, токсин, введенный в растение для борьбы с конкретными насекомыми- вредителями, может также воздействовать на других беспозвоночных. [2] : 18 Некоторые весьма спекулятивные опасности включают в себя то, что сконструированные организмы становятся инвазивными и вытесняют естественные, а также горизонтальный перенос генов от сконструированных организмов к природным. [7] [8] Генные стимулы, направленные на подавление переносчиков болезней, могут непреднамеренно повлиять на приспособленность целевых видов и изменить баланс экосистемы. [8]
Кроме того, синтетическая биология может привести к изменениям в землепользовании, например, к вытеснению непищевых синтетических организмов других видов сельскохозяйственного использования или диких земель. Это также может привести к тому, что продукция будет производиться несельскохозяйственными методами или посредством крупномасштабного коммерческого сельского хозяйства, что может экономически вытеснить мелких фермеров. Наконец, существует риск того, что методы сохранения, основанные на синтетической биологии, такие как воскрешение , могут уменьшить поддержку традиционных усилий по сохранению. [8] [9]
Контроль опасности
[ редактировать ]Внешний
[ редактировать ]
Внешнее биологическое сдерживание включает в себя физическое сдерживание с помощью инженерных средств контроля, таких как шкафы биологической безопасности и перчаточные боксы . [4] [10] а также средства индивидуальной защиты, включая перчатки, пальто, халаты, бахилы, обувь, респираторы, защитные маски, защитные очки и защитные очки. Кроме того, помещения, используемые для синтетической биологии, могут включать зоны дезактивации, специализированные системы вентиляции и очистки воздуха, а также отделение лабораторных рабочих зон от доступа публики. [10] Эти процедуры являются общими для всех микробиологических лабораторий. [4]
В сельском хозяйстве внешние методы биосдерживания включают поддержание изоляционных расстояний и физических барьеров для пыльцы , чтобы предотвратить оплодотворение растений дикого типа модифицированными организмами, а также посев модифицированных семян и семян дикого типа в разное время, чтобы периоды их цветения не перекрывались. [11]
Внутренний
[ редактировать ]
Внутреннее биологическое сдерживание — это упреждающее проектирование функциональных возможностей или недостатков организмов и систем с целью снижения их опасностей. Он уникален для искусственно созданных организмов, таких как ГМО и синтетические организмы, и является примером замены опасностей и предотвращения их посредством проектирования . Внутреннее биосдерживание может преследовать множество целей, включая контроль роста в лаборатории или после непреднамеренного высвобождения, предотвращение горизонтального переноса генов в природные клетки, предотвращение использования в целях биотерроризма или защиту интеллектуальной собственности создателей организма. [4] Высказывались опасения, что существующие генетические средства защиты недостаточно надежны из-за способности организма терять их в результате мутации. Однако они могут быть полезны в сочетании с другими средствами контроля опасностей и могут обеспечить улучшенную защиту по сравнению с ГМО. [2] : 6, 40–43 [4]
Многие подходы подпадают под действие внутреннего биосдерживания. Ауксотрофия — это неспособность организма синтезировать определенное соединение, необходимое для его роста, что означает, что организм не может выжить, если ему не будет предоставлено это соединение. Выключатель уничтожения — это путь, который инициирует гибель клеток, запускаемую сигналом человека. [2] : 40–43 [4] Неспособность организмов к репликации — еще один такой метод. [2] : 50
Методы, специфичные для растений, включают цитоплазматическую мужскую стерильность , при которой жизнеспособная пыльца не может быть получена; и транспластомные растения , у которых модификации вносятся только в ДНК хлоропластов , которая не включается в пыльцу. [11]
Методы, специфичные для вирусных векторов, включают разделение ключевых компонентов между несколькими плазмидами, исключение дополнительных белков, связанных с функцией вируса дикого типа как патогена, но не как вектора, а также использование самоинактивирующихся векторов. [4]
Было высказано предположение, что ксенобиология , использование альтернативной биохимии, отличающейся от природных ДНК и белков, может создать новые внутренние методы биосдерживания, которые невозможны с традиционными ГМО. Это потребует создания инженерных организмов, которые используют искусственные ксенонуклеиновые кислоты (XNA) вместо ДНК и РНК или имеют измененный или расширенный генетический код . [2] : 33–36, 43, 49 Теоретически они были бы неспособны к горизонтальному переносу генов в естественные клетки. Есть предположение, что эти методы могут иметь меньший процент неудач, чем традиционные методы. [2] : 33–36, 43, 49 [4]
Оценка риска
[ редактировать ]Хотя опасности синтетической биологии аналогичны опасностям существующей биотехнологии, процедуры оценки рисков могут отличаться, учитывая скорость, с которой создаются новые компоненты и организмы. [2] : 5 Существующие системы анализа рисков для ГМО применимы и для синтетических организмов. [3] а надзор за состоянием здоровья на рабочем месте может использоваться для улучшения оценки рисков. [4] Однако могут возникнуть трудности с оценкой риска для организма, построенного «снизу вверх» на основе отдельных генетических последовательностей, а не на основе организма-донора с известными характеристиками. [3] : v, vii Синтетические организмы также не могут быть включены в существующие классификации микроорганизмов по группам риска. [2] : 20 Дополнительная проблема заключается в том, что синтетическая биология включает в себя широкий спектр дисциплин за пределами биологии, практикующие специалисты которых могут быть незнакомы с оценкой микробиологического риска. [3] : v
Для биобезопасности оценка риска включает оценку простоты использования потенциальными участниками; его эффективность как оружия; практические требования, такие как доступ к экспертным знаниям и ресурсам; и способность предотвращать, предвидеть нападение и реагировать на него. [6] : 2–7 Что касается экологических опасностей, оценки рисков и полевые испытания приложений синтетической биологии наиболее эффективны, когда они включают показатели нецелевых организмов и функций экосистем. [2] : 18 Некоторые исследователи предполагают, что традиционные методы оценки жизненного цикла могут быть недостаточными, поскольку, в отличие от традиционных отраслей, граница между промышленностью и окружающей средой размыта, а материалы имеют информативное описание, которое невозможно описать только их химической формулой. [12]
Регулирование
[ редактировать ]Международный
[ редактировать ]Несколько договоров содержат положения, применимые к синтетической биологии. К ним относятся Конвенция о биологическом разнообразии , Картахенский протокол по биобезопасности , Нагойско-Куала-Лумпурский дополнительный протокол об ответственности , Конвенция о биологическом оружии и Руководящие принципы Австралийской группы . [13]
Соединенные Штаты
[ редактировать ]В целом, Соединенные Штаты полагаются на нормативную базу, созданную для химических и фармацевтических препаратов, для регулирования синтетической биологии, в основном на Закон о контроле за токсичными веществами 1976 года , обновленный Законом Фрэнка Р. Лаутенберга о химической безопасности в 21 веке , а также Федеральный закон. Закон о пищевых продуктах, лекарствах и косметике . [7]
Опасения по поводу биобезопасности синтетической биологии и ее инструментов редактирования генов аналогичны опасениям, возникшим по поводу технологии рекомбинантной ДНК , когда она появилась в середине 1970-х годов. Рекомендации Асиломарской конференции 1975 года по рекомбинантной ДНК легли в основу рекомендаций Национального института здравоохранения США (NIH), которые были обновлены в 2013 году для борьбы с организмами и вирусами, содержащими синтетические молекулы нуклеиновой кислоты. [1] Рекомендации НИЗ по исследованиям рекомбинантных и синтетических нуклеиновых молекул являются наиболее полным ресурсом по безопасности синтетической биологии. Хотя они обязательны только для получателей финансирования НИЗ, другие государственные и частные спонсоры иногда требуют их использования, и они часто добровольно реализуются другими. Кроме того, « Руководство по скринингу NIH для поставщиков синтетической двухцепочечной ДНК» 2010 года содержит добровольные рекомендации для продавцов синтетической ДНК по проверке личности и принадлежности покупателей, а также проверке на наличие вызывающих беспокойство последовательностей. [13]
Управление по охране труда (OSHA) регулирует здоровье и безопасность работников, в том числе тех, кто занимается синтетической биологией. В середине 1980-х годов OSHA утверждало, что положения об общих обязанностях и существующих нормативных стандартов достаточно для защиты работников биотехнологий. [1]
Агентство по охране окружающей среды , Министерства сельского хозяйства Служба инспекции здоровья животных и растений и Управление по контролю за продуктами и лекарствами регулируют коммерческое производство и использование генетически модифицированных организмов. Бюро Министерства торговли промышленности и безопасности имеет полномочия в отношении технологий двойного назначения , а синтетическая биология подпадает под действие правил избранных агентов . [13]
Другие страны
[ редактировать ]В Европейском Союзе синтетическая биология регулируется Директивами 2001/18/EC о преднамеренном выпуске ГМО и 2009/41/EC о ограниченном использовании генетически модифицированных микроорганизмов. [4] [3] : мы а также Директива 2000/54/EC о биологических агентах на рабочем месте. [7] По состоянию на 2012 год ни в Европейском сообществе, ни в каком-либо государстве-члене не было специального законодательства по синтетической биологии. [13]
В Соединенном Королевстве Положения о генетически модифицированных организмах (использование в закрытых помещениях) 2000 года и последующие обновления являются основным законом, относящимся к синтетической биологии. [3] : 16 [13] По состоянию на 2012 год Китай не разработал специальных правил в области синтетической биологии, полагаясь на правила, разработанные для ГМО. [13] Сингапур опирается на свои Руководящие принципы биобезопасности для ГМО, Закона о биологических агентах и токсинах и Закона о безопасности и гигиене труда . [7] [14]
См. также
[ редактировать ]- Уровень биобезопасности
- Регулирование генной инженерии
- Биологическое сдерживание генетически модифицированных организмов
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г Ховард, Джон; Мурашов Владимир; Шульте, Пауль (24 января 2017 г.). «Синтетическая биология и профессиональный риск» . Журнал гигиены труда и окружающей среды . 14 (3): 224–236. дои : 10.1080/15459624.2016.1237031 . ПМИД 27754800 . S2CID 205893358 . Проверено 30 ноября 2018 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л Европейская комиссия. Генеральный директорат по делам потребителей медицинских услуг (12 февраля 2016 г.). Мнение о синтетической биологии II: Методологии оценки рисков и аспекты безопасности . Издательское бюро Европейского Союза. дои : 10.2772/63529 . ISBN 9789279439162 .
{{cite book}}:|website=игнорируется ( помогите ) - ^ Jump up to: а б с д и ж г час Бейли, Клэр; Меткалф, Хизер; Крук, Брайан (2012). «Синтетическая биология: обзор технологии, а также текущих и будущих потребностей нормативно-правовой базы Великобритании» (PDF) . Исполнительный директор Великобритании по охране труда и технике безопасности . Проверено 29 ноября 2018 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н Ховард, Джон; Мурашов Владимир; Шульте, Пауль (18 октября 2016 г.). «Синтетическая биология и профессиональный риск». Журнал гигиены труда и окружающей среды . 14 (3): 224–236. дои : 10.1080/15459624.2016.1237031 . ISSN 1545-9624 . ПМИД 27754800 . S2CID 205893358 .
- ^ «Руководство по лабораторной безопасности» (PDF) . США Управление по охране труда . 2011. С. 9, 15, 21, 24–28 . Проверено 17 января 2019 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Национальные академии наук, инженерия; Отдел исследований земной жизни; Совет по жизни, наукам; Совет по технологиям химических наук (19 июня 2018 г.). Биозащита в эпоху синтетической биологии . Национальные академии наук, техники и медицины . дои : 10.17226/24890 . ISBN 9780309465182 . ПМИД 30629396 . S2CID 90767286 .
- ^ Jump up to: а б с д Трамп, Бенджамин Д. (1 ноября 2017 г.). «Регулирование и управление синтетической биологией: уроки TAPIC для США, Европейского Союза и Сингапура» . Политика здравоохранения . 121 (11): 1139–1146. doi : 10.1016/j.healthpol.2017.07.010 . ISSN 0168-8510 . ПМИД 28807332 .
- ^ Jump up to: а б с «Краткая информация о будущем: синтетическая биология и биоразнообразие» . Европейская комиссия . Сентябрь 2016. стр. 14–16 . Проверено 14 января 2019 г.
- ^ Заключительное мнение о синтетической биологии III: Риски для окружающей среды и биоразнообразия, связанные с синтетической биологией и приоритетами исследований в области синтетической биологии . 04.04.2016. стр. 8, 27. ISBN. 9789279549731 . Проверено 14 января 2019 г.
{{cite book}}:|website=игнорируется ( помогите ) - ^ Jump up to: а б «Биобезопасность в микробиологических и биомедицинских лабораториях» . Центры США по контролю и профилактике заболеваний (5-е изд.). 20 апреля 2018 г. Раздел III – Принципы биобезопасности . Проверено 7 января 2019 г.
- ^ Jump up to: а б Девос, Янн; Демонт, Мэтти; Диллен, Коэн; Рехол, Дирк; Кайзер, Матиас; Санвидо, Оливье (11 ноября 2009 г.). «Сосуществование генетически модифицированных и немодифицированных культур в Европейском Союзе: обзор» . В Лихтфаусе, Эрик; Наваррете, Мирей; Дебеке, Филипп; Вероника Сушер; Альберола, Кэролайн (ред.). Устойчивое сельское хозяйство . Springer Science & Business Media. стр. 210–214. ISBN 9789048126668 .
- ^ Сигер, Томас П.; Трамп, Бенджамин Д.; Пуансатте-Джонс, Келси; Линьков, Игорь (06.06.2017). «Почему оценка жизненного цикла не работает для синтетической биологии» . Экологические науки и технологии . 51 (11): 5861–5862. Бибкод : 2017EnST...51.5861S . дои : 10.1021/acs.est.7b01604 . ISSN 0013-936X . ПМИД 28504514 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Пей, Лей; Бар-Ям, Шломия; Байерс-Корбин, Дженнифер; Касагранде, Рокко; Эйхлер, флорентиец; Лин, Аллен; Остеррайхер, Мартин; Регард, Пернилла К.; Терлингтон, Ральф Д. (2012). Нормативно-правовая база для синтетической биологии . John Wiley & Sons, Ltd., стр. 157–226. дои : 10.1002/9783527659296.ch5 . ISBN 9783527659296 .
{{cite book}}:|work=игнорируется ( помогите ) - ^ Шиманн, Иоахим; Дитц-Пфейльстеттер, Антье; Хартунг, Франк; Коль, Кристиан; Ромейс, Йорг; Спринк, Торбен (29 апреля 2019 г.). «Оценка риска и регулирование растений, модифицированных современными биотехнологиями: текущее состояние и будущие проблемы» . Ежегодный обзор биологии растений . 70 (1). Годовые обзоры : 699–726. doi : 10.1146/annurev-arplant-050718-100025 . ISSN 1543-5008 . ПМИД 30822113 . S2CID 73460651 .