Генетически модифицированный организм

Генетически модифицированный организм ( ГМО ) является любой организм , чей генетический материал был изменен с помощью методов генной инженерии . Точное определение генетически модифицированного организма и того, что составляет генная инженерия, варьируется, наиболее распространенным из которых является организм, измененный таким образом, который «не происходит естественным образом в результате спаривания и / или естественной рекомбинации ». Были генетически модифицированы (ГМ) самые разные организмы, от животных до растений и микроорганизмов. Гены были перенесены в пределах одного и того же вида , между видами (создавая трансгенные организмы) и даже между королевствами.. Могут быть введены новые гены или эндогенные гены могут быть усилены, изменены или исключены .

Создание генетически модифицированного организма - это многоэтапный процесс. Генные инженеры должны изолировать ген, который они хотят вставить в организм-хозяин, и объединить его с другими генетическими элементами, включая область промотора и терминатора и часто селектируемый маркер . Доступен ряд методов для встраивания изолированного гена в геном хозяина . Последние достижения в области использования методов редактирования генома , в частности CRISPR , значительно упростили производство ГМО. Герберт Бойер и Стэнли Коэн создали первый генетически модифицированный организм в 1973 году, бактерии, устойчивые к антибиотику канамицину . Первое генетически модифицированное животное , мышь, было создано в 1974 году Рудольфом Яенишем , а первое растение было выращено в 1983 году. В 1994 году был выпущен томат Flavr Savr - первый коммерческий генетически модифицированный корм . Первым генетически модифицированным животным, которое будет коммерциализировано, был GloFish (2003), а первым генетически модифицированным животным, одобренным для использования в пищу, стал лосось AquAdvantage в 2015 году.

Бактерии - это организмы, которые легче всего создать, и они использовались для исследований, производства продуктов питания, промышленной очистки белка (включая лекарства), сельского хозяйства и искусства. Есть возможность использовать их в экологических целях или в медицине. Грибы были созданы для тех же целей. Вирусы играют важную роль в качестве переносчиков генетической информации для других организмов. Это использование особенно актуально для генной терапии человека . Есть предложения удалить вирулентные гены из вирусов для создания вакцин. Растения были спроектированы для научных исследований, создания новых цветов растений, доставки вакцин и создания улучшенных культур. Генетически модифицированные культуры - самые противоречивые ГМО. Большинство из них разработаны с учетом устойчивости к гербицидам или насекомых. Золотой рис содержит три гена, которые увеличивают его пищевую ценность . Другие перспективы для ГМ-культур - это использование биореакторов для производства биофармацевтических препаратов , биотоплива или лекарств.

Как правило, животных гораздо труднее трансформировать, и подавляющее большинство из них все еще находится на стадии исследований. Млекопитающие являются лучшими модельными организмами для человека, поэтому генетически модифицированные организмы напоминают серьезные человеческие заболевания, важные для открытия и разработки методов лечения. Белки человека, экспрессируемые у млекопитающих, с большей вероятностью будут похожи на их естественные аналоги, чем белки, экспрессируемые в растениях или микроорганизмах. Животноводство модифицируется с целью улучшения экономически важных характеристик, таких как скорость роста, качество мяса, состав молока, устойчивость к болезням и выживаемость. Генетически модифицированная рыба используется в научных исследованиях, в качестве домашних животных и в качестве источника пищи. Генная инженерия была предложена как способ борьбы с комарами, переносчиками многих смертельных болезней. Хотя генная терапия человека все еще относительно нова, она использовалась для лечения генетических нарушений, таких как тяжелый комбинированный иммунодефицит и врожденный амавроз Лебера .

Было высказано множество возражений по поводу разработки ГМО, особенно их коммерциализации. Многие из них связаны с ГМ-культурами, а также с тем, безопасна ли пища, производимая из них, и какое влияние их выращивание окажет на окружающую среду. К другим проблемам относятся объективность и строгость регулирующих органов, загрязнение не-генетически модифицированных продуктов питания, контроль над поставками 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 ГМО-продуктов питания является ведущей проблемой с критиками. Поток генов , воздействие на организмы, не являющиеся мишенями, и побег - основные экологические проблемы. Страны приняли меры регулирования для решения этих проблем. Существуют различия в правилах выпуска ГМО между странами, причем некоторые из наиболее заметных различий наблюдаются между США и Европой. Ключевые вопросы, касающиеся регулирующих органов, включают вопрос о том, следует ли маркировать ГМ-продукты питания и статус генетически отредактированных организмов.

Что представляет собой генетически модифицированный организм (ГМО), не всегда ясно и может широко варьироваться. В самом широком смысле он может включать все, что было изменено в генах, в том числе по природе. ^{[1] [2] В} менее широком смысле он может охватывать каждый организм, гены которого были изменены людьми, включая все сельскохозяйственные культуры и домашний скот. В 1993 году Энциклопедия Британика определяется генетической инженерии , как «любой из широкого спектра методов ... среди них искусственное осеменение , в пробирке оплодотворение ( например ,„пробирка“дети), банки спермы , клонированием , и манипуляции генов.» ^[3] Европейский союз (ЕС) включал в себя так же широкое определение в начале обзоров, в частности , упомянуть ГМО вырабатываться « Селекция и других средств искусственного отбора». ^[4] Позже они исключили традиционное разведение, экстракорпоральное оплодотворение, индукцию полиплоидии , мутагенез и методы слияния клеток, в которых не используются рекомбинантные нуклеиновые кислоты или генетически модифицированный организм. ^[5]

Более узкое определение, данное Продовольственной и сельскохозяйственной организацией , Всемирной организацией здравоохранения и Европейской комиссией, гласит, что организмы должны быть изменены таким образом, который «не происходит естественным образом в результате спаривания и / или естественной рекомбинации ». ^{[6] [7] [8]} Есть примеры сельскохозяйственных культур, которые подходят под это определение, но обычно не считаются ГМО. ^[9] Например, тритикале зерновых культур был полностью разработан в лаборатории в 1930 году с использованием различных методов для изменения его генома. ^[10] Картахенский протокол по биобезопасности в 2000 году использовал синоним живого измененный организм ( ЖИО ) и определил его как «любой живой организм , который обладает новой комбинацией генетического материала , полученным благодаря использованию современной биотехнологии.» ^[11] Современная биотехнология далее определяется как «методы нуклеиновой кислоты in vitro, включая рекомбинантную дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и прямую инъекцию нуклеиновой кислоты в клетки или органеллы, или слияние клеток за пределами таксономического семейства». ^[12]

Генно-инженерный организм (ГЕО) может считаться более точным термином по сравнению с ГМО при описании геномов организмов, которые непосредственно подвергались манипуляции с помощью биотехнологии. ^[13] Термин ГМО первоначально обычно не использовался учеными для описания генно-инженерных организмов до тех пор, пока использование ГМО не стало обычным явлением в популярных СМИ. ^[14] США Министерство сельского хозяйства США (USDA) считает ГМО быть растений или животных с наследственными изменениями с помощью генной инженерии или традиционными методами, в то время как ГЭП конкретно относится к организмам с генами введены, устранен, или переставить с помощью молекулярной биологии, в частности , рекомбинантного ДНК- методы, такие как трансгенез . ^[15]

Определения сосредоточены на процессе больше, чем на продукте, что означает, что могут быть ГМО и не-ГМО с очень похожими генотипами и фенотипами. ^{[16] [17]} Это привело к тому, что ученые причислили его к категории научно бессмысленной ^[18], заявив, что невозможно сгруппировать все различные типы ГМО под одним общим определением. ^[19] Это также вызвало проблемы у органических организаций и групп, стремящихся запретить ГМО. ^{[20] [21]} Это также создает проблемы при разработке новых процессов. Текущие определения появились до того, как редактирование генома стало популярным, и есть некоторая путаница относительно того, являются ли они ГМО. ЕС постановил, что они ^[22] изменяют свое определение ГМО, чтобы включить в него «организмы, полученные путем мутагенеза». ^[23] В отличие от этого, Министерство сельского хозяйства США постановило, что организмы, отредактированные генами, не считаются ГМО. ^[24]

Создание генетически модифицированного организма (ГМО) - это многоэтапный процесс. Генные инженеры должны выделить ген, который они хотят вставить в организм-хозяин. Этот ген может быть взят из клетки ^[25] или синтезирован искусственно . ^[26] Если выбранный ген или донорский организм геном был хорошо изучен, может уже быть доступен из генетической библиотеки . Затем ген комбинируют с другими генетическими элементами, включая область промотора и терминатора и селективный маркер . ^[27]

Доступен ряд методов для встраивания изолированного гена в геном хозяина . Бактерии можно заставить захватить чужеродную ДНК, как правило, с помощью теплового шока или электропорации . ^[28] ДНК обычно вводят в клетки животных с помощью микроинъекции , где ее можно вводить через ядерную оболочку клетки непосредственно в ядро или с помощью вирусных векторов . ^[29] В растения ДНК часто вставляют с помощью рекомбинации , опосредованной Agrobacterium , ^{[30] [31]} биолистики ^[32] или электропорации.

Поскольку генетическим материалом трансформируется только одна клетка, организм должен быть регенерирован из этой единственной клетки. У растений это достигается путем культивирования тканей . ^{[33] [34]} У животных необходимо убедиться, что встроенная ДНК присутствует в эмбриональных стволовых клетках . ^[30] Дальнейшее тестирование с использованием ПЦР , гибридизации по Саузерну и секвенирования ДНК проводится для подтверждения того, что организм содержит новый ген. ^[35]

Традиционно новый генетический материал случайным образом вставлялся в геном хозяина. Методы нацеливания на гены, которые создают двухцепочечные разрывы и используют системы репарации естественной 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 сконструированных нуклеаз: мегануклеазы , ^{[36] [37]} нуклеазы цинковых пальцев , ^{[38] [39]} эффекторные нуклеазы, подобные активаторам транскрипции (TALEN), ^{[40] [41]} и система Cas9-guideRNA (адаптированная из CRISPR). ^{[42] [43]} TALEN и CRISPR - два наиболее часто используемых, и каждый из них имеет свои преимущества. ^[44] TALEN обладают большей целевой специфичностью, в то время как CRISPR проще в разработке и более эффективен. ^[44]

Люди были одомашнены растения и животные , так как около 12 000 г. до н.э., используя селекцию или искусственный отбор (в отличие от естественного отбора ). ^{[45] : 25} Процесс селективного разведения , в котором организмы с желаемыми признаками (и, следовательно, с желаемыми генами ) используются для разведения следующего поколения, а организмы, лишенные признака, не размножаются, является предшественником современной концепции генетического модификация. ^{[46] : 1 [47] : 1} Различные достижения в генетике позволили людям напрямую изменять ДНК и, следовательно, гены организмов. В 1972 году Пол Берг создал первую рекомбинантную молекулу ДНК , объединив ДНК вируса обезьяны с ДНК вируса лямбда . ^{[48] [49]}

Герберт Бойер и Стэнли Коэн создали первый генетически модифицированный организм в 1973 году. ^[50] Они взяли ген у бактерии, обеспечивающей устойчивость к антибиотику канамицину , вставили его в плазмиду и затем побудили другие бактерии включить плазмиду. Бактерии, успешно включившие плазмиду, затем смогли выжить в присутствии канамицина. ^[51] Бойер и Коэн экспрессировали другие гены у бактерий. Это включало гены жабы Xenopus laevis в 1974 году, создав первый ГМО, экспрессирующий ген из организма из другого царства . ^[52]

В 1974 году Рудольф Яениш создал трансгенную мышь , введя чужеродную ДНК в ее эмбрион, что сделало ее первым трансгенным животным в мире. ^{[53] [54]} Однако прошло еще восемь лет, прежде чем были созданы трансгенные мыши, которые передали трансген своему потомству. ^{[55] [56] В} 1984 году были созданы генетически модифицированные мыши, несущие клонированные онкогены , предрасполагающие их к развитию рака. ^[57] Мыши с удаленными генами (так называемые « мыши с нокаутом» ) были созданы в 1989 году. Первый трансгенный домашний скот был получен в 1985 году ^[58], а первым животным, синтезировавшим трансгенные белки в своем молоке, были мыши в 1987 году. ^[59] Мыши были разработаны для производства тканевого активатора плазминогена человека , белка, участвующего в разрушении тромбов . ^[60]

В 1983 году первое генетически модифицированное растение было разработано Майклом Беваном , Ричардом Б. Флавеллом и Мэри-Делл Чилтон . Они заразили табак Agrobacterium, трансформированной геном устойчивости к антибиотикам, и с помощью методов культивирования тканей смогли вырастить новое растение, содержащее ген устойчивости. ^[61] генная пушка была изобретена в 1987 году, что позволяет трансформацию растений , не восприимчивых к Agrobacterium - инфекции. ^[62] В 2000 году золотой рис, обогащенный витамином А, был первым растением с повышенной питательной ценностью. ^[63]

В 1976 году Герберт Бойер и Роберт Свансон основали первую компанию генной инженерии Genentech ; год спустя компания произвела человеческий белок ( соматостатин ) в кишечной палочке . Genentech объявила о производстве генно-инженерного человеческого инсулина в 1978 году. ^[64] Инсулин, производимый бактериями, известный как гумулин , был одобрен для выпуска Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов в 1982 году. ^[65] В 1988 году первые человеческие антитела были произведены на растениях. . ^[66] В 1987 году штамм Pseudomonas syringae стал первым генетически модифицированным организмом, выпущенным в окружающую среду ^[67], когда им были опрысканы клубничные и картофельные поля в Калифорнии. ^[68]

Первая генетически модифицированная культура , устойчивое к антибиотикам растение табака, было выращено в 1982 году. ^[69] Китай стал первой страной, которая начала коммерциализацию трансгенных растений, представив устойчивый к вирусам табак в 1992 году. ^[70] В 1994 году Калджен получил разрешение на коммерческое использование выпустить томат Flavr Savr , первый генетически модифицированный корм . ^[71] Также в 1994 году Европейский Союз одобрил табак, устойчивый к гербициду бромоксинилу , что сделало его первой генетически модифицированной культурой, коммерчески доступной в Европе. ^[72] Устойчивый к насекомым картофель был одобрен к выпуску в США в 1995 году ^[73], а к 1996 году было получено разрешение на коммерческое выращивание 8 трансгенных культур и одной цветочной культуры (гвоздики) в 6 странах плюс ЕС. ^[74]

В 2010 году ученые из Института Дж. Крейга Вентера объявили о создании первого синтетического бактериального генома . Они назвали его Синтией, и это была первая в мире синтетическая форма жизни . ^{[75] [76]}

Первым генетически модифицированным животным, которое будет коммерциализировано, была GloFish , рыба-зебра с добавленным флуоресцентным геном, который позволяет ей светиться в темноте под ультрафиолетовым светом . ^[77] Он был выпущен на рынок США в 2003 году. ^[78] В 2015 году лосось AquAdvantage стал первым генетически модифицированным животным, одобренным для использования в пищу. ^[79] Разрешение на рыбу, выращенную в Панаме и продаваемую в США. ^[79] Лосось был трансформирован с помощью гена, регулирующего гормон роста, из тихоокеанского чавычи и промотора из океанического лосося, что позволило ему расти круглый год, а не только весной и летом. ^[80]

Бактерии были первыми организмами, которые были генетически модифицированы в лаборатории из-за относительной легкости модификации их хромосом. ^[81] Эта легкость сделала их важными инструментами для создания других ГМО. Гены и другая генетическая информация от широкого круга организмов может быть добавлена ​​к плазмиде и вставлена ​​в бактерии для хранения и модификации. Бактерии дешевы, их легко выращивать, клонировать , они быстро размножаются и могут храниться при -80 ° C почти неограниченное время. Как только ген выделен, он может храниться внутри бактерий, обеспечивая неограниченный запас для исследований. ^[82] Большое количество пользовательских плазмид позволяет относительно легко манипулировать ДНК, выделенной из бактерий. ^[83]

Простота использования сделала их отличным инструментом для ученых, изучающих функцию и эволюцию генов . Простейшие модельные организмы происходят от бактерий, и большая часть нашего раннего понимания молекулярной биологии пришла из изучения кишечной палочки . ^[84] Ученые могут легко манипулировать генами бактерий и комбинировать их для создания новых или разрушенных белков и наблюдать за тем, как это влияет на различные молекулярные системы. Исследователи объединили гены бактерий и архей , что привело к пониманию того, как эти двое расходились в прошлом. ^[85] В области синтетической биологии они использовались для тестирования различных синтетических подходов, от синтеза геномов до создания новых нуклеотидов . ^{[86] [87] [88]}

Бактерии уже давно используются в производстве продуктов питания, и для этой работы в промышленных масштабах были разработаны и отобраны определенные 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 внести новые генетические изменения. Большинство бактерий, производящих пищу, являются молочнокислыми бактериями , и именно здесь было проведено большинство исследований в области генетической инженерии бактерий, производящих пищу. Бактерии можно модифицировать, чтобы они работали более эффективно, уменьшали образование токсичных побочных продуктов, увеличивали выход, создавали улучшенные соединения и устраняли ненужные пути . ^[89] Пищевые продукты из генетически модифицированных бактерий включают альфа-амилазу , которая превращает крахмал в простые сахара, химозин , который свертывает молочный белок для производства сыра, и пектинэстеразу , улучшающую прозрачность фруктового сока. ^[90] Большинство из них производится в США, и хотя существуют правила, разрешающие производство в Европе, по состоянию на 2015 год там нет пищевых продуктов, полученных из бактерий. ^[91]

Генетически модифицированные бактерии используются для производства большого количества белков для промышленного использования. Обычно бактерии выращивают до большого объема до того, как активируется ген, кодирующий белок. Затем бактерии собирают и из них очищают желаемый белок. ^[92] Высокая стоимость экстракции и очистки означает, что в промышленных масштабах производятся только дорогостоящие продукты. ^[93] Большинство этих продуктов представляют собой человеческие белки, используемые в медицине. ^[94] Многие из этих белков невозможно или трудно получить естественными методами, и они с меньшей вероятностью будут заражены патогенами, что делает их более безопасными. ^[92] Первым применением ГМ-бактерий в медицине было производство белкового инсулина для лечения диабета . ^[95] Другие производимые лекарства включают факторы свертывания крови для лечения гемофилии , ^[96] гормон роста человека для лечения различных форм карликовости , ^{[97] [98]} интерферон для лечения некоторых видов рака, эритропоэтин для пациентов с анемией и тканевый активатор плазминогена, растворяющий кровь. сгустки. ^[92] Вне медицины они использовались для производства биотоплива . ^[99] Существует интерес к разработке системы внеклеточной экспрессии внутри бактерий, чтобы снизить затраты и сделать производство большего количества продуктов экономичным. ^[93]

С более глубоким пониманием роли, которую микробиом играет в здоровье человека, появляется возможность лечить заболевания, генетически изменяя бактерии, чтобы они сами были терапевтическими агентами. Идеи включают изменение кишечных бактерий, чтобы они уничтожали вредные бактерии, или использование бактерий для замены или увеличения дефицитных ферментов или белков. Одно из направлений исследований - модифицировать Lactobacillus , бактерии, которые естественным образом обеспечивают некоторую защиту от ВИЧ , с помощью генов, которые еще больше усиливают эту защиту. Если бактерии не образуют колоний внутри пациента, человек должен повторно проглотить модифицированные бактерии, чтобы получить необходимые дозы. Предоставление бактериям возможности образовать колонию может обеспечить более долгосрочное решение, но также может вызвать проблемы безопасности, поскольку взаимодействие между бактериями и человеческим телом менее изучено, чем с традиционными лекарствами. Есть опасения, что горизонтальный перенос генов другим бактериям может иметь неизвестные эффекты. По состоянию на 2018 год проводятся клинические испытания, в которых проверяется эффективность и безопасность этих методов лечения. ^[100]

Уже более века бактерии используются в сельском хозяйстве. Посевы были привиты с ризобиями (и совсем недавно Azospirillum ) , чтобы увеличить их производство или позволить им быть выращены за пределами их первоначального обитания . Применение Bacillus thuringiensis (Bt) и других бактерий может помочь защитить урожай от заражения насекомыми и болезней растений. С развитием генной инженерии этими бактериями манипулировали для повышения эффективности и расширения круга хозяев. Маркеры также были добавлены, чтобы помочь в отслеживании распространения бактерий. Бактерии, которые естественным образом колонизируют определенные культуры, также были изменены, в некоторых случаях для экспрессии генов Bt, ответственных за устойчивость к вредителям. Pseudomonas штаммы бактерий вызывают повреждение заморозки зародышеобразования воды в кристаллы льда вокруг себя. Это привело к развитию ледяных бактерий , у которых были удалены гены образования льда. При нанесении на сельскохозяйственные культуры они могут конкурировать с немодифицированными бактериями и обеспечивать некоторую морозостойкость. ^[101]

Другие применения генетически модифицированных бактерий включают биоремедиацию , когда бактерии используются для преобразования загрязнителей в менее токсичную форму. Генная инженерия может повысить уровень ферментов, используемых для разложения токсина или сделать бактерии более стабильными в условиях окружающей среды. ^[102] Bioart также был 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 . ^[103] Это был шаг вперед в 2012 году, когда целая книга была закодирована на ДНК. ^[104] Картины также были созданы с использованием бактерий, трансформированных флуоресцентными белками. ^[103]

Вирусы часто модифицируются, чтобы их можно было использовать в качестве векторов для встраивания генетической информации в другие организмы. Этот процесс называется трансдукцией, и в случае успеха реципиент 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, должны быть сохранены. ^[105]

Хотя вирусные векторы можно использовать для встраивания ДНК практически в любой организм, это особенно важно из-за их потенциала в лечении заболеваний человека. Хотя в основном все еще находятся на стадии испытаний ^[106] , были достигнуты некоторые успехи в использовании генной терапии для замены дефектных генов. Это наиболее очевидно в лечении пациентов с тяжелым комбинированным иммунодефицитом роста от АДЕНОЗИНДЕЗАМИНАЗЫ дефицита (ADA-SCID), ^[107] , хотя развитие лейкемии в некоторых ADA-SCID пациентов ^[108] вместе со смертью Джесси Гелсингер в суде 1999 отбросить развитие этого подхода на многие годы. ^[109] В 2009 году был достигнут еще один прорыв, когда восьмилетний мальчик с врожденным амаврозом Лебера вернулся к нормальному зрению ^[109], а в 2016 году компания GlaxoSmithKline получила разрешение на коммерциализацию генной терапии для лечения ADA-SCID. ^[107] По состоянию на 2018 г. ведется значительное количество клинических испытаний , включая методы лечения гемофилии , глиобластомы , хронической гранулематозной болезни , муковисцидоза и различных видов рака . ^[108]

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 только краткосрочную экспрессию. . Другими распространенными векторами являются аденоассоциированные вирусы , которые имеют более низкую токсичность и более длительную экспрессию, но могут нести только около 4 килобайт ДНК. ^[108] Вирусы простого герпеса представляют собой многообещающие векторы, имеющие несущую способность более 30 килобайт и обеспечивающие долгосрочную экспрессию, хотя они менее эффективны в доставке генов, чем другие векторы. ^[110] 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, с тем преимуществом, что заражают как делящиеся, так и неделящиеся клетки, тогда как ретровирусы нацелены только на делящиеся клетки. Другие вирусы, которые использовались в качестве переносчиков, включают альфавирусы , флавивирусы , вирусы кори , рабдовирусы , вирус болезни Ньюкасла , поксвирусы и пикорнавирусы . ^[108]

Большинство вакцин состоят из вирусов, которые были аттенуированы , обезврежены, 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 функцию вирулентности, которая может происходить с некоторыми другими вакцинами. Как таковые, они обычно считаются более безопасными и более эффективными, чем обычные вакцины, хотя остаются опасения по поводу нецелевой инфекции, потенциальных побочных эффектов и горизонтального переноса генов на другие вирусы. ^[111] Другой потенциальный подход - использовать векторы для создания новых вакцин от болезней, для которых нет вакцин, или вакцин, которые не работают эффективно, таких как СПИД , малярия и туберкулез . ^[112] Самая эффективная вакцина против туберкулеза, вакцина Bacillus Calmette – Guérin (БЦЖ) , обеспечивает лишь частичную защиту. Модифицированная вакцина, экспрессирующая антиген M. tuberculosis, способна усилить защиту от БЦЖ. ^[113] Было показано, что его безопасно использовать в исследованиях фазы II , хотя и не так эффективно, как предполагалось изначально. ^[114] Другие вакцины на основе векторов уже одобрены, и многие другие вакцины находятся в стадии разработки. ^[112]

Еще одно потенциальное использование генетически модифицированных вирусов - изменить их так, чтобы они могли непосредственно лечить болезни. Это может происходить посредством экспрессии защитных белков или путем 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. ^{[115] [116]} С тех пор несколько исследователей разработали генетически модифицированные онколитические вирусы , перспективные для лечения различных типов рака . ^{[117] [118] [119] [120] [121]} В 2017 году исследователи генетически модифицировали вирус для экспрессии белков дефенсина шпината . Вирус вводили апельсиновым деревьям для борьбы с болезнью позеленения цитрусовых, которая снизила производство апельсинов на 70% с 2005 года ^[122].

Естественные вирусные заболевания, такие как миксоматоз и геморрагическая болезнь кроликов , используются для борьбы с популяциями вредителей. Со временем выжившие вредители становятся устойчивыми, что побуждает исследователей искать альтернативные методы. Генетически модифицированные вирусы, которые делают животных-мишеней бесплодными посредством иммуноконтрацепции , были созданы в лаборатории ^[123], а также другие вирусы, нацеленные на стадию развития животного. ^[124] Использование этого подхода вызывает опасения относительно сдерживания вируса ^[123] и межвидового заражения. ^[125] Иногда один и тот же вирус можно модифицировать для противопоставления. Генетическая модификация вируса миксомы была предложена для сохранения европейских диких кроликов на Пиренейском полуострове и помощи в регулировании их содержания в Австралии. Чтобы защитить иберийские виды от вирусных заболеваний, вирус миксомы был генетически модифицирован для иммунизации кроликов, в то время как в Австралии тот же самый вирус миксомы был генетически модифицирован для снижения фертильности австралийской популяции кроликов. ^[126]

Помимо биологии, ученые использовали генетически модифицированный вирус для создания литий-ионной батареи и других наноструктурированных материалов. Можно сконструировать бактериофаги, чтобы экспрессировать модифицированные белки на своей поверхности и объединять их в определенные структуры (метод, называемый фаговым дисплеем ). Эти структуры могут использоваться для хранения и генерации энергии, биочувствительности и регенерации тканей с некоторыми новыми материалами, которые в настоящее время производятся, включая квантовые точки , жидкие кристаллы , нанокольца и нановолокна . ^[127] Батарея была сделана путем инженерии бактерий M13, чтобы они покрывали себя фосфатом железа, а затем собирались вдоль углеродной нанотрубки . Это создало среду с высокой проводимостью для использования в катоде, позволяющую быстро передавать энергию. Они могут быть построены при более низких температурах с использованием нетоксичных химикатов, что сделает их более экологически чистыми. ^[128]

Грибы могут использоваться для многих из тех же процессов, что и бактерии. Для промышленного применения дрожжи сочетают в себе бактериальные преимущества одноклеточного организма, которым легко манипулировать и который легко выращивать, с передовыми модификациями белка, обнаруженными у эукариот . Их можно использовать для производства больших сложных молекул для использования в пищевых продуктах, фармацевтических препаратах, гормонах и стероидах. ^[129] Дрожжи важны для производства вина, и по состоянию на 2016 год два генетически модифицированных дрожжа, участвующих в ферментации вина, были коммерциализированы в Соединенных Штатах и ​​Канаде. Один увеличивает эффективность яблочно-молочной ферментации , а другой предотвращает образование опасных соединений этилкарбамата во время ферментации. ^[89] Также были достигнуты успехи в производстве биотоплива из генетически модифицированных грибов. ^[130]

Грибы, являясь наиболее распространенными возбудителями насекомых, являются привлекательными биопестицидами . В отличие от бактерий и вирусов, они обладают тем преимуществом, что заражают насекомых только при контакте, хотя химические пестициды уступают им по эффективности . Генная инженерия может улучшить вирулентность, обычно путем добавления большего количества вирулентных белков ^[131], увеличивая скорость заражения или увеличивая устойчивость спор . ^[132] Многие переносчики болезней чувствительны к энтомопатогенным грибам . Привлекательной целью для биологической борьбы являются комары , переносчики ряда смертельных заболеваний, включая малярию , желтую лихорадку и лихорадку денге . Комары могут быстро развиваться , так что становится балансированием убивать их до Plasmodium они несут становится инфекционным заболеванием, но не так быстро , что они становятся устойчивыми к грибам. С помощью генной инженерии грибов, таких как Metarhizium anisopliae и Beauveria bassiana, чтобы задержать развитие заразности комаров, давление отбора, направленное на выработку устойчивости, снижается. ^[133] Другая стратегия - добавить белки к грибам, которые блокируют передачу малярии ^[133] или полностью удалить плазмодий . ^[134]

Ген отредактировал гриб , чтобы он сопротивлялся потемнению, что продлило срок его хранения . В процессе использовался CRISPR, чтобы выбить ген, кодирующий полифенолоксидазу . Поскольку он не вводил в организм чужеродную ДНК, считалось, что он не регулируется существующими структурами ГМО и, как таковой, является первым организмом, отредактированным с помощью CRISPR, который был одобрен для выпуска. ^[135] Это усилило дебаты о том, следует ли рассматривать генно-редактируемые организмы как генетически модифицированные организмы ^[136] и как их следует регулировать. ^[137]

Растения были спроектированы для научных исследований, чтобы отображать новые цвета цветов, доставлять вакцины и создавать улучшенные урожаи. Многие растения являются плюрипотентными , что означает, что одна клетка зрелого растения может быть собрана и при правильных условиях может развиться в новое растение. Этой способностью могут воспользоваться генные инженеры; путем отбора клеток, которые были успешно трансформированы во взрослом растении, можно вырастить новое растение, содержащее трансген в каждой клетке, посредством процесса, известного как культура ткани . ^[138]

Многие достижения в области генной инженерии стали результатом экспериментов с табаком . Основные достижения в культуре тканей и клеточных механизмах растений для широкого круга растений были достигнуты благодаря системам, разработанным в табаке. ^[139] Это было первое растение, которое было изменено с помощью генной инженерии, и оно считается модельным организмом не только для генной инженерии, но и для ряда других областей. ^[140] Таким образом, трансгенные инструменты и процедуры хорошо зарекомендовали себя, что делает табак одним из самых простых для трансформации растений. ^[141] Другой крупный модельный организм, имеющий отношение к генной инженерии, - это Arabidopsis thaliana . Его небольшой геном и короткий жизненный цикл позволяют легко манипулировать им, и он содержит множество гомологов важным видам сельскохозяйственных культур. ^[142] Это было первое секвенированное растение , доступно множество онлайн-ресурсов, и его можно трансформировать, просто окунув цветок в раствор трансформированной Agrobacterium . ^[143]

В исследованиях растения разрабатывают, чтобы помочь обнаружить функции определенных генов. Самый простой способ сделать это - удалить ген и посмотреть, какой фенотип развивается по сравнению с формой дикого типа . Любые различия, возможно, являются результатом отсутствия гена. В отличие от мутагенеза , генная инженерия позволяет целенаправленно удалять, не нарушая работу других генов в организме. ^[138] Некоторые гены экспрессируются только в определенных тканях, поэтому репортерные гены, такие как GUS , могут быть прикреплены к интересующему гену, что позволяет визуализировать местоположение. ^[144] Другой способ проверить ген - немного изменить его, а затем вернуть растению и посмотреть, оказывает ли он 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 . ^[138]

Некоторые генетически модифицированные растения носят чисто декоративный характер . Они модифицированы по цвету, аромату, форме цветка и архитектуре растений. ^[145] Первые генетически модифицированные декоративные растения коммерциализировали измененный цвет. ^[146] Гвоздики были выпущены в 1997 году, с наиболее популярных генетически модифицированного организма, голубой розы ( на самом деле сиреневого или лилового ) , созданный в 2004 году ^[147] Розы продаются в Японии, Соединенных Штатах и Канаде. ^{[148] [149]} Другие генетически модифицированные декоративные растения включают хризантемы и петунии . ^[145] Наряду с повышением эстетической ценности, есть планы по развитию декоративных растений, которые потребляют меньше воды или устойчивы к холоду, что позволит выращивать их за пределами естественной среды обитания. ^[150]

Было предложено генетически модифицировать некоторые виды растений, которым угрожает исчезновение, чтобы они были устойчивыми к инвазивным растениям и болезням, например, изумрудный ясенелист в Северной Америке и грибковое заболевание Ceratocystis platani на европейских платанах . ^[151] папайя вирус кольцевой пятнистости опустошены папайя дерев в Гавайях в двадцатом веке до трансгенных папай растения не получили патоген , полученное сопротивление. ^[152] Однако генетическая модификация для сохранения растений остается в основном спекулятивной. Единственное беспокойство вызывает то, что трансгенный вид может больше не иметь достаточного сходства с исходным видом, чтобы действительно утверждать, что исходный вид сохраняется. Вместо этого трансгенные виды могут быть достаточно генетически разными, чтобы считаться новым видом, что снижает ценность генетической модификации для сохранения. ^[151]

Посевы

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

Генетически модифицированные культуры - это генетически модифицированные растения, которые используются в сельском хозяйстве . Первые выведенные культуры использовались в пищу для животных или человека 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 использоваться для непродовольственных целей, включая производство фармацевтических агентов , биотоплива и других промышленно полезных товаров, а также для биоремедиации . ^[153]

Развитие сельского хозяйства преследует три основные цели; увеличение производства, улучшение условий для сельскохозяйственных рабочих и устойчивость . ГМ-культуры вносят свой вклад в улучшение урожая за счет снижения нагрузки со стороны 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. ^{[153] На} сою приходилась половина всех генетически модифицированных культур, посаженных в 2014 году. ^[154] Принятие фермерами было быстрым, в период с 1996 по 2013 год общая площадь земель, возделываемых ГМ-культурами, увеличилась в 100 раз ^{[155]. ]} Хотя географически распространение было неравномерным, с сильным ростом в Северной и Южной Америке и некоторых частях Азии и незначительным в Европе и Африке. ^[153] Его социально-экономическое распространение было более равномерным: в 2013 г. в развивающихся странах выращивалось примерно 54% ​​ГМ-культур . ^[155] Хотя были сомнения, ^[156] большинство исследований показало, что выращивание ГМ-культур приносит пользу фермерам. за счет сокращения использования пестицидов, а также увеличения урожайности сельскохозяйственных культур и прибыли фермерских хозяйств. ^{[157] [158] [159]}

Большинство ГМ-культур были модифицированы для обеспечения устойчивости к выбранным гербицидам, обычно на основе глифосата или глюфосината . Генетически модифицированные культуры, созданные для устойчивости к гербицидам, в настоящее время более доступны, чем устойчивые сорта, выведенные традиционным способом; ^[160] в США 93% соевых бобов и большая часть выращиваемой ГМ кукурузы устойчивы к глифосату. ^[161] 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 растительные инсектицидные белки . ^[162] Единственный коммерчески используемый для защиты насекомых ген, который не происходит от B. thuringiensis, - это ингибитор трипсина коровьего гороха (CpTI). CpTI был впервые одобрен для использования с хлопком в 1999 году и в настоящее время проходит испытания на рисе. ^{[163] [164]} Менее одного процента ГМ-культур содержали другие признаки, в том числе обеспечение устойчивости к вирусам, задержку старения и изменение состава растений. ^[154]

Золотой рис - это наиболее известная ГМ-культура, нацеленная на повышение питательной ценности. Он был разработан с использованием трех генов, которые биосинтезируют бета-каротин , предшественник витамина А , в съедобных частях риса. ^[63] Он предназначен для производства обогащенных продуктов питания , чтобы быть выращены и потребляется в районах с дефицитом в рационе витамина А , ^[165] дефицит , который каждый год оценивается убить 670000 детей в возрасте до 5 лет ^[166] и причины еще 500 000 случаев необратимой детской слепоты. ^[167] Изначальный золотой рис производил 1,6 мкг / г каротиноидов , а при дальнейшей разработке этот показатель увеличился в 23 раза. ^[168] В 2018 году он получил первые разрешения на использование в пищу. ^[169]

Растения и растительные клетки были генетически модифицированы для производства биофармацевтических препаратов в биореакторах. Этот процесс известен как фарминг . Работа была проделана с ряски Lemna несовершеннолетнего , ^[170] водоросли reinhardtii СЫатуйотопаз ^[171] и мох Physcomitrella patens . ^{[172] [173]} Производимые биофармацевтические препараты включают цитокины , гормоны , антитела , ферменты и вакцины, большая часть которых накапливается в семенах растений. Многие лекарства также содержат натуральные растительные ингредиенты, и пути, ведущие к их производству, были генетически изменены или переданы другим видам растений для производства большего объема. ^[174] Другими вариантами биореакторов являются биополимеры ^[175] и биотопливо . ^[176] В отличие от бактерий, растения могут модифицировать белки посттрансляционно , что позволяет им создавать более сложные молекулы. Они также представляют меньший риск заражения. ^[177] В трансгенных клетках моркови и табака выращивают терапевтические препараты, ^[178] включая лекарственные препараты для лечения болезни Гоше . ^[179]

Производство и хранение вакцин имеет большой потенциал для трансгенных растений. Вакцины дороги в производстве, транспортировке и применении, поэтому наличие системы, которая может производить их на месте, обеспечит больший доступ к более бедным и развивающимся районам. ^[174] Помимо очистки вакцин, экспрессированных в растениях, можно также 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 нуждаются в очистке и имеют долгосрочную стабильность. Кроме того, присутствие в клетках растений обеспечивает некоторую защиту от кислот кишечника при пищеварении. Однако стоимость разработки, регулирования и содержания трансгенных растений высока, что приводит к тому, что большинство современных разработок вакцин на основе растений применяется в ветеринарии , где меры контроля не такие строгие. ^[180]

Подавляющее большинство генетически модифицированных животных находятся на стадии исследований, и их количество, близкое к выходу на рынок, остается небольшим. ^[181] По состоянию на 2018 год только три генетически модифицированных животных были одобрены, и все они находятся в США. Коза и курица были созданы для производства лекарств, а лосось увеличил свой собственный рост. ^[182] Несмотря на различия и трудности их модификации, конечные цели во многом такие же, как и для растений. ГМ-животные созданы для исследовательских целей, производства промышленных или терапевтических продуктов, использования в сельском хозяйстве или улучшения их здоровья. Также существует рынок создания генетически модифицированных домашних животных. ^[183]

Млекопитающие

Процесс генетической инженерии млекопитающих медленный, утомительный и дорогостоящий. Однако новые технологии делают генетические модификации проще и точнее. ^[184] Первые трансгенные млекопитающие были получены путем инъекции вирусной ДНК в эмбрионы и последующей имплантации эмбрионов самкам. ^[185] Эмбрион разовьется, и можно надеяться, что часть генетического материала будет включена в репродуктивные клетки. Затем исследователям пришлось бы подождать, пока животное не достигнет возраста размножения, а затем будет проверять потомство на наличие гена в каждой клетке. Разработка системы редактирования генов CRISPR-Cas9 как дешевого и быстрого способа прямого изменения половых клеток , эффективно сокращающего вдвое время, необходимое для создания генетически модифицированных млекопитающих. ^[186]