Часть серии статей о |
Генная инженерия |
---|
![]() |
Генетически модифицированные организмы |
История и регулирование |
|
Процесс |
Приложения |
Споры |
Генная инженерия — это наука о манипулировании генетическим материалом организма. Концепция генной инженерии была впервые предложена Николаем Тимофеевым-Ресовским в 1934 году. [1] Первой искусственной генетической модификацией, осуществленной с использованием биотехнологии, был трансгенез, процесс переноса генов из одного организма в другой, впервые осуществленный Гербертом Бойером и Стэнли Коэном в 1973 году. Это стало результатом ряда достижений в технологиях, которые позволили напрямую модифицировать геном . Важные достижения включали открытие ферментов рестрикции и ДНК-лигаз , возможность конструировать плазмиды и такие технологии, как полимеразная цепная реакция и секвенирование . Трансформация ДНК в организм-хозяин была достигнута с изобретением биолистики , рекомбинации, опосредованной Agrobacterium, и микроинъекции . Первым генетически модифицированным животным была мышь , созданная в 1974 году Рудольфом Йенишем . В 1976 году технология была коммерциализирована с появлением генетически модифицированных бактерий , которые производили соматостатин , а затем инсулин в 1978 году. В 1983 году в табак был вставлен ген устойчивости к антибиотикам, что привело к появлению первого генетически модифицированного растения . Последовавшие за этим достижения позволили ученым манипулировать и добавлять гены к различным организмам и вызывать ряд различных эффектов. Растения были впервые коммерциализированы с устойчивым к вирусам табаком, выпущенным в Китае в 1992 году. Первым генетически модифицированным продуктом питания стал томат Flavr Savr, выпущенный на рынок в 1994 году. К 2010 году 29 стран посадили коммерческие биотехнологические культуры. В 2000 году в статье, опубликованной в журнале Science, был представлен золотой рис , первый продукт питания, разработанный с повышенной питательной ценностью.
Генная инженерия — это прямая манипуляция геномом организма с использованием определенных биотехнологических методов, которые появились только с 1970-х годов. [3] Направленная человеком генетическая манипуляция происходила гораздо раньше, начиная с одомашнивания растений и животных путем искусственного отбора . Собака , как полагают, была первым одомашненным животным, возможно, происходящим от общего предка серого волка , [2] с археологическими свидетельствами, датируемыми примерно 12 000 г. до н.э. [4] Другие плотоядные, одомашненные в доисторические времена, включают кошку, которая сожительствовала с человеком 9 500 лет назад. [5] Археологические свидетельства свидетельствуют о том, что овцы, крупный рогатый скот, свиньи и козы были одомашнены между 9 000 г. до н.э. и 8 000 г. до н.э. в Плодородном полумесяце . [6]
Первые свидетельства одомашнивания растений были получены от пшеницы эммер и пшеницы однозернянки , найденных в докерамических неолитических деревнях А в Юго-Западной Азии, датируемых примерно 10 500–10 100 гг. до н. э. [7] Плодородный полумесяц Западной Азии, Египта и Индии были местами самого раннего планового посева и сбора растений, которые ранее собирались в дикой природе. Независимое развитие сельского хозяйства произошло в северном и южном Китае, африканском Сахеле, Новой Гвинее и нескольких регионах Америки. [8] Восемь основных неолитических культур (пшеница эммер, пшеница однозернянка, ячмень, горох, чечевица, горькая вика, нут и лен ) появились примерно к 7000 г. до н . э . [ 9 ] Садоводство впервые появляется в Леванте в период халколита примерно с 6800 по 6300 г. до н. э. [10] Из-за мягких тканей археологические свидетельства ранних овощей скудны. Самые ранние остатки овощей были найдены в египетских пещерах, которые датируются 2-м тысячелетием до н.э. [11]
Селекция одомашненных растений когда-то была основным способом, которым ранние фермеры формировали организмы в соответствии со своими потребностями. Чарльз Дарвин описал три типа отбора: методический отбор, при котором люди намеренно отбирают определенные характеристики; бессознательный отбор, при котором характеристика выбирается просто потому, что она желательна; и естественный отбор , при котором передается признак, который помогает организму лучше выживать. [12] : 25 Ранняя селекция опиралась на бессознательный и естественный отбор. Введение методического отбора неизвестно. [12] : 25 Общие характеристики, которые были выведены в одомашненных растениях, включают зерна, которые не осыпались, что позволяло легче собирать урожай, равномерное созревание, более короткую продолжительность жизни, что приводит к более быстрому росту, потере токсичных соединений и производительности. [12] : 27–30 Некоторые растения, такие как банан, могли размножаться путем вегетативного клонирования . Потомство часто не содержало семян и, следовательно, было бесплодным. Однако это потомство обычно было сочнее и крупнее. Размножение путем клонирования позволяет выращивать эти мутантные сорта, несмотря на отсутствие у них семян. [12] : 31
Гибридизация была еще одним способом, с помощью которого были введены быстрые изменения в состав растений. Она часто увеличивала энергию растений и объединяла желаемые признаки вместе. Гибридизация, скорее всего, впервые произошла, когда люди впервые вырастили похожие, но немного отличающиеся растения в непосредственной близости. [12] : 32 Triticum aestivum , пшеница, используемая для выпечки хлеба, является аллополиплоидом . Ее создание является результатом двух отдельных событий гибридизации. [13]
Прививка может переносить хлоропласты , митохондриальную ДНК и все ядро клетки , содержащее геном, для потенциального создания нового вида, что делает прививку формой естественной генной инженерии. [14]
Рентгеновские лучи впервые были использованы для преднамеренной мутации растений в 1927 году. В период с 1927 по 2007 год с использованием рентгеновских лучей было получено более 2540 генетически мутировавших сортов растений. [15]
Различные генетические открытия сыграли важную роль в развитии генной инженерии. Генетическое наследование было впервые обнаружено Грегором Менделем в 1865 году после экспериментов по скрещиванию гороха. Хотя его в значительной степени игнорировали в течение 34 лет, он предоставил первые доказательства наследственной сегрегации и независимого распределения. [16] В 1889 году Гуго де Фриз придумал название «(пан)ген», постулировав, что частицы ответственны за наследование характеристик [17] , а термин «генетика» был придуман Уильямом Бейтсоном в 1905 году. [18] В 1928 году Фредерик Гриффит доказал существование «трансформирующего принципа», вовлеченного в наследование, который Эвери, Маклеод и Маккарти позже (1944) определили как ДНК . Эдвард Лоури Тейтум и Джордж Уэллс Бидл разработали центральную догму о том, что гены кодируют белки, в 1941 году. Двойная спиральная структура ДНК была идентифицирована Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком в 1953 году.
Помимо открытия того, как работает ДНК, необходимо было разработать инструменты, которые позволяли бы ею манипулировать. В 1970 году лаборатория Гамильтона Смита открыла рестрикционные ферменты , которые позволяли разрезать ДНК в определенных местах и разделять ее на электрофорезном геле . Это позволило ученым изолировать гены из генома организма. [19] ДНК-лигазы , которые соединяют разорванную ДНК, были открыты ранее в 1967 году [20] , и путем объединения двух ферментов стало возможным «вырезать и вставлять» последовательности ДНК для создания рекомбинантной ДНК . Плазмиды , открытые в 1952 году, [21] стали важными инструментами для передачи информации между клетками и репликации последовательностей ДНК. Фредерик Сэнгер разработал метод секвенирования ДНК в 1977 году, значительно увеличив объем генетической информации, доступной исследователям. Полимеразная цепная реакция (ПЦР), разработанная Кэри Маллис в 1983 году, позволила амплифицировать небольшие участки ДНК и способствовала идентификации и изоляции генетического материала.
Помимо манипуляций с ДНК, необходимо было разработать методы ее вставки (известные как трансформация ) в геном организма. Эксперимент Гриффитса уже показал, что некоторые бактерии обладают способностью естественным образом поглощать и экспрессировать чужеродную ДНК . Искусственная компетентность была вызвана у Escherichia coli в 1970 году, когда Мортон Мандель и Акико Хига показали, что она может поглощать бактериофаг λ после обработки раствором хлорида кальция (CaCl 2 ). [22] Два года спустя Стэнли Коэн показал, что обработка CaCl 2 также эффективна для поглощения плазмидной ДНК. [23] Трансформация с использованием электропорации была разработана в конце 1980-х годов, что увеличило эффективность и диапазон бактерий. [24] В 1907 году была обнаружена бактерия, вызывающая опухоли растений, Agrobacterium tumefaciens , а в начале 1970-х годов было обнаружено, что агентом, вызывающим опухоль, является ДНК-плазмида, названная плазмидой Ti . [25] Удалив гены в плазмиде, вызывающие опухоль, и добавив новые гены, исследователи смогли заразить растения A. tumefaciens и позволить бактериям вставить выбранную ими ДНК в геномы растений. [26]
В 1972 году Пол Берг использовал рестриктазы и ДНК-лигазы для создания первых рекомбинантных молекул ДНК . Он объединил ДНК из вируса обезьян SV40 с ДНК вируса лямбда . [27] Герберт Бойер и Стэнли Норман Коэн продвинули работу Берга на шаг дальше и ввели рекомбинантную ДНК в бактериальную клетку. Коэн исследовал плазмиды, в то время как работа Бойера включала рестриктазы. Они осознали взаимодополняющий характер своей работы и объединились в 1972 году. Вместе они нашли рестриктазу, которая разрезала плазмиду pSC101 в одной точке и смогла вставить и лигировать ген, который придавал устойчивость к антибиотику канамицину , в разрыв. Ранее Коэн разработал метод, с помощью которого бактерии можно было заставить поглощать плазмиду, и с помощью этого они смогли создать бактерию, которая выживала в присутствии канамицина. Это был первый генетически модифицированный организм. Они повторили эксперименты, показывающие, что другие гены могут быть выражены в бактериях, включая ген жабы Xenopus laevis , первую межцарственную трансформацию. [28] [29] [30]
В 1974 году Рудольф Йениш создал трансгенную мышь, введя чужеродную ДНК в ее эмбрион, что сделало ее первым в мире трансгенным животным . [31] [32] Йениш изучал клетки млекопитающих, инфицированные вирусом обезьян 40 (SV40), когда он случайно прочитал статью Беатрис Минц, описывающую поколение химерных мышей . Он отнес свои образцы SV40 в лабораторию Минц и ввел их в ранние эмбрионы мышей, ожидая развития опухолей. Мыши казались нормальными, но после использования радиоактивных зондов он обнаружил, что вирус интегрировался в геном мышей. [33] Однако мыши не передали трансген своему потомству. В 1981 году лаборатории Фрэнка Раддла, Фрэнка Константини и Элизабет Лейси ввели очищенную ДНК в одноклеточный эмбрион мышей и показали передачу генетического материала последующим поколениям. [34] [35]
Первым генетически модифицированным растением был табак, о котором сообщалось в 1983 году. [36] Он был разработан Майклом В. Беваном , Ричардом Б. Флавеллом и Мэри-Делл Чилтон путем создания химерного гена , который присоединил ген устойчивости к антибиотикам к плазмиде T1 из Agrobacterium . Табак был инфицирован Agrobacterium, трансформированным этой плазмидой, в результате чего химерный ген был вставлен в растение. С помощью методов культивирования тканей была выбрана одна клетка табака, которая содержала ген, и из нее было выращено новое растение. [37]
Развитие генной инженерной технологии привело к беспокойству в научном сообществе о потенциальных рисках. Разработка нормативной базы, касающейся генной инженерии, началась в 1975 году в Асиломаре , Калифорния. На встрече в Асиломаре был рекомендован набор руководящих принципов относительно осторожного использования рекомбинантной технологии и любых продуктов, полученных с помощью этой технологии. [38] Рекомендации в Асиломаре были добровольными, но в 1976 году Национальный институт здравоохранения США (NIH) сформировал консультативный комитет по рекомбинантной ДНК. [39] За ним последовали другие регулирующие органы ( Министерство сельского хозяйства США (USDA), Агентство по охране окружающей среды (EPA) и Управление по контролю за продуктами и лекарствами (FDA), фактически сделав все исследования рекомбинантной ДНК строго регулируемыми в США. [40]
В 1982 году Организация экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) опубликовала отчет о потенциальных опасностях выпуска генетически модифицированных организмов в окружающую среду, когда разрабатывались первые трансгенные растения. [41] По мере совершенствования технологий и перехода генетически модифицированных организмов от модельных организмов к потенциальным коммерческим продуктам США создали комитет в Управлении по науке и технологиям (OSTP) для разработки механизмов регулирования разрабатываемой технологии. [40] В 1986 году OSTP поручил регулирующее одобрение генетически модифицированных растений в США Министерству сельского хозяйства США, Управлению по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) и Агентству по охране окружающей среды (EPA). [42] В конце 1980-х и начале 1990-х годов руководство по оценке безопасности генетически модифицированных растений и продуктов питания появилось в таких организациях, как ФАО и ВОЗ. [43] [44] [45] [46]
Европейский союз впервые ввел законы, требующие маркировки ГМО, в 1997 году. [47] В 2013 году Коннектикут стал первым штатом в США, принявшим закон о маркировке, хотя он не вступил в силу, пока другие штаты не последовали его примеру. [48]
Возможность вставлять, изменять или удалять гены в модельных организмах позволила ученым изучать генетические элементы заболеваний человека. [49] Генетически модифицированные мыши были созданы в 1984 году, и они несли клонированные онкогены , которые предрасполагали их к развитию рака. [50] Эта технология также использовалась для создания мышей с выключенными генами . Первая зарегистрированная мышь с выключенными генами была создана Марио Р. Капеччи , Мартином Эвансом и Оливером Смитисом в 1989 году. В 1992 году были созданы онкомисы с выключенными генами-супрессорами опухолей . [50] Создание крыс с выключенными генами намного сложнее и стало возможным только в 2003 году. [51] [52]
После открытия микроРНК в 1993 году [53] РНК-интерференция (РНКi) использовалась для подавления генов организма. [54] Модифицируя организм для экспрессии микроРНК, нацеленной на его эндогенные гены, исследователи смогли выключить или частично снизить функцию гена у ряда видов. Возможность частично снизить функцию гена позволила изучить гены, которые являются летальными при полном отключении. Другие преимущества использования РНКi включают в себя доступность индуцируемого и тканеспецифического нокаута. [55] В 2007 году микроРНК, нацеленная на гены насекомых и нематод , была экспрессирована в растениях, что привело к подавлению, когда они питались трансгенным растением, что потенциально создало новый способ борьбы с вредителями. [56] Нацеливание на эндогенную экспрессию микроРНК позволило дополнительно тонкую настройку экспрессии гена, дополняя более традиционный подход к нокауту гена. [57]
Генная инженерия использовалась для производства белков, полученных от людей и других источников в организмах, которые обычно не могут синтезировать эти белки. Бактерии, синтезирующие человеческий инсулин, были разработаны в 1979 году и впервые были использованы в качестве лечения в 1982 году. [58] В 1988 году первые человеческие антитела были получены в растениях. [59] В 2000 году золотой рис , обогащенный витамином А , стал первым продуктом питания с повышенной питательной ценностью. [60]
Поскольку не все растительные клетки были восприимчивы к заражению A. tumefaciens, были разработаны другие методы, включая электропорацию , микроинъекцию [61] и бомбардировку частицами с помощью генной пушки (изобретенной в 1987 году). [62] [63] В 1980-х годах были разработаны методы введения изолированных хлоропластов обратно в растительную клетку, у которой была удалена клеточная стенка. С появлением генной пушки в 1987 году стало возможным интегрировать чужеродные гены в хлоропласт . [64]
Генетическая трансформация стала очень эффективной в некоторых модельных организмах. В 1998 году генетически модифицированные семена были получены в Arabidopsis thaliana путем простого погружения цветов в раствор Agrobacterium . [65] Диапазон растений, которые могут быть трансформированы, увеличился по мере разработки методов культивирования тканей для различных видов.
Первые трансгенные животные были получены в 1985 году [66] путем микроинъекции чужеродной ДНК в яйца кроликов, овец и свиней. [67] Первыми животными, синтезировавшими трансгенные белки в своем молоке, были мыши, [68] сконструированные для производства активатора плазминогена тканей человека. [69] Эта технология была применена к овцам, свиньям, коровам и другому скоту. [68]
В 2010 году ученые из Института Дж. Крейга Вентера объявили, что им удалось создать первый синтетический бактериальный геном . Исследователи добавили новый геном к бактериальным клеткам и отобрали клетки, содержащие новый геном. Для этого клетки подвергаются процессу, называемому разрешением, когда во время деления бактериальной клетки одна новая клетка получает исходный ДНК-геном бактерии, в то время как другая получает новый синтетический геном. Когда эта клетка реплицируется, она использует синтетический геном в качестве своего шаблона. Полученная бактерия, разработанная исследователями, названная Synthia , стала первой в мире синтетической формой жизни . [70] [71]
В 2014 году была разработана бактерия, которая реплицировала плазмиду, содержащую неестественную пару оснований . Это потребовало изменения бактерии, чтобы она могла импортировать неестественные нуклеотиды , а затем эффективно реплицировать их. Плазмида сохраняла неестественные пары оснований, когда она удваивалась примерно в 99,4% случаев. [72] Это первый организм, сконструированный для использования расширенного генетического алфавита. [73]
В 2015 году CRISPR и TALENs использовались для модификации геномов растений. Китайские лаборатории использовали их для создания пшеницы, устойчивой к грибкам, и повышения урожайности риса, в то время как группа из Великобритании использовала их для настройки гена ячменя, который мог бы помочь производить устойчивые к засухе сорта. При использовании для точного удаления материала из ДНК без добавления генов из других видов, результат не подлежит длительному и дорогостоящему процессу регулирования, связанному с ГМО. Хотя CRISPR может использовать чужеродную ДНК для содействия процессу редактирования, второе поколение отредактированных растений не содержит никакой этой ДНК. Исследователи праздновали ускорение, поскольку оно может позволить им «идти в ногу» с быстро развивающимися патогенами. Министерство сельского хозяйства США заявило, что некоторые примеры кукурузы, картофеля и сои с отредактированными генами не подпадают под действие существующих правил. По состоянию на 2016 год другие органы по рассмотрению еще не сделали заявлений. [74]
В 1976 году Герберт Бойер и Роберт Свонсон основали Genentech , первую компанию по генной инженерии , а год спустя компания произвела человеческий белок ( соматостатин ) в E.coli . Genentech объявила о производстве генетически модифицированного человеческого инсулина в 1978 году. [75] В 1980 году Верховный суд США в деле Даймонд против Чакрабарти постановил, что генетически измененная жизнь может быть запатентована. [76] Инсулин, вырабатываемый бактериями, под торговой маркой хумулин , был одобрен для выпуска Управлением по контролю за продуктами и лекарствами в 1982 году. [77] В 1983 году биотехнологическая компания Advanced Genetic Sciences (AGS) подала заявку на получение разрешения правительства США на проведение полевых испытаний штамма P. syringae, не вызывающего заморозков , для защиты сельскохозяйственных культур от заморозков, но экологические группы и протестующие отложили полевые испытания на четыре года из-за юридических проблем. [78] В 1987 году штамм P. syringae без льда стал первым генетически модифицированным организмом (ГМО), выпущенным в окружающую среду [79] , когда им опрыскали клубничное и картофельное поля в Калифорнии. [80] Оба тестовых поля подверглись нападению со стороны групп активистов накануне проведения испытаний: «Первое в мире испытательное место привлекло первого в мире уничтожителя полей». [79]
Первое генетически модифицированное растение было получено в 1982 году, это был табак, устойчивый к антибиотикам. [81] Первые полевые испытания генетически модифицированных растений прошли во Франции и США в 1986 году, растения табака были сконструированы так, чтобы быть устойчивыми к гербицидам . [82] В 1987 году компания Plant Genetic Systems , основанная Марком Ван Монтегю и Джеффом Шеллом , стала первой компанией, которая генетически спроектировала растения, устойчивые к насекомым, путем включения генов, которые вырабатывали инсектицидные белки из Bacillus thuringiensis (Bt) в табак . [83]
Генетически модифицированные микробные ферменты были первым применением генетически модифицированных организмов в производстве продуктов питания и были одобрены в 1988 году Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США . [84] В начале 1990-х годов рекомбинантный химозин был одобрен для использования в нескольких странах. [84] [85] Сыр обычно изготавливался с использованием ферментного комплекса сычужного фермента , который извлекался из слизистой оболочки желудка коров. Ученые модифицировали бактерии для производства химозина, который также был способен свертывать молоко, в результате чего получался сырный творог . [86] Китайская Народная Республика была первой страной, которая коммерциализировала трансгенные растения, представив устойчивый к вирусам табак в 1992 году. [87] В 1994 году Calgene получила одобрение на коммерческий выпуск томата Flavr Savr , томата, модифицированного для более длительного срока хранения. [88] Также в 1994 году Европейский союз одобрил табак, модифицированный для устойчивости к гербициду бромоксинилу , что сделало его первой генетически модифицированной культурой, коммерциализированной в Европе. [89] В 1995 году Bt-картофель был признан безопасным Агентством по охране окружающей среды , после того как был одобрен FDA, что сделало его первой культурой, производящей пестициды, одобренной в США. [90] В 1996 году было выдано в общей сложности 35 разрешений на коммерческое выращивание 8 трансгенных культур и одной цветочной культуры (гвоздики) с 8 различными признаками в 6 странах и ЕС. [82]
К 2010 году 29 стран выращивали коммерческие биотехнологические культуры, а еще 31 страна выдала регулирующее разрешение на импорт трансгенных культур. [91] В 2013 году Роберт Фрейли ( исполнительный вице-президент и главный технический директор Monsanto ), Марк Ван Монтегю и Мэри-Делл Чилтон были награждены Всемирной продовольственной премией за улучшение «качества, количества или доступности» продовольствия в мире. [92]
Первым генетически модифицированным животным, которое было коммерциализировано, была GloFish , рыба-зебра с добавленным флуоресцентным геном , который позволяет ей светиться в темноте под ультрафиолетовым светом . [93] Первым генетически модифицированным животным, одобренным для употребления в пищу, был лосось AquAdvantage в 2015 году. [94] Лосось был трансформирован с помощью гена, регулирующего гормон роста , от тихоокеанского чавычи и промоутера от океанского тунца, что позволило ему расти круглый год, а не только весной и летом. [95]
Противодействие и поддержка использованию генной инженерии существовали с момента разработки этой технологии. [79] После того, как Арпад Пуштаи обнародовал результаты своих исследований в 1998 году, общественное противодействие генетически модифицированным продуктам питания усилилось. [96] Противостояние продолжилось после публикации спорных и публично обсуждаемых статей в 1999 и 2013 годах , в которых утверждалось об отрицательном влиянии генетически модифицированных культур на окружающую среду и здоровье . [97] [98]