Genmodifierad organism

En genetiskt modifierad organism ( GMO ) är varje organism vars genetiska material har förändrats med hjälp av genetisk ingenjörsteknik . Den exakta definitionen av en genetiskt modifierad organism och vad som utgör genteknik varierar, med det vanligaste är en organism som förändrats på ett sätt som "inte sker naturligt genom parning och/eller naturlig rekombination ". En mängd olika organismer har modifierats genetiskt (GM), från djur till växter ^{och mikroorganismer .} Gener har överförts inom samma art , över arter (som skapar transgena organismer) och till och med över kungadömen . Nya gener kan introduceras, eller endogena gener kan förstärkas, förändras eller slås ut .

Att skapa en genetiskt modifierad organism är en process i flera steg. Gentekniker måste isolera genen de vill infoga i värdorganismen och kombinera den med andra genetiska element, inklusive en promotor- och terminatorregion och ofta en selekterbar markör . Ett antal tekniker finns tillgängliga för att infoga den isolerade genen i värdgenomet . Nya framsteg med användning av genomredigeringstekniker , särskilt CRISPR , har gjort produktionen av GMO mycket enklare. Herbert Boyer och Stanley Cohen gjorde den första genetiskt modifierade organismen 1973, en bakterie som är resistent mot antibiotikumet kanamycin . Det första genetiskt modifierade djuret , en mus, skapades 1974 av Rudolf Jaenisch , och den första växten producerades 1983. 1994 släpptes Flavr Savr -tomaten, den första kommersialiserade genetiskt modifierade maten . Det första genetiskt modifierade djuret som kommersialiserats var GloFish (2003) och det första genetiskt modifierade djuret som godkändes för livsmedelsanvändning var AquAdvantage-laxen 2015.

Bakterier är de enklaste organismerna att konstruera och har använts för forskning, livsmedelsproduktion, industriell proteinrening (inklusive läkemedel), jordbruk och konst. Det finns potential att använda dem för miljöändamål eller som medicin. Svampar har konstruerats med ungefär samma mål. Virus spelar en viktig roll som vektorer för att infoga genetisk information i andra organismer. Denna användning är särskilt relevant för human genterapi . Det finns förslag om att ta bort de virulenta generna från virus för att skapa vacciner. Växter har konstruerats för vetenskaplig forskning, för att skapa nya färger i växter, leverera vacciner och för att skapa förbättrade grödor. Genetiskt modifierade grödor är offentligt de mest kontroversiella genetiskt modifierade organismerna, trots att de har störst hälso- och miljöfördelar. De flesta är konstruerade för herbicidtolerans eller insektsresistens. Gyllene ris har konstruerats med tre gener som ökar dess näringsvärde . Andra möjligheter för GM-grödor är som bioreaktorer för produktion av bioläkemedel, biobränslen eller mediciner.

Djur är i allmänhet mycket svårare att omvandla och de allra flesta är fortfarande på forskningsstadiet. Däggdjur är de bästa modellorganismerna för människor, vilket gör att de är genetiskt framställda för att likna allvarliga mänskliga sjukdomar som är viktiga för upptäckten och utvecklingen av behandlingar. Mänskliga proteiner som uttrycks i däggdjur är mer benägna att likna deras naturliga motsvarigheter än de som uttrycks i växter eller mikroorganismer. Boskap modifieras med avsikten att förbättra ekonomiskt viktiga egenskaper som tillväxthastighet, köttkvalitet, mjölksammansättning, sjukdomsresistens och överlevnad. Genetiskt modifierad fisk används för vetenskaplig forskning, som husdjur och som matkälla. Genteknik har föreslagits som ett sätt att kontrollera myggor, en vektor för många dödliga sjukdomar. Även om human genterapi fortfarande är relativt ny, har den använts för att behandla genetiska störningar som svår kombinerad immunbrist och Lebers medfödda amauros .

Många invändningar har framförts mot utvecklingen av GMO, särskilt deras kommersialisering. Många av dessa handlar om genetiskt modifierade grödor och huruvida mat som produceras av dem är säker och vilken inverkan odling av dem kommer att ha på miljön. Andra bekymmer är tillsynsmyndigheternas objektivitet och stringens, kontaminering av icke genetiskt modifierad mat, kontroll av livsmedelsförsörjningen, patentering av liv och användning av immateriella rättigheter . Även om det finns en vetenskaplig konsensus om att mat som härrör från genetiskt modifierade grödor för närvarande inte utgör någon större risk för människors hälsa än konventionell mat, är GM-matsäkerhet en ledande fråga hos kritiker. Genflöde , påverkan på icke-målorganismer och flykt är de största miljöproblemen. Länder har antagit regleringsåtgärder för att hantera dessa problem. Det finns skillnader i regleringen för utsättning av GMO mellan länder, med några av de mest markanta skillnaderna mellan USA och Europa. Nyckelfrågor som rör tillsynsmyndigheter inkluderar huruvida genetiskt modifierade livsmedel bör märkas och statusen för genredigerade organismer.

Definition

Definitionen av en genetiskt modifierad organism (GMO) är inte tydlig och varierar kraftigt mellan länder, internationella organ och andra samhällen. I sin bredaste form kan definitionen av en GMO omfatta allt som har fått sina gener förändrade, även av naturen. Med en mindre bred syn kan den omfatta varje organism som har fått sina gener förändrade av människor, vilket skulle omfatta alla grödor och boskap. År 1993 Encyclopedia Britannica genteknik som "vilken som helst av ett brett spektrum av tekniker ... bland annat artificiell insemination t.ex. , provrörsbefruktning ( " provrörsbarn "), spermiebanker , kloning och genmanipulation." Europeiska unionen (EU) inkluderade en liknande bred definition i tidiga granskningar, och nämnde specifikt GMO som producerats genom " selektiv förädling och andra metoder för artificiellt urval". Dessa definitioner justerades omedelbart med ett antal undantag tillagda som ett resultat av påtryckningar från vetenskapliga och jordbrukssamhällen, såväl som utvecklingen inom vetenskapen. EU-definitionen uteslöt senare traditionell avel, provrörsbefruktning, induktion av polyploidi , mutationsförädling och cellfusionstekniker som inte använder rekombinanta nukleinsyror eller en genetiskt modifierad organism i processen.

Ett annat tillvägagångssätt var definitionen från Livsmedels- och jordbruksorganisationen , Världshälsoorganisationen och Europeiska kommissionen , som säger att organismerna måste förändras på ett sätt som "inte sker naturligt genom parning och/eller naturlig rekombination ". Framsteg inom vetenskapen, som upptäckten av att horisontell genöverföring är ett relativt vanligt naturfenomen, bidrog ytterligare till förvirringen om vad som "förekommer naturligt", vilket ledde till ytterligare justeringar och undantag. Det finns exempel på grödor som passar in i denna definition, men som normalt inte anses vara GMO. utvecklades spannmålsgrödan triticale i ett laboratorium 1930 med hjälp av olika tekniker för att förändra dess genom.

Genmanipulerad organism (GEO) kan betraktas som en mer exakt term jämfört med GMO när man beskriver organismers genom som direkt manipulerats med bioteknik. Cartagenaprotokollet om biosäkerhet använde synonymen levande modifierad organism ( LMO ) år 2000 och definierade den som "varje levande organism som har en ny kombination av genetiskt material som erhållits genom användning av modern bioteknik." Modern bioteknik definieras vidare som "Nukleinsyratekniker in vitro, inklusive rekombinant deoxiribonukleinsyra (DNA) och direkt injektion av nukleinsyra i celler eller organeller, eller fusion av celler utanför den taxonomiska familjen."

Termen GMO användes ursprungligen inte vanligtvis av forskare för att beskriva genetiskt modifierade organismer förrän efter att användningen av GMO blev vanlig i populära medier. United States Department of Agriculture (USDA) anser att GMO är växter eller djur med ärftliga förändringar som introducerats genom genteknik eller traditionella metoder, medan GEO specifikt hänvisar till organismer med gener som introduceras, elimineras eller omarrangeras med hjälp av molekylärbiologi, särskilt rekombinanta DNA- tekniker , såsom transgenes .

Definitionerna fokuserar mer på processen än produkten, vilket innebär att det kan finnas GMOS och icke-GMO med mycket liknande genotyper och fenotyper. Detta har fått forskare att märka det som en vetenskapligt meningslös kategori och säga att det är omöjligt att gruppera alla olika typer av GMO under en gemensam definition. Det har också orsakat problem för organiska institutioner och grupper som vill förbjuda GMO. Det ställer också till problem när nya processer utvecklas. De nuvarande definitionerna kom in innan genomredigering blev populär och det råder viss förvirring om huruvida de är GMO. EU har bedömt att de ändrar sin GMO-definition till att inkludera "organismer erhållna genom mutagenes ", men har uteslutit dem från reglering baserat på deras "långa säkerhetsdata" och att de "konventionellt har använts i ett antal tillämpningar". Däremot har USDA bestämt att genredigerade organismer inte anses vara GMO.

Ännu större inkonsekvens och förvirring är förknippad med olika "Icke-GMO" eller "GMO-fria" märkningssystem vid marknadsföring av livsmedel, där även produkter som vatten eller salt, som inte innehåller några organiska ämnen och genetiskt material (och därmed inte kan vara genetiskt modifierade per definition), märks för att skapa ett intryck av att vara "mer hälsosam".

Produktion

En genpistol använder biolistik för att infoga DNA i växtvävnad.

Att skapa en genetiskt modifierad organism (GMO) är en process i flera steg. Gentekniker måste isolera genen de vill infoga i värdorganismen. Denna gen kan tas från en cell eller syntetiseras på konstgjord väg . Om den valda genen eller donatororganismens genom har studerats väl kan den redan vara tillgänglig från ett genetiskt bibliotek . Genen kombineras sedan med andra genetiska element, inklusive en promotor- och terminatorregion och en selekterbar markör .

Ett antal tekniker finns tillgängliga för att infoga den isolerade genen i värdgenomet . Bakterier kan induceras att ta upp främmande DNA, vanligtvis genom exponerad värmechock eller elektroporering . DNA sätts vanligtvis in i djurceller med hjälp av mikroinjektion , där det kan injiceras genom cellens kärnhölje direkt in i kärnan , eller genom användning av virala vektorer . I växter infogas DNA ofta med hjälp av Agrobacterium -medierad rekombination , biolistik eller elektroporering.

Eftersom endast en enda cell transformeras med genetiskt material, måste organismen regenereras från den enstaka cellen. I växter sker detta genom vävnadsodling . Hos djur är det nödvändigt att säkerställa att det insatta DNA:t finns i de embryonala stamcellerna . Ytterligare tester med PCR , Southern-hybridisering och DNA-sekvensering utförs för att bekräfta att en organism innehåller den nya genen.

Traditionellt infogades det nya genetiska materialet slumpmässigt i värdgenomet. Geninriktningstekniker , som skapar dubbelsträngade avbrott och drar fördel av cellens naturliga homologa rekombinationsreparationssystem, har utvecklats för att rikta insättning till exakta platser . Genom redigering använder artificiellt framställda nukleaser som skapar avbrott vid specifika punkter. Det finns fyra familjer av konstruerade nukleaser: meganukleaser , zinkfingernukleaser , transkriptionsaktivatorliknande effektornukleaser (TALEN) och Cas9-guideRNA-systemet (anpassat från CRISPR). TALEN och CRISPR är de två mest använda och var och en har sina egna fördelar. TALENs har större målspecificitet, medan CRISPR är lättare att designa och effektivare.

Historia

Herbert Boyer (bilden) och Stanley Cohen skapade den första genetiskt modifierade organismen 1973.

Människor har domesticerat växter och djur sedan omkring 12 000 f.Kr., med hjälp av selektiv avel eller artificiellt urval (i motsats till naturligt urval ). Processen med selektiv avel , där organismer med önskade egenskaper (och därmed med de önskade generna ) används för att avla nästa generation och organismer som saknar egenskapen inte föds upp, är en föregångare till det moderna konceptet med genetisk modifiering. Olika framsteg inom genetik gjorde det möjligt för människor att direkt ändra DNA och därför gener hos organismer. 1972 Paul Berg den första rekombinanta DNA- molekylen när han kombinerade DNA från ett apvirus med det från lambdaviruset .

Herbert Boyer och Stanley Cohen gjorde den första genetiskt modifierade organismen 1973. De tog en gen från en bakterie som gav resistens mot antibiotikumet kanamycin , infogade den i en plasmid och fick sedan andra bakterier att inkorporera plasmiden. Bakterierna som framgångsrikt hade inkorporerat plasmiden kunde sedan överleva i närvaro av kanamycin. Boyer och Cohen uttryckte andra gener i bakterier. Detta inkluderade gener från paddan Xenopus laevis 1974, vilket skapade den första GMO som uttryckte en gen från en organism från ett annat kungarike .

1974 skapade Rudolf Jaenisch det första genetiskt modifierade djuret.

1974 skapade Rudolf Jaenisch en transgen mus genom att introducera främmande DNA i dess embryo, vilket gjorde den till världens första transgena djur. Det tog dock ytterligare åtta år innan transgena möss utvecklades som skickade transgenen till sin avkomma. Genetiskt modifierade möss skapades 1984 som bar klonade onkogener , vilket predisponerade dem för att utveckla cancer. Möss med gener borttagna (kallas knockout-mus ) skapades 1989. Den första transgena boskapen producerades 1985 och det första djuret som syntetiserade transgena proteiner i sin mjölk var möss 1987. Mössen konstruerades för att producera human vävnadsplasminogenaktivator , ett protein som är involverat i att bryta ner blodproppar .

1983 utvecklades den första genetiskt modifierade växten av Michael W. Bevan , Richard B. Flavell och Mary-Dell Chilton . De infekterade tobaken med Agrobacterium transformerad med en antibiotikaresistensgen och kunde genom vävnadsodlingstekniker odla en ny växt som innehöll resistensgenen. Genpistolen uppfanns 1987, vilket möjliggör transformation av växter som inte är mottagliga för Agrobacterium - infektion. År 2000 vitamin A -berikat gyllene ris den första växten som utvecklades med ökat näringsvärde.

1976 grundades Genentech , det första genteknikföretaget av Herbert Boyer och Robert Swanson ; ett år senare producerade företaget ett humant protein ( somatostatin ) i E. coli . Genentech tillkännagav produktionen av genetiskt modifierat humant insulin 1978. Insulinet som produceras av bakterier, märkt Humulin , godkändes för frisättning av Food and Drug Administration 1982. 1988 producerades de första humana antikropparna i växter. 1987 blev en stam av Pseudomonas syringae den första genetiskt modifierade organismen som släpptes ut i miljön när en jordgubbs- och potatisåker i Kalifornien besprutades med den.

Den första genetiskt modifierade grödan , en antibiotikaresistent tobaksväxt, producerades 1982. Kina var det första landet som kommersialiserade transgena växter, och introducerade en virusresistent tobak 1992. 1994 fick Calgene godkännande att kommersiellt släppa Flavr Savr - tomaten , det första genetiskt modifierade livsmedlet . Också 1994 godkände Europeiska unionen tobak som konstruerats för att vara resistent mot herbiciden bromoxynil , vilket gör den till den första genetiskt modifierade grödan som kommersialiserats i Europa. En insektsresistent potatis godkändes för utsläppande i USA 1995, och 1996 hade godkännande beviljats för att kommersiellt odla 8 transgena grödor och en blomgröda (nejlika) i 6 länder plus EU.

2010 meddelade forskare vid J. Craig Venter Institute att de hade skapat det första syntetiska bakteriegenomet . De döpte det till Synthia och det var världens första syntetiska livsform .

Det första genetiskt modifierade djuret som kommersialiserats var GloFish , en zebrafisk med en fluorescerande gen tillagd som gör att den kan lysa i mörkret under ultraviolett ljus . Den släpptes på den amerikanska marknaden 2003. 2015 AquAdvantage lax det första genetiskt modifierade djuret som godkändes för livsmedelsanvändning. Godkännandet gäller fisk som föds upp i Panama och säljs i USA. Laxen transformerades med en tillväxthormonreglerande gen från en Pacific Chinook-lax och en promotor från en havsvitlinglyra som gjorde att den kunde växa året runt istället för bara under våren och sommaren.

Bakterie

Vänster: Bakterier transformerade med pGLO under omgivande ljus Höger: Bakterier transformerade med pGLO visualiserade under ultraviolett ljus

Bakterier var de första organismerna som modifierades genetiskt i laboratoriet, på grund av den relativa lättheten att modifiera sina kromosomer. Denna lätthet gjorde dem till viktiga verktyg för att skapa andra GMO. Gener och annan genetisk information från ett brett spektrum av organismer kan läggas till en plasmid och infogas i bakterier för lagring och modifiering. Bakterier är billiga, lätta att odla, klonala , förökar sig snabbt och kan lagras vid -80 °C nästan på obestämd tid. När en gen väl är isolerad kan den lagras inuti bakterierna, vilket ger ett obegränsat utbud för forskning. Ett stort antal anpassade plasmider gör det relativt enkelt att manipulera DNA extraherat från bakterier.

Deras användarvänlighet har gjort dem till fantastiska verktyg för forskare som vill studera genfunktion och evolution . De enklaste modellorganismerna kommer från bakterier, och det mesta av vår tidiga förståelse av molekylärbiologi kommer från att studera Escherichia coli . Forskare kan enkelt manipulera och kombinera gener i bakterierna för att skapa nya eller störda proteiner och observera effekten detta har på olika molekylära system. Forskare har kombinerat generna från bakterier och archaea , vilket leder till insikter om hur dessa två skilde sig åt i det förflutna. Inom området syntetisk biologi har de använts för att testa olika syntetiska metoder, från att syntetisera genom till att skapa nya nukleotider .

Bakterier har använts i produktionen av livsmedel under lång tid och specifika stammar har utvecklats och valts ut för det arbetet i industriell skala . De kan användas för att producera enzymer , aminosyror , smakämnen och andra föreningar som används i livsmedelsproduktion. Med tillkomsten av genteknik kan nya genetiska förändringar lätt införas i dessa bakterier. De flesta livsmedelsproducerande bakterier är mjölksyrabakterier , och det är här majoriteten av forskningen om genmanipulation av livsmedelsproducerande bakterier har tagit vägen. Bakterierna kan modifieras för att fungera mer effektivt, minska produktionen av giftiga biprodukter, öka produktionen, skapa förbättrade föreningar och ta bort onödiga vägar . Livsmedelsprodukter från genetiskt modifierade bakterier inkluderar alfa-amylas , som omvandlar stärkelse till enkla sockerarter, chymosin , som koagulerar mjölkprotein för osttillverkning, och pektinesteras , som förbättrar fruktjuicens klarhet. Merparten produceras i USA och även om regleringar finns för att tillåta produktion i Europa, finns det för närvarande inga livsmedelsprodukter som härrör från bakterier där från och med 2015.

Genetiskt modifierade bakterier används för att producera stora mängder proteiner för industriellt bruk. I allmänhet odlas bakterierna till en stor volym innan genen som kodar för proteinet aktiveras. Bakterierna skördas sedan och det önskade proteinet renas från dem. De höga kostnaderna för utvinning och rening har gjort att endast högvärdiga produkter har producerats i industriell skala. Majoriteten av dessa produkter är humana proteiner för användning inom medicin. Många av dessa proteiner är omöjliga eller svåra att få tag på via naturliga metoder och de är mindre benägna att vara kontaminerade med patogener, vilket gör dem säkrare. Den första medicinska användningen av GM-bakterier var att producera proteinet insulin för att behandla diabetes . Andra läkemedel som produceras inkluderar koaguleringsfaktorer för att behandla hemofili , humant tillväxthormon för att behandla olika former av dvärgväxt , interferon för att behandla vissa cancerformer, erytropoietin för anemiska patienter och vävnadsplasminogenaktivator som löser upp blodproppar. Utanför medicin har de använts för att producera biobränslen . Det finns intresse för att utveckla ett extracellulärt uttryckssystem inom bakterierna för att minska kostnaderna och göra produktionen av fler produkter ekonomisk.

Med en större förståelse för den roll som mikrobiomet spelar för människors hälsa, finns det en potential att behandla sjukdomar genom att genetiskt förändra bakterierna till att själva vara terapeutiska medel. Idéer inkluderar att förändra tarmbakterier så att de förstör skadliga bakterier, eller att använda bakterier för att ersätta eller öka bristfälliga enzymer eller proteiner. Ett forskningsfokus är att modifiera Lactobacillus , bakterier som naturligt ger ett visst skydd mot HIV , med gener som ytterligare kommer att förbättra detta skydd. Om bakterierna inte bildar kolonier inuti patienten måste personen upprepade gånger få i sig de modifierade bakterierna för att få de nödvändiga doserna. Att göra det möjligt för bakterierna att bilda en koloni kan ge en mer långsiktig lösning, men kan också ge upphov till säkerhetsproblem eftersom interaktioner mellan bakterier och människokroppen är mindre välkända än med traditionella läkemedel. Det finns farhågor om att horisontell genöverföring till andra bakterier kan ha okända effekter. Från och med 2018 pågår kliniska prövningar som testar effektiviteten och säkerheten för dessa behandlingar.

I över ett sekel har bakterier använts i jordbruket. Grödor har inokulerats med Rhizobia (och mer nyligen Azospirillum ) för att öka sin produktion eller för att tillåta dem att odlas utanför deras ursprungliga livsmiljö . Applicering av Bacillus thuringiensis (Bt) och andra bakterier kan hjälpa till att skydda grödor från insektsangrepp och växtsjukdomar. Med framsteg inom genteknik har dessa bakterier manipulerats för ökad effektivitet och utökat värdområde. Markörer har också lagts till för att hjälpa till att spåra spridningen av bakterierna. Bakterierna som naturligt koloniserar vissa grödor har också modifierats, i vissa fall för att uttrycka Bt-gener som är ansvariga för resistens mot skadedjur. Pseudomonas bakteriestammar orsakar frostskador genom att kärna in vatten till iskristaller runt sig. Detta ledde till utvecklingen av is-minus-bakterier , som har tagit bort de isbildande generna. När de appliceras på grödor kan de konkurrera med de icke-modifierade bakterierna och ge viss frostbeständighet.

Detta konstverk är gjort med bakterier modifierade för att uttrycka 8 olika färger av fluorescerande proteiner .

Andra användningsområden för genetiskt modifierade bakterier inkluderar bioremediering , där bakterierna används för att omvandla föroreningar till en mindre giftig form. Genteknik kan öka nivåerna av de enzymer som används för att bryta ned ett toxin eller för att göra bakterierna mer stabila under miljöförhållanden. Bioart har också skapats med hjälp av genetiskt modifierade bakterier. På 1980-talet omvandlade konstnären Jon Davis och genetikern Dana Boyd den germanska symbolen för femininitet (ᛉ) till binär kod och sedan till en DNA-sekvens, som sedan uttrycktes i Escherichia coli . Detta togs ett steg längre 2012, då en hel bok kodades in på DNA. Målningar har också producerats med hjälp av bakterier transformerade med fluorescerande proteiner.

Virus

Virus modifieras ofta så att de kan användas som vektorer för att infoga genetisk information i andra organismer. Denna process kallas transduktion och om den lyckas blir mottagaren av det införda DNA:t en GMO. Olika virus har olika effektivitet och kapacitet. Forskare kan använda detta för att kontrollera för olika faktorer; inklusive målplatsen, insättningsstorleken och varaktigheten av genuttryck. Alla farliga sekvenser som är inneboende i viruset måste tas bort, medan de som gör att genen kan levereras effektivt behålls.

Även om virala vektorer kan användas för att infoga DNA i nästan vilken organism som helst, är det särskilt relevant för dess potential vid behandling av sjukdomar hos människor. Även om det i första hand fortfarande är i försöksstadier, har det varit några framgångar med att använda genterapi för att ersätta defekta gener. Detta är tydligast när det gäller att bota patienter med svår kombinerad immunbrist till följd av adenosindeaminasbrist (ADA-SCID), även om utvecklingen av leukemi hos vissa ADA-SCID-patienter tillsammans med döden av Jesse Gelsinger i en studie 1999 satte tillbaka utvecklingen av detta tillvägagångssätt under många år. 2009 uppnåddes ytterligare ett genombrott när en åttaårig pojke med Lebers medfödda amauros återfick normal syn och 2016 fick GlaxoSmithKline godkännande att kommersialisera en genterapibehandling för ADA-SCID. Från och med 2018 pågår ett stort antal kliniska prövningar , inklusive behandlingar för hemofili , glioblastom , kronisk granulomatös sjukdom , cystisk fibros och olika cancerformer .

Det vanligaste viruset som används för genleverans kommer från adenovirus eftersom de kan bära upp till 7,5 kb främmande DNA och infektera ett relativt brett spektrum av värdceller, även om de har varit kända för att framkalla immunsvar i värden och endast ge kortvarigt uttryck . Andra vanliga vektorer är adenoassocierade virus , som har lägre toxicitet och långtidsuttryck, men som bara kan bära cirka 4 kb DNA. Herpes simplex-virus skapar lovande vektorer, har en bärkapacitet på över 30 kb och ger långtidsuttryck, även om de är mindre effektiva vid genleverans än andra vektorer. De bästa vektorerna för långtidsintegrering av genen i värdgenomet är retrovirus , men deras benägenhet för slumpmässig integration är problematisk. Lentivirus är en del av samma familj som retrovirus med fördelen att infektera både delande och icke-delande celler, medan retrovirus endast riktar sig mot delande celler. Andra virus som har använts som vektorer inkluderar alfavirus , flavivirus , mässlingvirus , rhabdovirus , Newcastlesjukevirus , poxvirus och picornavirus .

De flesta vacciner består av virus som har försvagats , inaktiverats, försvagats eller dödats på något sätt så att deras virulenta egenskaper inte längre är effektiva. Genteknik skulle teoretiskt kunna användas för att skapa virus med de virulenta generna borttagna. Detta påverkar inte virusets infektivitet , framkallar ett naturligt immunsvar och det finns ingen chans att de kommer att återfå sin virulensfunktion, vilket kan inträffa med vissa andra vacciner. Som sådana anses de i allmänhet vara säkrare och mer effektiva än konventionella vacciner, även om oro kvarstår över icke-målinfektion, potentiella biverkningar och horisontell genöverföring till andra virus. Ett annat potentiellt tillvägagångssätt är att använda vektorer för att skapa nya vacciner för sjukdomar som inte har några tillgängliga vacciner eller vacciner som inte fungerar effektivt, såsom AIDS , malaria och tuberkulos . Det mest effektiva vaccinet mot tuberkulos, Bacillus Calmette-Guérin (BCG)-vaccinet , ger endast partiellt skydd. Ett modifierat vaccin som uttrycker ett M tuberkulosantigen kan förbättra BCG-skyddet. Det har visat sig vara säkert att använda vid fas II-prövningar , även om det inte är så effektivt som man först hoppades. Andra vektorbaserade vacciner har redan godkänts och många fler håller på att utvecklas.

En annan potentiell användning av genetiskt modifierade virus är att förändra dem så att de direkt kan behandla sjukdomar. Detta kan vara genom uttryck av skyddande proteiner eller genom att direkt rikta in sig på infekterade celler. År 2004 rapporterade forskare att ett genetiskt modifierat virus som utnyttjar cancercellers själviska beteende kan erbjuda ett alternativt sätt att döda tumörer. Sedan dess har flera forskare utvecklat genetiskt modifierade onkolytiska virus som är lovande som behandlingar för olika typer av cancer . Under 2017 genetiskt modifierade forskare ett virus för att uttrycka spenatdefensinproteiner . Viruset injicerades i apelsinträd för att bekämpa citrusgrönningssjukdomen som hade minskat apelsinproduktionen med 70 % sedan 2005.

Naturliga virussjukdomar, såsom myxomatos och kaninhemorragisk sjukdom , har använts för att hjälpa till att kontrollera skadedjurspopulationer. Med tiden blir de överlevande skadedjuren resistenta, vilket får forskare att titta på alternativa metoder. Genetiskt modifierade virus som gör måldjuren infertila genom immunkontraception har skapats i laboratoriet samt andra som riktar sig mot djurets utvecklingsstadium. Det finns farhågor med att använda detta tillvägagångssätt när det gäller virusinneslutning och infektion över arter. Ibland kan samma virus modifieras för kontrasterande ändamål. Genetisk modifiering av myxomviruset har föreslagits för att bevara europeiska vilda kaniner på den iberiska halvön och för att hjälpa till att reglera dem i Australien. För att skydda den iberiska arten från virussjukdomar modifierades myxomviruset genetiskt för att immunisera kaninerna, medan samma myxomvirus i Australien genetiskt modifierades för att sänka fertiliteten i den australiska kaninpopulationen.

Utanför biologi har forskare använt ett genetiskt modifierat virus för att konstruera ett litiumjonbatteri och andra nanostrukturerade material. Det är möjligt att konstruera bakteriofager för att uttrycka modifierade proteiner på deras yta och sammanfoga dem i specifika mönster (en teknik som kallas fagdisplay ). Dessa strukturer har potentiell användning för energilagring och generering, biosensing och vävnadsregenerering med några nya material som för närvarande produceras, inklusive kvantprickar , flytande kristaller , nanorings och nanofibrer . Batteriet tillverkades av M13-bakterieofager så att de skulle belägga sig med järnfosfat och sedan montera sig själva längs ett kolnanorör . Detta skapade ett mycket ledande medium för användning i en katod, vilket gör att energi kan överföras snabbt. De skulle kunna konstrueras vid lägre temperaturer med giftfria kemikalier, vilket gör dem mer miljövänliga.

Svampar

Svamp kan användas för många av samma processer som bakterier. För industriella tillämpningar kombinerar jäst de bakteriella fördelarna med att vara en encellig organism som är lätt att manipulera och odla med de avancerade proteinmodifieringar som finns i eukaryoter . De kan användas för att producera stora komplexa molekyler för användning i livsmedel, läkemedel, hormoner och steroider. Jäst är viktigt för vinproduktion och från och med 2016 har två genetiskt modifierade jäster som är involverade i jäsningen av vin kommersialiserats i USA och Kanada. Den ena har ökad malolaktisk jäsningseffektivitet , medan den andra förhindrar produktionen av farliga etylkarbamatföreningar under jäsningen. Det har också skett framsteg i produktionen av biobränsle från genetiskt modifierade svampar.

Svampar, som är de vanligaste patogenerna hos insekter, gör attraktiva biobekämpningsmedel . Till skillnad från bakterier och virus har de fördelen att infektera insekterna enbart genom kontakt, även om de konkurrerar ut i effektivitet av kemiska bekämpningsmedel . Genteknik kan förbättra virulensen, vanligtvis genom att lägga till mer virulenta proteiner, öka infektionshastigheten eller förbättra sporresistensen . Många av de sjukdomsbärande vektorerna är mottagliga för entomopatogena svampar . Ett attraktivt mål för biologisk kontroll är myggor , vektorer för en rad dödliga sjukdomar, inklusive malaria , gula febern och denguefeber . Myggor kan utvecklas snabbt så det blir en balansgång att döda dem innan Plasmodium de bär på blir infektionssjukdomen, men inte så snabbt att de blir resistenta mot svamparna. Genom att genetiskt modifiera svampar som Metarhizium anisopliae och Beauveria bassiana för att fördröja utvecklingen av myggsmitta minskar urvalstrycket för att utveckla resistens. En annan strategi är att lägga till proteiner till svamparna som blockerar överföringen av malaria eller att helt och hållet ta bort Plasmodium .

Agaricus bisporus, den vanliga vita knappsvampen, har genredigerats för att motstå brunfärgning, vilket ger den längre hållbarhet . Processen använde CRISPR för att slå ut en gen som kodar för polyfenoloxidas . Eftersom det inte införde något främmande DNA i organismen ansågs det inte vara reglerat under befintliga GMO-ramverk och är som sådan den första CRISPR-redigerade organismen som godkänts för frisättning. Detta har intensifierat debatterna om huruvida genredigerade organismer ska betraktas som genetiskt modifierade organismer och hur de ska regleras.

Växter

Vävnadskultur används för att regenerera Arabidopsis thaliana

Växter har konstruerats för vetenskaplig forskning, för att visa nya blomfärger, leverera vacciner och för att skapa förbättrade grödor. Många växter är pluripotenta , vilket innebär att en enda cell från en mogen växt kan skördas och under rätt förhållanden utvecklas till en ny växt. Denna förmåga kan utnyttjas av gentekniker; genom att selektera för celler som framgångsrikt har transformerats i en vuxen växt kan en ny växt sedan odlas som innehåller transgenen i varje cell genom en process som kallas vävnadskultur .

Mycket av framstegen inom genteknik har kommit från experiment med tobak . Stora framsteg inom vävnadsodling och växtcellulära mekanismer för ett brett spektrum av växter har sitt ursprung i system som utvecklats i tobak. Det var den första växten som förändrades med hjälp av genteknik och anses vara en modellorganism för inte bara genteknik, utan en rad andra områden. Som sådan är de transgena verktygen och procedurerna väletablerade, vilket gör tobak till en av de enklaste växterna att omvandla. En annan viktig modellorganism som är relevant för genteknik är Arabidopsis thaliana . Dess lilla genom och korta livscykel gör den lätt att manipulera och den innehåller många homologer till viktiga grödor. Det var den första växten som sekvenserades , har en mängd onlineresurser tillgängliga och kan förvandlas genom att helt enkelt doppa en blomma i en transformerad Agrobacterium- lösning.

I forskning är växter konstruerade för att hjälpa till att upptäcka funktionerna hos vissa gener. Det enklaste sättet att göra detta är att ta bort genen och se vilken fenotyp som utvecklas jämfört med vildtypsformen . Eventuella skillnader är möjligen resultatet av den saknade genen. Till skillnad från mutagenis tillåter genteknik riktat avlägsnande utan att störa andra gener i organismen. Vissa gener uttrycks endast i vissa vävnader, så reportergener, som GUS , kan fästas till genen av intresse vilket möjliggör visualisering av platsen. Andra sätt att testa en gen är att ändra den något och sedan återföra den till växten och se om den fortfarande har samma effekt på fenotypen. Andra strategier inkluderar att fästa genen till en stark promotor och se vad som händer när den överuttrycks, vilket tvingar en gen att uttryckas på en annan plats eller i olika utvecklingsstadier .

Suntory "blå" ros

Vissa genetiskt modifierade växter är rent prydnadsväxter . De är modifierade för blomfärg, doft, blomform och växtarkitektur. De första genetiskt modifierade prydnadsväxterna kommersialiserade förändrad färg. Nejlikor släpptes 1997, med den mest populära genetiskt modifierade organismen, en blå ros (egentligen lavendel eller lila ) skapad 2004. Rosorna säljs i Japan, USA och Kanada. Andra genetiskt modifierade prydnadsväxter inkluderar krysantemum och petunia . Förutom att öka det estetiska värdet finns det planer på att utveckla prydnadsväxter som använder mindre vatten eller är resistenta mot kyla, vilket skulle göra det möjligt för dem att odlas utanför sin naturliga miljö.

Det har föreslagits att genetiskt modifiera vissa växtarter som hotas av utrotning för att vara resistenta mot invasiva växter och sjukdomar, såsom smaragdaska i Nordamerika och svampsjukdomen Ceratocystis platani i europeiska plataner . Papaya -ringfläcksviruset ödelade papayaträden på Hawaii på 1900-talet tills transgena papayaväxter fick patogenhärledd resistens. Men genetisk modifiering för bevarande i växter är fortfarande huvudsakligen spekulativ. En unik oro är att en transgen art kanske inte längre liknar den ursprungliga arten för att verkligen hävda att den ursprungliga arten bevaras. Istället kan den transgena arten vara tillräckligt genetiskt annorlunda för att betraktas som en ny art, vilket minskar bevarandevärdet av genetisk modifiering.

Gröda

Vildtypsjordnöt ( överst ) och transgen jordnöt med Bacillus thuringiensis -genen tillagd ( botten ) exponerad för majsstjälkborarlarv .

Genmodifierade grödor är genetiskt modifierade växter som används inom jordbruket . De första grödorna som utvecklades användes för djur- eller människoföda och ger resistens mot vissa skadedjur, sjukdomar, miljöförhållanden, förstörelse eller kemiska behandlingar (t.ex. resistens mot en herbicid ). Den andra generationens grödor syftade till att förbättra kvaliteten, ofta genom att förändra näringsprofilen . Tredje generationens genetiskt modifierade grödor skulle kunna användas för icke-livsmedelsändamål, inklusive produktion av farmaceutiska medel , biobränslen och andra industriellt användbara varor, såväl som för biosanering .

Kenyaner undersöker insektsresistent transgen Bacillus thuringiensis (Bt) majs

Det finns tre huvudsakliga mål för jordbrukets framsteg; ökad produktion, förbättrade villkor för lantarbetare och hållbarhet . GM-grödor bidrar genom att förbättra skördarna genom att minska insektstrycket, öka näringsvärdet och tolerera olika abiotiska påfrestningar . Trots denna potential, från och med 2018, är de kommersialiserade grödorna mestadels begränsade till kontantgrödor som bomull, sojabönor, majs och raps och den stora majoriteten av de introducerade egenskaperna ger antingen herbicidtolerans eller insektsresistens. Sojabönor stod för hälften av alla genetiskt modifierade grödor som planterades 2014. Adoptionen av lantbrukare har gått snabbt, mellan 1996 och 2013 ökade den totala ytan på marken som odlades med GM-grödor med en faktor 100. Geografiskt även om spridningen har varit ojämn, med stark tillväxt i Amerika och delar av Asien och lite i Europa och Afrika. Dess socioekonomiska spridning har varit jämnare, med cirka 54 % av världens GM-grödor odlade i utvecklingsländer 2013. Även om tvivel har väckts, har de flesta studier visat att odling av GM-grödor är fördelaktigt för jordbrukare genom minskad användning av bekämpningsmedel samt ökad skörd avkastning och jordbruksvinst.

Majoriteten av GM-grödor har modifierats för att vara resistenta mot utvalda herbicider, vanligtvis glyfosat- eller glufosinatbaserade . Genetiskt modifierade grödor konstruerade för att motstå herbicider är nu mer tillgängliga än konventionellt odlade resistenta sorter; i USA är 93 % av sojabönorna och det mesta av den genetiskt modifierade majs som odlas glyfosat-tolerant. De flesta tillgängliga gener som används för att skapa insektsresistens kommer från Bacillus thuringiensis och kodar för deltaendotoxiner . Ett fåtal använder generna som kodar för vegetativa insekticida proteiner. Den enda gen som kommersiellt används för att tillhandahålla insektsskydd som inte härstammar från B. thuringiensis är Cowpea trypsin-inhibitor (CpTI). CpTI godkändes först för användning av bomull 1999 och genomgår för närvarande försök med ris. Mindre än en procent av GM-grödor innehöll andra egenskaper, som inkluderar att ge virusresistens, fördröja åldrande och förändra växtsammansättningen.

Gyllene ris jämfört med vitt ris

Gyllene ris är den mest kända GM-grödan som syftar till att öka näringsvärdet. Det har konstruerats med tre gener som biosyntetiserar betakaroten , en föregångare till vitamin A , i de ätbara delarna av ris. Det är avsett att producera ett berikat livsmedel som ska odlas och konsumeras i områden med brist på vitamin A i kosten, en brist som varje år beräknas döda 670 000 barn under 5 år och orsaka ytterligare 500 000 fall av irreversibel barnblindhet. Det ursprungliga gyllene riset producerade 1,6 μg/g av karotenoiderna, med ytterligare utveckling som ökade detta 23 gånger. Det fick sina första godkännanden för användning som livsmedel 2018.

Växter och växtceller har genmanipulerats för produktion av bioläkemedel i bioreaktorer , en process som kallas pharming . Det har arbetats med andmat Lemna minor , algen Chlamydomonas reinhardtii och mossan Physcomitrella patens . Bioläkemedel som produceras inkluderar cytokiner , hormoner , antikroppar , enzymer och vacciner, varav de flesta ackumuleras i växtfrön. Många läkemedel innehåller också naturliga växtingredienser och de vägar som leder till deras produktion har förändrats genetiskt eller överförts till andra växtarter för att producera större volym. Andra alternativ för bioreaktorer är biopolymerer och biobränslen . Till skillnad från bakterier kan växter modifiera proteinerna post-translationellt , vilket gör att de kan göra mer komplexa molekyler. De utgör också mindre risk att bli kontaminerade. Terapeutika har odlats i transgena morots- och tobaksceller, inklusive en läkemedelsbehandling för Gauchers sjukdom .

Vaccinproduktion och lagring har stor potential i transgena växter. Vacciner är dyra att tillverka, transportera och administrera, så att ha ett system som kan producera dem lokalt skulle ge större tillgång till fattigare och utvecklande områden. Förutom att rena vacciner uttryckta i växter är det också möjligt att producera ätbara vacciner i växter. Ätbara vacciner stimulerar immunförsvaret vid intag för att skydda mot vissa sjukdomar. Att lagras i växter minskar den långsiktiga kostnaden eftersom de kan spridas utan behov av kylförvaring, inte behöver renas och har långtidsstabilitet. Att vara inrymt i växtceller ger ett visst skydd mot tarmsyrorna vid matsmältningen. Kostnaden för att utveckla, reglera och innehålla transgena växter är dock hög, vilket leder till att den mest aktuella växtbaserade vaccinutvecklingen tillämpas på veterinärmedicin , där kontrollerna inte är lika strikta.

Genetiskt modifierade grödor har föreslagits som ett av sätten att minska jordbruksrelaterade CO ₂ -utsläpp på grund av högre avkastning, minskad användning av bekämpningsmedel, minskad användning av traktorbränsle och ingen jordbearbetning. Enligt en studie från 2021 skulle en utbredd användning av GE-grödor enbart i EU minska utsläppen av växthusgaser med 33 miljoner ton CO ₂ -ekvivalenter eller 7,5 % av de totala jordbruksrelaterade utsläppen.

Djur

De allra flesta genetiskt modifierade djur befinner sig på forskningsstadiet och antalet nära att komma in på marknaden är fortfarande litet. Från och med 2018 har endast tre genetiskt modifierade djur godkänts, alla i USA. En get och en kyckling har konstruerats för att producera mediciner och en lax har ökat sin egen tillväxt. Trots skillnaderna och svårigheterna med att modifiera dem är slutmålen ungefär desamma som för växter. GM-djur skapas för forskningsändamål, produktion av industriella eller terapeutiska produkter, jordbruksändamål eller för att förbättra deras hälsa. Det finns också en marknad för att skapa genetiskt modifierade husdjur.

Däggdjur

Vissa chimärer , som den fläckiga musen som visas, skapas genom genetiska modifieringstekniker som geninriktning .

Processen att genmanipulera däggdjur är långsam, tråkig och dyr. Ny teknik gör dock genetiska modifieringar enklare och mer exakt. De första transgena däggdjuren producerades genom att injicera viralt DNA i embryon och sedan implantera embryona i honor. Embryot skulle utvecklas och man skulle hoppas att en del av det genetiska materialet skulle införlivas i reproduktionscellerna. Då skulle forskarna få vänta tills djuret nått avelsåldern och sedan skulle avkomman screenas för närvaron av genen i varje cell. Utvecklingen av CRISPR -Cas9-genredigeringssystemet som ett billigt och snabbt sätt att direkt modifiera könsceller , vilket effektivt halverar den tid som behövs för att utveckla genetiskt modifierade däggdjur.

En grismodell av hemofili A .

Däggdjur är de bästa modellerna för mänskliga sjukdomar, vilket gör genetiskt modifierade sådana avgörande för upptäckten och utvecklingen av botemedel och behandlingar för många allvarliga sjukdomar. Att slå ut gener som är ansvariga för mänskliga genetiska störningar gör det möjligt för forskare att studera mekanismen för sjukdomen och att testa möjliga botemedel. Genetiskt modifierade möss har varit de vanligaste däggdjuren som använts i biomedicinsk forskning , eftersom de är billiga och lätta att manipulera. Grisar är också ett bra mål eftersom de har liknande kroppsstorlek och anatomiska egenskaper, fysiologi , patofysiologisk respons och diet. Icke-mänskliga primater är de mest lika modellorganismer som människor, men det finns mindre allmän acceptans för att använda dem som forskningsdjur. År 2009 meddelade forskare att de framgångsrikt hade överfört en gen till en primatart (silkesapa) för första gången. Deras första forskningsmål för dessa silkesapa var Parkinsons sjukdom , men de övervägde också amyotrofisk lateralskleros och Huntingtons sjukdom .

Mänskliga proteiner som uttrycks i däggdjur är mer benägna att likna deras naturliga motsvarigheter än de som uttrycks i växter eller mikroorganismer. Stabilt uttryck har åstadkommits hos får, grisar, råttor och andra djur. godkändes det första biologiska läkemedlet för människor som producerats från ett sådant djur, en get . Läkemedlet, ATryn , är ett antikoagulant som minskar sannolikheten för blodproppar under operation eller förlossning och utvinns ur getmjölken. Humant alfa-1-antitrypsin är ett annat protein som har producerats från getter och används för att behandla människor med denna brist. Ett annat medicinskt område är att skapa grisar med större kapacitet för mänskliga organtransplantationer ( xenotransplantation ) . Grisar har modifierats genetiskt så att deras organ inte längre kan bära retrovirus eller har modifieringar för att minska risken för avstötning. Grislungor från genetiskt modifierade grisar övervägs för transplantation till människor. Det finns till och med potential att skapa chimära grisar som kan bära mänskliga organ.

Boskap modifieras med avsikt att förbättra ekonomiskt viktiga egenskaper som tillväxthastighet, köttkvalitet, mjölksammansättning, sjukdomsresistens och överlevnad. Djur har konstruerats för att växa snabbare, vara friskare och motstå sjukdomar. Modifieringar har också förbättrat ullproduktionen hos får och juverhälsan hos kor. Getter har genmanipulerats för att producera mjölk med starka spindelnätsliknande sidenproteiner i sin mjölk. En GM-gris som heter Enviropig skapades med förmågan att smälta växtfosfor mer effektivt än konventionella grisar. De kan minska vattenföroreningarna eftersom de utsöndrar 30 till 70 % mindre fosfor i gödsel. Mjölkkor har genmanipulerats för att producera mjölk som skulle vara samma som bröstmjölk från människa. Detta kan potentiellt gynna mödrar som inte kan producera bröstmjölk men vill att deras barn ska få bröstmjölk istället för modersmjölksersättning. Forskare har också utvecklat en genetiskt modifierad ko som producerar allergifri mjölk.

Möss som uttrycker det gröna fluorescerande proteinet

Forskare har genetiskt modifierat flera organismer, inklusive vissa däggdjur, för att inkludera grönt fluorescerande protein (GFP), för forskningsändamål. GFP och andra liknande rapporteringsgener möjliggör enkel visualisering och lokalisering av produkterna från den genetiska modifieringen. Fluorescerande grisar har fötts upp för att studera mänskliga organtransplantationer, regenererande okulära fotoreceptorceller och andra ämnen. Under 2011 skapades grönfluorescerande katter för att hjälpa till att hitta terapier för HIV/AIDS och andra sjukdomar eftersom kattimmunbristvirus är relaterat till HIV .

Det har förekommit förslag om att genteknik skulle kunna användas för att föra tillbaka djur från utrotning . Det handlar om att förändra arvsmassan hos en nära levande släkting för att likna den utdöda och försöks för närvarande med passagerarduvan . Gener förknippade med den ulliga mammuten har lagts till genomet hos en afrikansk elefant , även om den ledande forskaren säger att han inte har för avsikt att skapa levande elefanter och att överföra alla gener och vända år av genetisk evolution är långt ifrån att vara genomförbart. Det är mer troligt att forskare skulle kunna använda denna teknik för att bevara hotade djur genom att ta tillbaka förlorad mångfald eller överföra utvecklade genetiska fördelar från anpassade organismer till de som kämpar.

Människor

Genterapi använder genetiskt modifierade virus för att leverera gener som kan bota sjukdomar hos människor. Även om genterapi fortfarande är relativt nytt, har den haft vissa framgångar. Det har använts för att behandla genetiska störningar som svår kombinerad immunbrist och Lebers medfödda amauros . Behandlingar utvecklas också för en rad andra för närvarande obotliga sjukdomar, såsom cystisk fibros , sicklecellanemi , Parkinsons sjukdom , cancer , diabetes , hjärtsjukdomar och muskeldystrofi . Dessa behandlingar påverkar endast somatiska celler , vilket innebär att eventuella förändringar inte skulle vara ärftliga. Germline- genterapi resulterar i att alla förändringar är ärftliga, vilket har väckt oro inom det vetenskapliga samfundet.

2015 användes CRISPR för att redigera DNA från icke-livsdugliga mänskliga embryon . I november 2018 He Jiankui att han hade redigerat genomen från två mänskliga embryon, i ett försök att inaktivera CCR5 -genen, som kodar för en receptor som HIV använder för att komma in i celler. Han sa att tvillingflickor, Lulu och Nana , hade fötts några veckor tidigare och att de bar på funktionella kopior av CCR5 tillsammans med funktionshindrade CCR5 ( mosaicism ) och fortfarande var sårbara för HIV. Arbetet fördömdes allmänt som oetiskt, farligt och för tidigt.

Fisk

bibehöll zebrafisken som modifierades för att uttrycka ett karpkreatinkinas ( höger ) simbeteende, medan vildtypszebrafisken ( vänster ) inte kunde det.

Genmodifierad fisk används för vetenskaplig forskning, som husdjur och som födokälla. Vattenbruk är en växande industri som för närvarande tillhandahåller över hälften av den konsumerade fisken i världen. Genom genteknik är det möjligt att öka tillväxthastigheten, minska födointaget, ta bort allergiframkallande egenskaper, öka kyltoleransen och ge sjukdomsresistens. Fisk kan också användas för att upptäcka vattenföroreningar eller fungera som bioreaktorer.

Flera grupper har utvecklat zebrafisk för att upptäcka föroreningar genom att fästa fluorescerande proteiner till gener som aktiveras av närvaron av föroreningar. Fisken kommer då att glöda och kan användas som miljösensorer. GloFish är ett märke av genetiskt modifierade fluorescerande zebrafiskar med klarröd, grön och orange fluorescerande färg . Det utvecklades ursprungligen av en av grupperna för att upptäcka föroreningar, men är nu en del av handeln med prydnadsfisk, och blev det första genetiskt modifierade djuret som blev allmänt tillgängligt som husdjur när det 2003 introducerades för försäljning i USA.

GM-fisk används i stor utsträckning i grundforskning inom genetik och utveckling. Två arter av fisk, zebrafisk och medaka , modifieras oftast eftersom de har optiskt klara korioner (membran i ägget), utvecklas snabbt och encelliga embryot är lätt att se och mikroinjicera med transgent DNA. Zebrafisk är modellorganismer för utvecklingsprocesser, regenerering , genetik, beteende, sjukdomsmekanismer och toxicitetstester. Deras transparens gör det möjligt för forskare att observera utvecklingsstadier, tarmfunktioner och tumörtillväxt. Genereringen av transgena protokoll (hel organism, cell- eller vävnadsspecifik, märkta med reportergener) har ökat informationsnivån som erhållits genom att studera dessa fiskar.

GM-fisk har utvecklats med promotorer som driver en överproduktion av tillväxthormon för användning inom vattenbruksindustrin för att öka utvecklingshastigheten och potentiellt minska fisketrycket på vilda bestånd. Detta har resulterat i dramatisk tillväxtförbättring hos flera arter, inklusive lax , öring och tilapia . AquaBounty Technologies , ett bioteknikföretag, har producerat en lax (kallad AquAdvantage lax ) som kan mogna på halva tiden som vild lax. Det erhöll myndighetsgodkännande 2015, det första icke-växtbaserade GMO-livsmedel som kommersialiseras. Från och med augusti 2017 säljs GMO-lax i Kanada. Försäljningen i USA startade i maj 2021.

Insekter

Överuttryck av metyl-CpG-bindande protein 2 i Drosophila försämrar klättringsförmågan ( höger ) jämfört med kontrollgruppen ( vänster ).

är transgena fruktflugor ( Drosophila melanogaster ) modellorganismer som används för att studera effekterna av genetiska förändringar på utvecklingen. Fruktflugor föredras ofta framför andra djur på grund av deras korta livscykel och låga underhållskrav. De har också ett relativt enkelt genom jämfört med många ryggradsdjur , med vanligtvis bara en kopia av varje gen, vilket gör fenotypisk analys enkel. Drosophila har använts för att studera genetik och arv, embryonal utveckling, inlärning, beteende och åldrande. Upptäckten av transposoner , i synnerhet p-elementet , i Drosophila gav en tidig metod att lägga till transgener till deras genom, även om detta har tagits över av mer moderna genredigeringstekniker.

På grund av deras betydelse för människors hälsa, tittar forskare på sätt att bekämpa myggor genom genteknik. Malariaresistenta myggor har utvecklats i laboratoriet genom att infoga en gen som minskar utvecklingen av malariaparasiten och sedan använda homing-endonukleaser för att snabbt sprida den genen genom den manliga befolkningen (känd som en gendrivning ). Detta tillvägagångssätt har tagits vidare genom att använda gendriften för att sprida en dödlig gen. I försök minskade populationen av Aedes aegypti -myggor, den enskilt viktigaste bäraren av denguefeber och zikavirus, med mellan 80 % och med 90 %. Ett annat tillvägagångssätt är att använda en steril insektsteknik , varvid hanar som är genetiskt modifierade för att vara sterila ut tävlar livskraftiga hanar, för att minska populationssiffrorna.

Andra skadeinsekter som gör attraktiva mål är nattfjärilar . Diamantfjärilar orsakar skador på 4 till 5 miljarder USD varje år över hela världen. Tillvägagångssättet liknar den sterila tekniken som testas på myggor, där hanar transformeras med en gen som hindrar honor som föds från att nå mognad. De genomgick fältförsök 2017. Genmodifierade nattfjärilar har tidigare satts ut i fältförsök. I det här fallet var en stam av rosa bollmask som steriliserades med strålning genetiskt modifierad för att uttrycka ett rött fluorescerande protein vilket gjorde det lättare för forskare att övervaka dem.

Silkesmask, larvstadiet av Bombyx mori , är en ekonomiskt viktig insekt i serikultur . Forskare utvecklar strategier för att förbättra sidens kvalitet och kvantitet. Det finns också potential att använda silkestillverkningsmaskineriet för att göra andra värdefulla proteiner. Proteiner som för närvarande utvecklas för att uttryckas av silkesmaskar inkluderar; humant serumalbumin , humant kollagen a-kedja , mus monoklonal antikropp och N-glykanas . Silkesmaskar har skapats som producerar spindelsilke , ett starkare men extremt svårt att skörda silke, och till och med nya silke.

Övrig

Groda som uttrycker grönt fluorescerande protein

System har utvecklats för att skapa transgena organismer i en mängd olika andra djur. Kycklingar har modifierats genetiskt för en mängd olika ändamål. Detta inkluderar att studera embryonutveckling , förhindra överföring av fågelinfluensa och ge evolutionära insikter med omvänd ingenjörskonst för att återskapa dinosaurieliknande fenotyper. En genetiskt modifierad kyckling som producerar läkemedlet Kanuma , ett enzym som behandlar ett sällsynt tillstånd, i sitt ägg godkände myndighetens godkännande i USA 2015. Genetiskt modifierade grodor, särskilt Xenopus laevis och Xenopus tropicalis , används i utvecklingsbiologisk forskning. GM-grodor kan också användas som föroreningssensorer, speciellt för hormonstörande kemikalier . Det finns förslag om att använda genteknik för att bekämpa käpppaddor i Australien .

Nematoden Caenorhabditis elegans är en av de viktigaste modellorganismerna för forskning om molekylärbiologi . RNA-interferens (RNAi) upptäcktes i C. elegans och kunde induceras genom att helt enkelt mata dem med bakterier som modifierats för att uttrycka dubbelsträngat RNA . Det är också relativt lätt att producera stabila transgena nematoder och detta tillsammans med RNAi är de viktigaste verktygen som används för att studera deras gener. Den vanligaste användningen av transgena nematoder har studerat genuttryck och lokalisering genom att fästa reportergener. Transgener kan också kombineras med RNAi-tekniker för att rädda fenotyper, studera genfunktion, bildcellsutveckling i realtid eller kontrollera uttryck för olika vävnader eller utvecklingsstadier. Transgena nematoder har använts för att studera virus, toxikologi, sjukdomar och för att upptäcka miljöföroreningar.

Transgen Hydra som uttrycker grönt fluorescerande protein

Genen som är ansvarig för albinism i havsgurkor har hittats och använts för att konstruera vita havsgurkor, en sällsynt delikatess. Tekniken öppnar också vägen för att undersöka generna som är ansvariga för några av gurkornas mer ovanliga egenskaper, inklusive viloläge på sommaren, urtagning av tarmarna och upplösning av deras kroppar vid döden. Plattmaskar har förmågan att regenerera sig själva från en enda cell. Fram till 2017 fanns det inget effektivt sätt att omvandla dem, vilket hämmade forskningen. Genom att använda mikroinjektion och strålning har forskare nu skapat de första genetiskt modifierade plattmaskarna. Borstmasken , ett marint annlock , har modifierats. Det är av intresse på grund av att dess reproduktionscykel är synkroniserad med månens faser, regenereringskapacitet och långsam evolution. Cnidaria som Hydra och havsanemonen Nematostella vectensis är attraktiva modellorganismer för att studera utvecklingen av immunitet och vissa utvecklingsprocesser. Andra djur som har blivit genetiskt modifierade inkluderar sniglar , geckos , sköldpaddor , kräftor , ostron , räkor , musslor , abalone och svampar .

förordning

Genetiskt modifierade organismer regleras av statliga myndigheter. Det gäller såväl forskning som frisättning av genetiskt modifierade organismer, inklusive grödor och livsmedel. Utvecklingen av ett regelverk för genteknik började 1975 i Asilomar , Kalifornien. Asilomar -mötet rekommenderade en uppsättning riktlinjer för försiktig användning av rekombinant teknologi och alla produkter som härrör från den tekniken. Cartagenaprotokollet om biosäkerhet antogs den 29 januari 2000 och trädde i kraft den 11 september 2003. Det är ett internationellt fördrag som reglerar överföring, hantering och användning av genetiskt modifierade organismer. Etthundrafemtiosju länder är medlemmar i protokollet och många använder det som referenspunkt för sina egna regler.

Universitet och forskningsinstitut har i allmänhet en särskild kommitté som ansvarar för att godkänna eventuella experiment som involverar genteknik. Många experiment kräver också tillstånd från en nationell tillsynsgrupp eller lagstiftning. All personal måste utbildas i användningen av GMO och alla laboratorier måste få godkännande från sin tillsynsmyndighet för att arbeta med GMO. Lagstiftningen som täcker GMO härrör ofta från föreskrifter och riktlinjer för den icke-GMO-versionen av organismen, även om de är strängare. Det finns ett nästan universellt system för att bedöma de relativa riskerna förknippade med GMO och andra agenser för laboratoriepersonal och samhället. De tilldelas en av fyra riskkategorier baserat på deras virulens, sjukdomens svårighetsgrad, överföringssätt och tillgången på förebyggande åtgärder eller behandlingar. Det finns fyra biosäkerhetsnivåer som ett laboratorium kan hamna i, allt från nivå 1 (som är lämplig för att arbeta med medel som inte är associerade med sjukdomar) till nivå 4 (att arbeta med livshotande medel). Olika länder använder olika nomenklatur för att beskriva nivåerna och kan ha olika krav på vad som kan göras på varje nivå.

En etikett som markerar detta jordnötssmör som icke-GMO

Detalj av en fransk ostlåda som förklarar "GMO-fri" produktion (dvs. under 0,9 %)

Det finns skillnader i regleringen för utsättning av GMO mellan länder, med några av de mest markanta skillnaderna mellan USA och Europa. Regleringen varierar i ett givet land beroende på den avsedda användningen av produkterna från gentekniken. Till exempel granskas en gröda som inte är avsedd för livsmedel i allmänhet inte av myndigheter med ansvar för livsmedelssäkerhet. Vissa nationer har förbjudit utsättningen av genetiskt modifierade organismer eller begränsat deras användning, och andra tillåter dem med vitt skilda grader av reglering. Under 2016 förbjuder eller förbjuder trettioåtta länder officiellt odling av GMO och nio (Algeriet, Bhutan, Kenya, Kirgizistan, Madagaskar, Peru, Ryssland, Venezuela och Zimbabwe) förbjuder import av dem. De flesta länder som inte tillåter GMO-odling tillåter forskning med GMO. Trots reglering har illegala utsläpp ibland förekommit på grund av svag tillämpning.

Europeiska unionen (EU) skiljer på godkännande för odling inom EU och godkännande för import och bearbetning. Medan endast ett fåtal GMO har godkänts för odling i EU har ett antal GMO godkänts för import och bearbetning. Odlingen av GMO har utlöst en debatt om marknaden för GMO i Europa. Beroende på samexistensreglerna skiljer sig incitamenten för odling av GM-grödor. USA:s policy fokuserar inte på processen lika mycket som andra länder, tittar på verifierbara vetenskapliga risker och använder begreppet väsentlig likvärdighet . Huruvida genredigerade organismer bör regleras på samma sätt som genetiskt modifierade organismer diskuteras. USA:s regler ser dem som separata och reglerar dem inte under samma förhållanden, medan en GMO i Europa är vilken organism som helst som skapats med hjälp av genteknik.

En av nyckelfrågorna för tillsynsmyndigheter är huruvida GM-produkter ska märkas. EU -kommissionen säger att obligatorisk märkning och spårbarhet behövs för att möjliggöra medvetna val, undvika potentiell falsk reklam och underlätta tillbakadragandet av produkter om negativa effekter på hälsa eller miljö upptäcks. American Medical Association och American Association for the Advancement of Science säger att frånvarande vetenskapliga bevis på skada även frivillig märkning är vilseledande och kommer att felaktigt alarmera konsumenterna. Märkning av GMO-produkter på marknaden krävs i 64 länder. Märkning kan vara obligatorisk upp till en tröskelnivå för GM-innehåll (som varierar mellan länder) eller frivillig. I Kanada och USA är märkning av genetiskt modifierade livsmedel frivillig, medan i Europa måste alla livsmedel (inklusive bearbetade livsmedel ) eller foder som innehåller mer än 0,9 % av godkända genetiskt modifierade organismer märkas. Under 2014 ökade försäljningen av produkter som hade märkts som icke-GMO med 30 procent till 1,1 miljarder dollar.

Kontrovers

Det finns kontroverser kring GMO, särskilt när det gäller deras utsättning utanför laboratoriemiljöer. Tvisten involverar konsumenter, producenter, bioteknikföretag, statliga tillsynsmyndigheter, icke-statliga organisationer och vetenskapsmän. Många av dessa problem involverar genetiskt modifierade grödor och huruvida mat som produceras av dem är säker och vilken inverkan odling av dem kommer att ha på miljön. Dessa kontroverser har lett till rättstvister, internationella handelstvister och protester och till restriktiv reglering av kommersiella produkter i vissa länder. De flesta farhågor handlar om hälso- och miljöeffekterna av GMO. Dessa inkluderar huruvida de kan framkalla en allergisk reaktion , om transgenerna kan överföras till mänskliga celler och om gener som inte är godkända för mänsklig konsumtion kan passera över i livsmedelsförsörjningen .

En demonstrant som förespråkar märkning av GMO

Det finns en vetenskaplig konsensus om att för närvarande tillgänglig mat som härrör från GM-grödor inte utgör någon större risk för människors hälsa än konventionella livsmedel, men att varje GM-livsmedel måste testas från fall till fall innan introduktion. Ändå är allmänheten mycket mindre benägna än forskare att uppfatta genetiskt modifierade livsmedel som säkra. Den lagliga och reglerande statusen för GM-mat varierar från land till land, med vissa länder som förbjuder eller begränsar dem, och andra tillåter dem med vitt skilda grader av reglering.

Så sent som på 1990-talet ansågs genflödet till vilda populationer vara osannolikt och sällsynt, och om det skulle inträffa, lätt utrotas. Man trodde att detta inte skulle tillföra några ytterligare miljökostnader eller risker – inga andra effekter förväntades än de som redan orsakats av applicering av bekämpningsmedel. Men under decennierna sedan dess har flera sådana exempel observerats. Genflödet mellan genetiskt modifierade grödor och kompatibla växter, tillsammans med ökad användning av brett spektrum ogräsmedel , kan öka risken för ogräspopulationer som är resistenta mot herbicider . Debatten om omfattningen och konsekvenserna av genflöde intensifierades 2001 när en artikel publicerades som visade att transgener hade hittats i lantrasmajs i Mexiko, grödans centrum för mångfald . Genflödet från GM-grödor till andra organismer har i allmänhet visat sig vara lägre än vad som skulle förekomma naturligt. För att lösa några av dessa problem har vissa GMO utvecklats med egenskaper för att hjälpa till att kontrollera spridningen. För att förhindra att den genetiskt modifierade laxen oavsiktligt häckar med vild lax, är all fisk som föds upp för föda honor, triploida , 99% är reproduktivt sterila och uppfödda i områden där rymd lax inte kunde överleva. Bakterier har också modifierats för att vara beroende av näringsämnen som inte kan hittas i naturen, och teknik för genetisk användning har utvecklats, men ännu inte marknadsförd, som gör att den andra generationen av GM-växter är sterila.

Andra miljömässiga och agronomiska problem inkluderar en minskning av biologisk mångfald, en ökning av sekundära skadedjur (icke-målinriktade skadedjur) och utveckling av resistenta skadeinsekter. I områdena i Kina och USA med Bt-grödor har den övergripande biologiska mångfalden av insekter ökat och effekten av sekundära skadedjur har varit minimal. Resistens visade sig vara långsam att utvecklas när bästa praxis-strategier följdes. Effekten av Bt-grödor på nyttiga icke-målorganismer blev en offentlig fråga efter att en tidning från 1999 föreslog att de kunde vara giftiga för monarkfjärilar . Uppföljningsstudier har sedan dess visat att toxicitetsnivåerna på fältet inte var tillräckligt höga för att skada larverna.

Anklagelser om att forskare " leker Gud " och andra religiösa frågor har tillskrivits tekniken från början. Med möjligheten att genmanipulera människor nu möjligt finns det etiska farhågor över hur långt denna teknik ska gå, eller om den ska användas överhuvudtaget. Mycket debatt kretsar kring var gränsen mellan behandling och förbättring går och huruvida modifikationerna ska vara ärftliga. Andra orosmoment inkluderar kontaminering av den icke genetiskt modifierade livsmedelsförsörjningen, rigoriteten i regleringsprocessen, konsolidering av kontrollen av livsmedelsförsörjningen i företag som tillverkar och säljer genetiskt modifierade organismer, överdrift av fördelarna med genetisk modifiering eller oro över användningen av herbicider med glyfosat . Andra frågor som tagits upp är patentering av liv och användning av immateriella rättigheter .

Det finns stora skillnader i konsumenternas acceptans av GMO, med européer mer benägna att se GM-mat negativt än nordamerikaner. GMO anlände till scenen eftersom allmänhetens förtroende för livsmedelssäkerhet, som tillskrivs nyligen skrämmande livsmedel såsom bovin spongiform encefalopati och andra skandaler som involverar statlig reglering av produkter i Europa, var lågt. Detta tillsammans med kampanjer som drivs av olika icke-statliga organisationer ( NGO) har varit mycket framgångsrika i att blockera eller begränsa användningen av GM-grödor. Icke-statliga organisationer som Organic Consumers Association , Union of Concerned Scientists, Greenpeace och andra grupper har sagt att risker inte har identifierats och hanterats på ett adekvat sätt och att det finns obesvarade frågor om den potentiella långsiktiga påverkan på människors hälsa från livsmedel som härrör från GMO. De föreslår obligatorisk märkning eller ett moratorium för sådana produkter.

externa länkar