Risker med syntetisk biologi

Farorna med syntetisk biologi inkluderar biosäkerhetsrisker för arbetare och allmänheten, biosäkerhetsrisker som härrör från avsiktlig konstruktion av organismer för att orsaka skada och faror för miljön. Biosäkerhetsriskerna liknar de för befintliga bioteknikområden, främst exponering för patogener och giftiga kemikalier; dock kan nya syntetiska organismer ha nya risker. För biosäkerhet finns det oro för att syntetiska eller omdesignade organismer teoretiskt sett skulle kunna användas för bioterrorism . Potentiella biosäkerhetsrisker inkluderar att återskapa kända patogener från grunden, att konstruera befintliga patogener för att vara farligare och att konstruera mikrober för att producera skadliga biokemikalier. Slutligen inkluderar miljörisker negativa effekter på biologisk mångfald och ekosystemtjänster , inklusive potentiella förändringar av markanvändningen till följd av jordbrukets användning av syntetiska organismer.

I allmänhet gäller befintliga farokontroller , riskbedömningsmetoder och bestämmelser som utvecklats för traditionella genetiskt modifierade organismer ( GMO) även för syntetiska organismer. "Extrinsiska" bioinneslutningsmetoder som används i laboratorier inkluderar biosäkerhetsskåp och handskfack , såväl som personlig skyddsutrustning . Inom jordbruket inkluderar de isoleringsavstånd och pollenbarriärer , liknande metoder för bioinneslutning av GMO . Syntetiska organismer kan potentiellt erbjuda ökad riskkontroll eftersom de kan konstrueras med "inneboende" bioinneslutningsmetoder som begränsar deras tillväxt i en fristående miljö, eller förhindrar horisontell genöverföring till naturliga organismer. Exempel på inneboende bioinneslutning inkluderar auxotrofi , biologiska avdödningsbrytare , oförmåga hos organismen att replikera eller överföra syntetiska gener till avkomma, och användningen av xenobiologiska organismer som använder alternativ biokemi, till exempel genom att använda artificiella xenonukleinsyror (XNA) istället för DNA.

Befintliga riskanalyssystem för genetiskt modifierade organismer är generellt tillämpliga på syntetiska organismer, även om det kan finnas svårigheter för en organism som byggs "nedifrån och upp" från individuella genetiska sekvenser. Syntetisk biologi faller i allmänhet under befintliga bestämmelser för GMO och bioteknik i allmänhet, såväl som alla bestämmelser som finns för kommersiella produkter i efterföljande led, även om det i allmänhet inte finns några bestämmelser i någon jurisdiktion som är specifika för syntetisk biologi.

Bakgrund

Syntetisk biologi är en utväxt av bioteknik som kännetecknas av användningen av biologiska vägar eller organismer som inte finns i naturen. Detta står i kontrast till "traditionella" genetiskt modifierade organismer skapade genom att överföra befintliga gener från en celltyp till en annan. Huvudmålen för syntetisk biologi inkluderar omdesign av gener, celler eller organismer för genterapi ; utveckling av minimala celler och artificiella protoceller ; och utveckling av organismer baserade på alternativ biokemi . Detta arbete har drivits av utvecklingen av genomsyntes och redigeringsverktyg , samt pooler av standardiserade syntetiska biologiska kretsar med definierade funktioner. Tillgängligheten av dessa verktyg har stimulerat expansionen av en gör-det-själv-biologirörelse .

Syntetisk biologi har potentiella kommersiella tillämpningar inom energi, jordbruk, medicin och tillverkning av kemikalier inklusive läkemedel. Biosyntetiska applikationer särskiljs ofta som antingen för "innesluten användning" inom laboratorier och tillverkningsanläggningar, eller för "avsiktlig frisättning" utanför laboratoriet för medicinska, veterinära, kosmetiska eller jordbrukstillämpningar. I takt med att syntetiska biologitillämpningar blir alltmer använda inom industrin, förväntas antalet och variationen av arbetare som utsätts för syntetisk biologirisk att öka.

Faror

Biosäkerhet

Mikrobiologiska laboratorier uppvisar flera kemiska , biologiska och fysiska faror som kan mildras med laboratoriesäkerhetsmetoder .

Biosäkerhetsrisker för arbetare från syntetisk biologi liknar de inom befintliga bioteknikområden, främst exponering för patogener och giftiga kemikalier som används i laboratorie- eller industriell miljö. Dessa inkluderar farliga kemikalier ; biologiska faror inklusive organismer, prioner och biologiskt härledda toxiner; fysiska faror såsom ergonomiska faror , strålnings- och bullerfaror ; och ytterligare risker för skador från autoklaver , centrifuger , komprimerad gas , kryogener och elektriska faror .

Nya protoceller eller xenobiologiska organismer, såväl som genredigering av högre djur, kan ha nya biosäkerhetsrisker som påverkar deras riskbedömning. Från och med 2018 är de flesta biosäkerhetsvägledningar för laboratorier baserade på att förhindra exponering för befintliga patogener snarare än nya. Lentivirala vektorer som härrör från HIV-1- viruset används i stor utsträckning i genterapi på grund av deras unika förmåga att infektera både delande och icke-delande celler, men oavsiktlig exponering av arbetare kan leda till cancer och andra sjukdomar. Vid oavsiktlig exponering antiretrovirala läkemedel användas som profylax efter exponering .

Med tanke på överlappningen mellan syntetisk biologi och gör-det-själv-biologirörelsen har det framförts farhågor om att dess utövare kanske inte följer riskbedömning och biosäkerhetspraxis som krävs av yrkesverksamma, även om det har föreslagits att det finns en informell etisk kod som erkänner hälsorisker och andra negativa resultat.

Biosäkerhet

Poliovirus var bland de första virusgenomen som syntetiserades från grunden och användes för att skapa virus som kan infektion. Detta har lett till oro för att det och andra smittsamma virus skulle kunna tillverkas för skadliga ändamål.

Framväxten av syntetisk biologi har också väckt oro för biosäkerheten att syntetiska eller omdesignade organismer skulle kunna konstrueras för bioterrorism . Detta anses möjligt men osannolikt med tanke på de resurser som behövs för att utföra denna typ av forskning. Syntetisk biologi skulle dock kunna utöka gruppen av människor med relevanta förmågor och minska den tid som behövs för att utveckla dem.

En rapport från National Academies of Sciences, Engineering and Medicine ( NASEM) från 2018 identifierade tre förmågor som störst oroande. Den första är återskapandet av kända patogener från grunden, till exempel genom att använda genomsyntes för att återskapa historiska virus som spanska sjukan eller poliovirus . Nuvarande teknologi tillåter genomsyntes för nästan alla däggdjursvirus, sekvenserna av kända humana virus är allmänt tillgängliga, och proceduren har relativt låg kostnad och kräver tillgång till grundläggande laboratorieutrustning. Emellertid skulle patogenerna ha kända egenskaper och skulle kunna mildras genom vanliga folkhälsoåtgärder och delvis kunna förhindras genom screening av kommersiellt producerade DNA-molekyler. Till skillnad från virus var det ännu inte möjligt att skapa befintliga bakterier eller helt nya patogener från grunden från och med 2018 och ansågs vara en låg risk.

En annan möjlighet till oro som nämns av NASEM är att konstruera befintliga patogener för att vara farligare. Detta inkluderar ändring av den riktade värden eller vävnaden , såväl som att förbättra patogenens replikation, virulens , transmissibilitet eller stabilitet; eller dess förmåga att producera toxiner, återaktivera från ett vilande tillstånd, undvika naturlig eller vaccininducerad immunitet eller undvika upptäckt. NASEM ansåg att manipulerade bakterier är en högre risk än virus eftersom de är lättare att manipulera och deras genom är mer stabila över tiden.

En sista orosmoment som nämns av NASEM är att konstruera mikrober för att producera skadliga biokemikalier. Metabolisk ingenjörskonst av mikroorganismer är ett väletablerat område som har inriktat sig på produktion av bränslen, kemikalier, livsmedelsingredienser och läkemedel, men det kan användas för att producera toxiner , antimetaboliter , kontrollerade ämnen , sprängämnen eller kemiska vapen . Detta ansågs vara en högre risk för naturligt förekommande ämnen än för konstgjorda.

Det finns också möjligheten för nya hot som ansågs vara lägre risker av NASEM på grund av deras tekniska utmaningar. Leverans av en konstruerad organism i den mänskliga mikrobiomet har utmaningarna med leverans och persistens i mikrobiomet, även om en attack skulle vara svår att upptäcka och mildra. Patogener konstruerade för att förändra det mänskliga immunsystemet genom att orsaka immunbrist , hyperreaktivitet eller autoimmunitet , eller för att direkt förändra det mänskliga genomet, ansågs också vara lägre risker på grund av extrema tekniska utmaningar.

Miljö

Miljöfaror inkluderar toxicitet för djur och växter, såväl som negativa effekter på biologisk mångfald och ekosystemtjänster . Till exempel kan ett toxin som tillverkats i en växt för att motstå specifika skadeinsekter också påverka andra ryggradslösa djur. Några mycket spekulativa faror inkluderar manipulerade organismer som blir invasiva och konkurrerar ut naturliga, och horisontell genöverföring från manipulerade till naturliga organismer. Gendrifter för att undertrycka sjukdomsvektorer kan oavsiktligt påverka målartens kondition och förändra ekosystembalansen.

Dessutom kan syntetisk biologi leda till förändringar i markanvändningen, till exempel att icke-livsmedelssyntetiska organismer tränger undan andra jordbruksändamål eller vild mark. Det kan också leda till att produkter produceras på icke-jordbruksvägar eller genom storskaligt kommersiellt jordbruk, vilket ekonomiskt skulle kunna konkurrera ut småskaliga jordbrukare. Slutligen finns det en risk att bevarandemetoder baserade på syntetisk biologi, såsom de-extinktion , kan minska stödet för traditionella bevarandeinsatser.

Farokontroller

Yttre

Biosäkerhetsskåp är designade för att innehålla bioaerosoler och är ett exempel på yttre inneslutning.

Extrinsic biocontainment omfattar fysisk inneslutning genom tekniska kontroller som biosäkerhetsskåp och handskfack , såväl som personlig skyddsutrustning inklusive handskar, rockar, klänningar, skoskydd, stövlar, andningsskydd, ansiktsskydd, skyddsglasögon och skyddsglasögon. Dessutom kan anläggningar som används för syntetisk biologi innefatta saneringsområden, specialiserade ventilations- och luftbehandlingssystem och separation av laboratoriearbetsområden från allmänhetens tillgång. Dessa procedurer är gemensamma för alla mikrobiologiska laboratorier.

Inom jordbruket inkluderar extrinsiska bioinneslutningsmetoder att upprätthålla isoleringsavstånd och fysiska pollenbarriärer för att förhindra modifierade organismer från att befrukta vildtypsväxter, samt att så modifierat och vildtypsfrö vid olika tidpunkter så att deras blomningsperioder inte överlappar varandra.

Inneboende

Auxotrofi är en inneboende bioinneslutningsmetod där en organism inte kan syntetisera en viss förening som krävs för dess tillväxt. Detta är avsett att minska risken att den kan överleva efter ett oavsiktligt utsläpp eller exponeringshändelse.

Syntetiska organismer som använder xenonukleinsyror (exempel, vänster) istället för DNA (höger) har föreslagits som en inneboende bioinneslutningsstrategi för att förhindra kontaminering av naturliga organismer genom horisontell genöverföring .

Intrinsic biocontainment är den proaktiva designen av funktioner eller brister i organismer och system för att minska deras faror. Det är unikt för konstruerade organismer som GMO och syntetiska organismer, och är ett exempel på riskersättning och förebyggande genom design . Inneboende bioinneslutning kan ha många mål, inklusive att kontrollera tillväxten i laboratoriet eller efter en oavsiktlig frisättning, förhindra horisontell genöverföring till naturliga celler, förhindra användning för bioterrorism eller skydda den intellektuella egendomen hos organismens designers. Det har funnits oro för att befintliga genetiska skyddsåtgärder inte är tillräckligt tillförlitliga på grund av organismens förmåga att förlora dem genom mutation. De kan dock vara användbara i kombination med andra farokontroller och kan ge förbättrat skydd mot GMO.

Många tillvägagångssätt faller under paraplyet av inneboende bioinneslutning. Auxotrofi är oförmågan hos en organism att syntetisera en viss förening som krävs för dess tillväxt, vilket innebär att organismen inte kan överleva om inte föreningen tillhandahålls till den. En kill switch är en väg som initierar celldöd som utlöses av en signal från människor. Oförmåga hos organismerna att replikera är en annan sådan metod.

Metoder som är specifika för växter inkluderar cytoplasmatisk manlig sterilitet , där livsdugligt pollen inte kan produceras; och transplastomiska växter där modifieringar endast görs av kloroplast-DNA , som inte är inkorporerat i pollen.

Metoder specifika för virala vektorer inkluderar uppdelning av nyckelkomponenter mellan multipla plasmider, utelämnande av accessoriska proteiner relaterade till vildtypsvirusets funktion som en patogen men inte som en vektor, och användningen av självinaktiverande vektorer.

Det har spekulerats i att xenobiology , användningen av alternativ biokemi som skiljer sig från naturligt DNA och proteiner, kan möjliggöra nya inneboende bioinneslutningsmetoder som inte är möjliga med traditionella GMO. Detta skulle involvera ingenjörsorganismer som använder artificiella xenonukleinsyror (XNA) istället för DNA och RNA, eller som har en förändrad eller utökad genetisk kod . Dessa skulle teoretiskt sett vara oförmögna till horisontell genöverföring till naturliga celler. Det finns spekulationer om att dessa metoder kan ha lägre felfrekvens än traditionella metoder.

Riskbedömning

Även om riskerna med syntetisk biologi liknar dem med befintlig bioteknik, kan riskbedömningsförfaranden skilja sig åt på grund av den snabbhet med vilken nya komponenter och organismer genereras. Befintliga riskanalyssystem för GMO är också tillämpliga för syntetiska organismer, och hälsoövervakning på arbetsplatsen kan användas för att förbättra riskbedömningen. Det kan dock finnas svårigheter med riskbedömning för en organism som byggs "nedifrån och upp" från individuella genetiska sekvenser snarare än från en donatororganism med kända egenskaper. Syntetiska organismer får inte heller inkluderas i redan existerande klassificeringar av mikroorganismer i riskgrupper. En ytterligare utmaning är att syntetisk biologi engagerar ett brett spektrum av discipliner utanför biologin, vars utövare kanske är obekanta med mikrobiologisk riskbedömning.

För biosäkerhet inkluderar riskbedömning utvärdering av användarvänligheten för potentiella aktörer; dess effektivitet som ett vapen; praktiska krav såsom tillgång till expertis och resurser; och förmågan att förhindra, förutse och svara på en attack. För miljöfaror är riskbedömningar och fältförsök av syntetiska biologitillämpningar mest effektiva när de inkluderar mätvärden för icke-målorganismer och ekosystemfunktioner. Vissa forskare har föreslagit att traditionella för livscykelbedömning kan vara otillräckliga eftersom till skillnad från traditionella industrier, är gränsen mellan industrin suddig, och material har en informationsrik beskrivning som inte kan beskrivas endast med deras kemiska formel.

förordning

Internationell

Flera fördrag innehåller bestämmelser som gäller syntetisk biologi. Dessa inkluderar konventionen om biologisk mångfald , Cartagenaprotokollet om biosäkerhet , Nagoya–Kuala Lumpurs tilläggsprotokoll om ansvar, konventionen om biologiska vapen och riktlinjer för Australiengruppen .

Förenta staterna

I allmänhet förlitar sig USA på de regelverk som fastställts för kemikalier och läkemedel för att reglera syntetisk biologi, främst Toxic Substances Control Act från 1976 som uppdaterats av Frank R. Lautenberg Chemical Safety for the 21st Century Act, såväl som Federal Lagen om livsmedel, droger och kosmetika .

Oron för biosäkerhet kring syntetisk biologi och dess genredigeringsverktyg liknar de farhågor som framfördes om rekombinant DNA- teknik när den dök upp i mitten av 1970-talet. Rekommendationerna från 1975 års Asilomar-konferens om rekombinant DNA utgjorde grunden för riktlinjerna från US National Institutes of Health (NIH), som uppdaterades 2013 för att behandla organismer och virus som innehåller syntetiska nukleinsyramolekyler. NIH:s riktlinjer för forskning som involverar rekombinanta och syntetiska nukleinmolekyler är den mest omfattande resursen för syntetisk biologisk säkerhet. Även om de bara är bindande för mottagare av NIH-finansiering, kräver andra statliga och privata finansiärer ibland att de används, och de implementeras ofta frivilligt av andra. Dessutom tillhandahåller 2010 NIH Screening Framework Guide for Providers of Synthetic Double-Stranded DNA frivilliga riktlinjer för leverantörer av syntetiskt DNA för att verifiera köparens identitet och tillhörighet, och screena för oroande sekvenser.

Occupational Safety and Health Administration (OSHA) reglerar hälsa och säkerhet för arbetare, inklusive de som är involverade i syntetisk biologi. I mitten av 1980-talet hävdade OSHA att den allmänna pliktklausulen och befintliga regulatoriska standarder var tillräckliga för att skydda bioteknikarbetare.

Environmental Protection Agency , Department of Agriculture Animal and Plant Health Inspection Service och Food and Drug Administration reglerar kommersiell produktion och användning av genetiskt modifierade organismer. Department of Commerce Bureau of Industry and Security har auktoritet över teknologi med dubbla användningsområden , och syntetisk biologi faller under utvalda agentregler .

Andra länder

I Europeiska unionen regleras syntetisk biologi av direktiven 2001/18/EG om avsiktlig utsättning av genetiskt modifierade organismer och 2009/41/EG om innesluten användning av genetiskt modifierade mikroorganismer, samt direktiv 2000/54/EG om biologiska agens på arbetsplatsen. Från och med 2012 hade varken Europeiska gemenskapen eller någon medlemsstat specifik lagstiftning om syntetisk biologi.

I Storbritannien är förordningarna om genetiskt modifierade organismer (innehållen användning) 2000 och efterföljande uppdateringar den huvudsakliga lagen som är relevant för syntetisk biologi. Kina hade inte utvecklat specifika bestämmelser för syntetisk biologi från och med 2012, och förlitade sig på bestämmelser som utvecklats för GMO. Singapore förlitar sig på sina riktlinjer för biosäkerhet för genetiskt modifierade organismer, biologiska ämnen och toxiner och lagen om arbetsplatssäkerhet och hälsa .

Se även