Γενετική μηχανική

 

 

.

Η γενετική μηχανική (genetic engineering), καλούμενη επίσης και γενετική τροποποίηση (genetic modification), είναι η άμεση χειραγώγηση του γονιδιώματος ενός οργανισμού με τη χρήση της βιοτεχνολογίας.[1] Νέο DNA μπορεί να εισαχθεί στο γονιδίωμα του ξενιστή με μια πρώτη απομόνωση και αντιγράφοντας το γενετικό υλικό που ενδιαφέρει με τη χρήση μεθόδων μοριακής κλωνοποίησης, για να δημιουργηθεί έτσι μία νέα αλληλουχία DNA, ή με σύνθεση του DNA, και στη συνέχεια την εισαγωγή του στον οργανισμό - ξενιστή. Γονίδια μπορούν να αφαιρεθούν με τη χρήση μίας νουκλεάσης. Η στόχευση γονιδίου είναι μια διαφορετική τεχνική, που χρησιμοποιεί ομόλογο ανασυνδυασμό για να αλλάξει ένα ενδογενές γονίδιο, και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διαγραφή ενός γονιδίου, αφαιρουμένων των εξωνίων, την πρόσθεση ενός γονιδίου ή να εισαγάγει σημειακές μεταλλάξεις.

Ο οργανισμός που δημιουργείται μέσω της γενετικής μηχανικής θεωρείται ως γενετικά τροποποιημένος οργανισμός (ΓΤΟ). Οι πρώτοι ΓΤΟ ήταν τα βακτήρια το 1973. Γενετικά τροποποιημένα ποντίκια δημιουργήθηκαν το 1974. Βακτήρια που παράγουν ινσουλίνη κυκλοφόρησαν για πρώτη φορά στο εμπόριο το 1982 και τα γενετικώς τροποποιημένα τρόφιμα έχουν αρχίσει να πωλούνται από το 1994. Το Glofish[2], ο πρώτος ΓΤΟ που σχεδιάστηκε ως κατοικίδιο, πωλήθηκε για πρώτη φορά στις Ηνωμένες Πολιτείες τον Δεκέμβριο του 2003.[3]

Οι τεχνικές γενετικής μηχανικής έχουν εφαρμοστεί σε πολλούς τομείς, συμπεριλαμβανομένης της έρευνας, της γεωργίας, της βιομηχανικής βιοτεχνολογίας και της ιατρικής. Τα ένζυμα που χρησιμοποιούνται στα απορρυπαντικά και φάρμακα όπως η ινσουλίνη και η ανθρώπινη αυξητική ορμόνη είναι πλέον δυνατό να κατασκευάζονται από γενετικά τροποποιημένα κύτταρα, πειραματικές γενετικά τροποποιημένες κυτταρικές σειρές και γενετικά τροποποιημένα ζώα, όπως ποντίκια ή ψάρια - ζέβρες, που χρησιμοποιούνται για ερευνητικούς σκοπούς και γενετικά τροποποιημένες καλλιέργειες έχουν πλέον εμπορευματοποιηθεί.

Ορισμός

Η γενετική μηχανική μεταβάλλει τη γενετική σύσταση ενός οργανισμού με τη χρήση τεχνικών που απομακρύνουν κληρονομήσιμο γενετικό υλικό ή εισάγουν DNA το οποίο παρασκευάζεται εκτός του οργανισμού, είτε απευθείας εντός του ξενιστή ή σε ένα κύτταρο το οποίο στη συνέχεια συντήκεται ή υβριδοποιείται με τον ξενιστή.[4] Η διαδικασία περιλαμβάνει τη χρήση ανασυνδυασμένων νουκλεϊκών οξέων (DNA ή RNA), τεχνικές για να σχηματιστούν νέοι συνδυασμοί κληρονομήσιμου γενετικού υλικού, που ακολουθείται από τεχνικές για την ενσωμάτωση του εν λόγω υλικού, είτε έμμεσα, μέσω ενός φορέα του συστήματος, ή απευθείας μέσω μικροενέσεων, μακροέγχυσης και μικροέγκλεισης.

Η γενετική μηχανική κανονικά δεν περιλαμβάνει την παραδοσιακή αναπαραγωγή ζώων και φυτών, σε εξωσωματική γονιμοποίηση, πρόκληση πολυπλοειδίας, τεχνικές μεταλλάξεων και σύντηξης κυττάρων που δεν χρησιμοποιούν ανασυνδυασμένα νουκλεϊκά οξέα ή ένα γενετικά τροποποιημένο οργανισμό κατά τη διαδικασία,[4]. Ωστόσο, η Ευρωπαϊκή Επιτροπή έχει επίσης ορίσει, υπό την ευρεία έννοια, τη γενετική μηχανική έτσι ώστε να περιλαμβάνει τόσο την επιλεκτική αναπαραγωγή όσο και άλλα μέσα τεχνητής επιλογής[5] Η κλωνοποίηση και η έρευνα βλαστικών κυττάρων, αν και δεν θεωρούνται κλάδοι της γενετικής μηχανικής,[6], συνδέονται στενά και η γενετική μηχανική μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε αυτές.[7] H συνθετική βιολογία είναι αναπτυσσόμενος κλάδος της Βιολογίας που προωθεί περαιτέρω τη γενετική μηχανική με την εισαγωγή τεχνητά δημιουργημένου γενετικού υλικού από "ακατέργαστο" υλικό σε έναν οργανισμό.[8]

Εάν προστίθεται στον ξενιστή γενετικό υλικό από άλλο είδος, ο προκύπτων οργανισμός καλείται διαγονιδιακός (transgenic). Εάν το γενετικό υλικό από το ίδιο είδος ή είδος που μπορεί με φυσική διαδικασία να δώσει απογόνους με τον ξενιστή, ο προκύπτων οργανισμός καλείται ομογονιδιακός (cisgenic)[9] Η γενετική μηχανική μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την αφαίρεση γενετικού υλικού από τον οργανισμό-στόχο, δημιουργώντας έναn οργανισμό με "εκτοπισμένο" γονίδιο (gene knockout).[10] Στην Ευρώπη η γενετική τροποποίηση είναι συνώνυμη με τη γενετική μηχανική, ενώ στις ΗΠΑ η γενετική τροποποίηση μπορεί επίσης να παραπέμπει σε συμβατικές μεθόδους αναπαραγωγής.[11][12] Το αντίστοιχο καναδικό ρυθμιστικό σύστημα βασίζεται στο κατά πόσο ένα προϊόν έχει καινοτόμα χαρακτηριστικά, ανεξάρτητα από τη μέθοδο προέλευσης. Με άλλα λόγια, ένα προϊόν προσδιορίζεται ως γενετικά τροποποιημένο, αν φέρει κάποιο χαρακτηριστικό που δεν βρέθηκε προηγουμένως στο είδος είτε παρήχθη χρησιμοποιώντας παραδοσιακές μεθόδους αναπαραγωγής (π.χ., επιλεκτική αναπαραγωγή, κυτταρική σύντηξη, αναπαραγωγή με μετάλλαξη) ή γενετική μηχανική.[13][14][15] Στο πλαίσιο της επιστημονικής κοινότητας, ο όρος γενετική μηχανική δεν είναι συνήθως σε χρήση, προτιμώνται οι επιμέρους πιο συγκεκριμένοι όροι, όπως διαγονιδιακός κλπ.
Γενετικά τροποποιημένοι οργανισμοί

Τα φυτά, τα ζώα ή οι μικροοργανισμοί που έχουν υποστεί αλλαγές μέσω γενετικής μηχανικής ονομάζονται γενετικά τροποποιημένοι οργανισμοί ή ΓΤΟ.[16] Τα βακτήρια ήταν οι πρώτοι οργανισμοί που υπέστησαν γενετική τροποποίηση. DNA από το πλασμίδιο που περιέχει νέα γονίδια μπορεί να εισαχθεί μέσα στο βακτηριακό κύτταρο και τα βακτήρια στη συνέχεια θα εκφράσουν αυτά τα γονίδια, παράγοντας τις αντίστοιχες πρωτεΐνες. Αυτά τα γονίδια μπορούν να κωδικοποιούν για τα φάρμακα ή ένζυμα που επεξεργάζονται τρόφιμα και άλλα υποστρώματα.[17][18] Τα φυτά έχουν τροποποιηθεί για προστασία απέναντι στα έντομα, ανθεκτικότητα στα ζιζανιοκτόνα, αντοχή σε ιούς, ενισχυμένη διατροφή, ανοχή σε περιβαλλοντικές πιέσεις και την παραγωγή κατάλληλων εμβολίων.[19] Οι περισσότεροι ΓΤΟ του εμπορίου είναι ανθεκτικοί σε έντομα ή / και σε ζιζανιοκτόνα φυτά.[20] Γενετικά τροποποιημένα ζώα χρησιμοποιήθηκαν για έρευνα, ως πειραματόζωα και για παραγωγή γεωργικών ή φαρμακευτικών προϊόντων. Σε αυτά περιλαμβάνονται ζώα με γονίδια "νοκ άουτ", με αυξημένη ευαισθησία σε ασθένειες, με ορμόνες για επιπλέον ανάπτυξη και ικανότητα να εκφράζουν τις πρωτεΐνες στο γάλα τους.[21]
Ιστορικό

Ο άνθρωπος άλλαζε τα γονιδιώματα των ειδών επί χιλιάδες χρόνια μέσω της τεχνητής επιλογής και, πιο πρόσφατα, με τη βοήθεια των τεχνητών μεταλλάξεων. Η γενετική μηχανική ως άμεσος τρόπος χειρισμού του DNA από τον άνθρωπο, εκτός των προαναφερθεισών μεθόδων, υφίσταται μόλις από τη δεκαετία του 1970. Ο όρος «γενετική μηχανική» επινοήθηκε για πρώτη φορά από τον Τζακ Ουίλλιαμσον (Jack Williamson) στο μυθιστόρημα επιστημονικής φαντασίας "Νησί του Δράκου", που δημοσιεύθηκε το 1951,[22] ένα έτος πριν από τη διευκρίνιση του ρόλου του DNA στην κληρονομικότητα, που επιβεβαιώθηκε από τους Alfred Hershey και Martha Chase ,[23] και δύο χρόνια πριν οι Τζέιμς Γουότσον (James Watson) και Φράνσις Κρικ (Francis Crick) καταδείξουν ότι το μόριο του DNA έχει δομή διπλής έλικας.

Το 1972 ο Πωλ Μπεργκ (Paul Berg) δημιούργησε τα πρώτα μόρια ανασυνδυασμένου DNA συνδυάζοντας DNA από τον ιό πιθήκου SV40 με εκείνο του ιού λάμδα.[24] Το 1973 οι Χέρμπερτ Μπόιερ (Herbert Boyer) και Στάνλεϋ Κοέν (Stanley Cohen) δημιούργησαν τον πρώτο διαγονιδιακό οργανισμό, εισάγοντας γονίδια αντίστασης σε αντιβιοτικά στο πλασμίδιο ενός βακτηρίου Εscherichia coli.[25][26] Ένα χρόνο αργότερα ο Ρούντολφ Γένιχ Rudolf Jaenisch δημιούργησε ένα διαγονιδιακό ποντίκι με την εισαγωγή ξένου DNA σε έμβρυό του, καθιστώντας το το πρώτο στον κόσμο διαγονιδιακό ζώο.[27] Αυτά τα επιτεύγματα είχαν ως αποτέλεσμα να εκφραστούν ανησυχίες της επιστημονικής κοινότητας σχετικά με τους πιθανούς κινδύνους από τη γενετική μηχανική, τα οποία συζητήθηκαν πρώτα σε βάθος στο Συνέδριο Asilomar το 1975. Μία από τις κύριες συστάσεις από αυτή τη συνάντηση ήταν ότι θα πρέπει να καθιερωθεί εποπτεία της κυβέρνησης της έρευνας ανασυνδυασμένου DNA έως ότου η τεχνολογία θεωρηθεί ασφαλής.[28][29]

Το 1976 η Genentech, η πρώτη εταιρεία γενετικής μηχανικής, ιδρύθηκε από τους Herbert Boyer και Robert Swanson και ένα χρόνο αργότερα η εταιρεία παρήγαγε μια ανθρώπινη πρωτεΐνη (σωματοστατίνη) από το βακτήριο E.coli. Η Genentech ανακοίνωσε την παραγωγή ανθρώπινης ινσουλίνης το 1978.[30]

Το 1980, το Ανώτατο Δικαστήριο των ΗΠΑ στην υπόθεση Diamond κατά Chakrabarty έκρινε ότι η γενετικά τροποποιημένη ζωή θα μπορούσε να κατοχυρωθεί με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας.[31] Η ινσουλίνη που παράγεται από βακτήρια, με την εμπορική ονομασία "humulin", εγκρίθηκε να κυκλοφορήσει στο εμπόριο από την Υπηρεσία Τροφίμων και Φαρμάκων το 1982.[32]

Στη δεκαετία του 1970 ο μεταπτυχιακός φοιτητής Στίβεν Λίνταου (Steven Lindow) του Πανεπιστημίου του Wisconsin-Madison μαζί με τους με DC Arny και C. Upper βρήκε ένα βακτήριο, που προσδιόρισε ως P. syringae, που έπαιξε σημαντικό ρόλο στην επαγωγή σχηματισμού πυρήνων πάγου και, το 1977, ανακάλυψε ένα μεταλλαγμένο στέλεχος. Αργότερα, δημιούργησε με επιτυχία ένα ανασυνδυασμένο στέλεχος το οποίο μείωνε τον σχηματισμό πάγου.[33] Το 1983, μια εταιρεία βιοτεχνολογίας, η Advanced Genetic Sciences (AGS) έκανε αίτηση για κυβερνητική έγκριση να πραγματοποιήσει δοκιμές πεδίου με το στέλεχος του P. syringae για την προστασία των καλλιεργειών από τον παγετό, αλλά ομάδες διαδηλωτών για την προστασία του περιβάλλοντος καθυστέρησαν τις δοκιμές πεδίου για τέσσερα χρόνια με νομικές παρεμβάσεις.[34] Το 1987, το τροποποιημένο στέλεχος του P. syringae έγινε ο πρώτος γενετικά τροποποιημένος οργανισμός (ΓΤΟ) που απελευθερώθηκε στο περιβάλλον[35], όταν ένα χωράφι με καλλιέργεια φράουλας και ένας αγρός καλλιέργειας πατάτας στην Καλιφόρνια ψεκάστηκαν με αυτό[36]. Και τα δύο πεδία δοκιμής δέχθηκαν επίθεση από ομάδες ακτιβιστών το βράδυ πριν από τις δοκιμές.[35]

Οι πρώτες δοκιμές στον τομέα των γενετικά τροποποιημένα φυτών πραγματοποιήθηκαν στη Γαλλία και τις ΗΠΑ το 1986, με φυτά καπνού που είχαν "κατασκευαστεί" για να είναι ανθεκτικά στα ζιζανιοκτόνα.[37] Η Λαϊκή Δημοκρατία της Κίνας ήταν η πρώτη χώρα για που κυκλοφόρησε στο εμπόριο διαγονιδιακά φυτά, παρουσιάζοντας φυτά καπνού ανθεκτικά στον ιό της μωσαϊκής το 1992.[38] Το 1994 η εταιρία Monsanto - Calgene έλαβε έγκριση για να κυκλοφορήσει στο εμπόριο την τομάτα Flavr Savr, τομάτα με μεγαλύτερη διάρκεια ζωής μετά την κοπή της από το φυτό, ώστε να αντέχει στα ράφια των εμπόρων χωρίς να σαπίζει.[39] Το 1994, η Ευρωπαϊκή Ένωση ενέκρινε την εμπορία φυτών καπνού κατασκευασμένων για να είναι ανθεκτικά στο ζιζανιοκτόνο bromoxynil, καθιστώντας την την πρώτη εμπορική καλλιέργεια γενετικά τροποποιμένων φυτών στην Ευρώπη.[40] Το 1995, η ποικιλία πατάτας Bt κρίθηκε ως ασφαλής από την Υπηρεσία Προστασίας του Περιβάλλοντος, αφού εγκρίθηκε από την Υπηρεσία Ελέγχουν Τροφίμων, καθιστώντας την το πρώτο ζιζανιοκτόνο φυτό εγκρίθηκε στις ΗΠΑ.[41] Το 2009, 11 διαγονιδιακά φυτά αναπτύχθηκαν εμπορικά σε 25 χώρες, με τη σειρά, κατά καλλιεργούμενη έκταση, ΗΠΑ, Βραζιλία, Αργεντινή, Ινδία, Καναδάς, Κίνα, Παραγουάη και Νότια Αφρική.[42]

Στα τέλη της δεκαετίας του 1980 και στις αρχές της δεκαετίας του 1990, κατευθυντήριες γραμμές για την αξιολόγηση της ασφάλειας των γενετικά τροποποιημένων φυτών και τροφίμων δόθηκαν από οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένου του FAO και της Παγκόσμιας Οργάνωσης Υγείας.[43][44][45][46]

Το 2010, επιστήμονες στο Ινστιτούτο J. Craig Venter ανακοίνωσαν ότι δημιουργήσαν το πρώτο συνθετικό βακτηριακό γονιδίωμα και το πρόσθεσαν ότι σε κύτταρο που δεν περιείχε DNA. Το βακτήριο, που ονομάστηκε Synthia, ήταν η πρώτη στον κόσμο συνθετική μορφή ζωής.[47][48]
Διαδικασία

Το πρώτο βήμα είναι να επιλεγεί και να απομονωθεί το γονίδιο που θα εισαχθεί στον γενετικώς τροποποιημένο (ΓΤ) οργανισμό. Από το 2012, τα περισσότερα εμπορευματοποιημένα ΓΤ φυτά έχουν γονίδια που μεταφέρονται σε αυτούς που παρέχουν προστασία έναντι των εντόμων ή ανοχή στα ζιζανιοκτόνα.[49] Το γονίδιο μπορεί να απομονωθεί με τη χρήση ενζύμων περιορισμού για να κοπεί σε τμήματα DNA και στη συνέχεια με ηλεκτροφόρηση σε πήκτωμα για να διαχωριστούν τα τμήματα ανάλογα με το μήκος τους.[50] Ξ αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (PCR) μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να ενισχύσει τμήμα γονιδίου, το οποίο μπορεί στη συνέχεια να απομονωθεί μέσω ηλεκτροφόρησης γέλης.[51]. Εάν το συγκεκριμένο επιλεγμένο γονίδιο ή το γονιδίωμα οργανισμού - δότη έχει καλά μελετηθεί, μπορεί να είναι παρόν σε μια γενετική βιβλιοθήκη. Εάν η αλληλουχία DNA είναι γνωστή, αλλά δεν υπάρχουν αντίγραφα του γονιδίου διαθέσιμα, μπορεί να συντεθεί τεχνητά.[52]

Το γονίδιο που πρόκειται να εισαχθεί μέσα στο γενετικώς τροποποιημένο οργανισμό πρέπει να συνδυάζεται με άλλα γενετικά στοιχεία, προκειμένου να λειτουργήσει σωστά. Το γονίδιο μπορεί επίσης να τροποποιηθεί σε αυτό το στάδιο για καλύτερη έκφραση ή αποτελεσματικότητα. Το γονίδιο που πρόκειται να εισαχθεί πρέπει να περιέχει μια περιοχή έναρξης και μια περιοχή τερματισμού, καθώς και ένα επιλέξιμο δείκτη γονιδίου. Η περιοχή έναρξης εκκινεί τη μεταγραφή του γονιδίου και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο της θέσης και το επίπεδο της γονιδιακής έκφρασης, ενώ η περιοχή τερματισμού είναι αυτή που ολοκληρώνει τερματίζοντας τη μεταγραφή. Ο επιλέξιμος δείκτης, που στις περισσότερες περιπτώσεις προσδίδει ανθεκτικότητα σε αντιβιοτικό στον οργανισμό, είναι απαραίτητος για να καθοριστεί ποια κύτταρα μετασχηματίζονται με το νέο γονίδιο. Τα παρασκευάσματα γίνονται χρησιμοποιώντας τεχνικές ανασυνδυασμένου DNA, όπως ένζυμο προσδέσεων (λιγάση του DNA) και μοριακής κλωνοποίησης.[53] Ο χειρισμός του DNA πραγματοποιείται, εν γένει, σε πλασμίδιο.

Η πιο κοινή μορφή της γενετικής μηχανικής περιλαμβάνει την εισαγωγή νέου γενετικού υλικού τυχαία μέσα στο γονιδίωμα του ξενιστή. Άλλες τεχνικές επιτρέπουν την εισαγωγή νέου γενετικού υλικού, που θα εισαχθεί σε μια συγκεκριμένη θέση στο γονιδίωμα του ξενιστή, ή τη δημιουργία μεταλλάξεων στην επιθυμητή γονιδιωματική περιοχή ικανή να εκτοπίσει τα ενδογενή γονίδια. Η τεχνική της γονιδιακής στόχευσης χρησιμοποιεί ομόλογο ανασυνδυασμό για να στοχεύσει τις επιθυμητές αλλαγές σε συγκεκριμένο ενδογενές γονίδιο. Αυτό τείνει να συμβεί σε σχετικά χαμηλή συχνότητα σε φυτά και ζώα και γενικά απαιτεί τη χρήση επιλέξιμων δεικτών. Η συχνότητα της γονιδιακής στόχευσης μπορεί να ενισχυθεί σε μεγάλο βαθμό με τη χρήση επεξεργασμένων νουκλεασών όπως νουκλεάσες δακτύλου ψευδαργύρου, (zinc finger nucleases)[54][55] ενδονουκλεάσες μηχανικής παλιννόστησης[56][57] ή νουκλεάσες δημιουργούμενες από μηχανισμό μεταγραφής (transcription activator-like)[58][59][60] Εκτός από την ενίσχυση της γονιδιακής στόχευσης, οι επεξεργασμένες νουκλεάσες μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να εισαγάγουν μεταλλάξεις σε ενδογενή γονίδια, που δημιουργούν ένα εκτοπιζόμενο γονίδιο.[61][62]
Μετασχηματισμός

Περίπου 1% των βακτηρίων είναι εκ φύσεως σε θέση να δεχθούν ξένο DNA.[63] Αν, για παράδειγμα, τα βακτήρια υποβληθούν σε "πίεση" με σοκ θερμότητας ή ηλεκτρικό σοκ, είναι πιθανόν η κυτταρική μεμβράνη τους να γίνει διαπερατή σε DNA, που μπορεί, στη συνέχεια, να ενσωματωθεί στο γονιδίωμά τους ή να υφίσταται ως εξωχρωμοσωμικό DNA. Το DΝΑ εν γένει εισάγεται σε ζωικά κύτταρα χρησιμοποιώντας μικροέγχυση, με την οποία μπορεί να εγχυθεί απευθείας εντός του πυρήνα ή μέσω χρήσης των ιικών φορέων. Στα φυτά το DNA γενικά εισάγεται χρησιμοποιώντας τη μεσολάβηση του ανασυνδυασμένου Agrobacterium ή με τη χρήση "γονιδιακού όπλου" (gene gun).[64]

Στο ανασυνδυασμένο Agrobacterium το κατασκευασμένο πλασμίδιο περιέχει Τ-DΝΑ , δηλαδή DΝΑ το οποίο είναι υπεύθυνο για την εισαγωγή του DNA στο γονιδίωμα του φυτού - ξενιστή. Αυτό το πλασμίδιο μεταφέρεται στο Agrobacterium, που δεν περιέχει πλασμίδια και, στη συνέχεια, "μολύνονται" τα φυτικά κύτταρα. Το Agrobacterium τότε φυσικά θα εισαγάγει το γενετικό του υλικό σε φυτικά κύτταρα.[65] Στον βιολιστικό μετασχηματισμό, σωματίδια χρυσού ή βολφραμίου, επικαλύπτονται με DNA και στη συνέχεια εξακοντίζονται σε νεαρά κύτταρα φυτών ή φυτικών εμβρύων. Τμήματα από το γενετικό υλικό θα εισέλθουν στα κύτταρα και θα τα μετασχηματίσει. Αυτή η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε φυτά που δεν είναι ευαίσθητα σε "μόλυνση" από Agrobacterium και επίσης επιτρέπει μετασχηματισμό των πλαστιδίων. Μία άλλη μέθοδος μετασχηματισμού για φυτικά και ζωικά κύτταρα είναι η ηλεκτροδιάτρηση (electroporation). Η ηλεκτροδιάτρηση συνίσταται στην υποβολή φυτικών ή ζωικών κυττάρων σε ηλεκτρική εκκένωση, η οποία μπορεί να κάνει την κυτταρική μεμβράνη διαπερατή από το DNA πλασμιδίου. Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα ηλεκτροδιάτρητά κύτταρα θα ενσωματώσουν το DNA στο γονιδίωμά τους. Λόγω των ζημιών που προκλήθηκαν στα κύτταρα και το DNA η απόδοση μετατροπής μέσω βιολιστικών και μεθόδων ηλεκτροδιάτρησης είναι χαμηλότερη από μετασχηματισμό με τη μεσολάβηση και μικροέγχυση με τη βοήθεια του Agrobacterium.[66]

Καθώς συχνά μόνο ένα κύτταρο μετασχηματίζεται με γενετικό υλικό, ο οργανισμός πρέπει να αναγεννηθεί από αυτό το κύτταρο και μόνο. Επειδή τα βακτήρια αποτελούνται από ένα μόνο κύτταρο η αναγέννηση αυτή δεν είναι απαραίτητη. Στα φυτά αυτό επιτυγχάνεται μέσω της χρήσης ιστοκαλλιέργειας. Κάθε είδος φυτού έχει διαφορετικές απαιτήσεις για την επιτυχή αναγέννηση ιστών μέσω ιστοκαλλιέργειας. Αν είναι επιτυχής, δημιουργείται νέος φυτικός οργανισμός, που περιέχει το διαγονιδιακό DNA σε κάθε του κύτταρο. Στα ζώα είναι απαραίτητο να εξασφαλιστεί ότι το εισαχθέν DNA είναι παρόν στα εμβρυϊκά βλαστικά κύτταρα. Επιλέξιμοι δείκτες χρησιμοποιούνται για να εντοπιστούν τα διαγονιδιακά από τα μη διαγονιδιακά κύτταρα. Αυτοί οι δείκτες είναι συνήθως παρόντες στον διαγονιδιακό οργανισμό, αν και έχει αναπτυχθεί ένας αριθμός από στρατηγικές που μπορούν να αφαιρέσουν τον επιλέξιμο δείκτη από το ώριμο διαγονιδιακό φυτό.[67] Όταν παραχθούν απόγονοι, μπορούν να υποβληθούν σε διαλογή για την παρουσία του γονιδίου. Όλοι οι απόγονοι από την πρώτη γενεά θα είναι ετερόζυγοι για το νεοεισαχθέν γονίδιο και πρέπει να ζευγαρώσουν μεταξύ τους για να παράξουν ομόζυγο ζώο.

Περαιτέρω δοκιμές χρησιμοποιούν τεχνικές όπως η PCR (Polymerase chain reaction, αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης), εντοπισμό τεχνικής Southern[68], για να επιβεβαιωθεί ότι ο οργανισμός περιέχει το νέο γονίδιο. Αυτές οι δοκιμές μπορούν επίσης να επιβεβαιώσουν τη χρωμοσωμική θέση και τον αριθμό των αντιγράφων του εισαχθέντος γονιδίου. Η απλή παρουσία του γονιδίου δεν εγγυάται ότι θα είναι σε θέση αυτό να εκφραστεί σε κατάλληλα επίπεδα στον ιστό - στόχο, και έτσι χρησιμοποιούνται επίσης μέθοδοι που αναζητούν και μετρούν τα προϊόντα που προκύπτουν από την έκφραση του γονιδίου (RNA και πρωτεΐνη). Οι μέθοδοι αυτές περιλαμβάνουν τεστ υβριδοποίησης "Northern", ποσοτική RT-PCR , στύπωμα Western , ανοσοφθορισμό , ELISA ( enzyme-linked immunosorbent assay, μέθοδος ανίχνευσης ουσιών μέσω αντισωμάτων και μεταβολών χρωματισμού) και φαινοτυπική ανάλυση. Για σταθερό μετασχηματισμό, το γονίδιο θα πρέπει να "περάσει" στους απογόνους εμφανίζοντας τύπο Μενδελιανής κληρονομικότητας, γι' αυτό και μελετώνται επίσης οι απόγονοι του οργανισμού.
Επεξεργασία του γονιδιώματος

Η επεξεργασία του γονιδιώματος είναι μια μορφή της γενετικής μηχανικής στην οποία το DNA εισάγεται, αντικαθίσταται ή απομακρύνεται από το γονιδίωμα χρησιμοποιώντας τεχνητά επεξεργασμένες νουκλεάσες ή, όπως αποκαλούνται, «μοριακά ψαλίδια». Οι νουκλεάσες αυτές μπορούν να δημιουργήσουν ειδικές διακοπές της διπλής έλικας (DSBs) σε επιθυμητές θέσεις στο γονιδίωμα, και να αξιοποιήσουν τους ενδογενείς μηχανισμούς του κυττάρου για την επιδιόρθωση της επαγόμενης δικοπής από τις φυσικές διαδικασίες του ομόλογου ανασυνδυασμού (HR) και μη ομόλογους συνδέσμους τέλους (Nonhomologous end joining, NHEJ). Υπάρχουν, επί του παρόντος, τέσσερις οικογένειες παρόμοιων νουκλεασών: οι μεγανουκλεάσες, οι νουκλεάσες με δακτύλιο ψευδαργύρου (ZFNs), οι ενεργοποιητές μεταγραφής -όπως νουκλεάσες - τελεστές; (Talens), και οι CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) δηλ. περιοχές του DNA που περιέχουν πολλές, σύντομες, άμεσες επαναλήψεις των αλληλουχιών βάσεων.[69][70]
Εφαρμογές

Η γενετική μηχανική έχει εφαρμογές στην ιατρική, την έρευνα, τη βιομηχανία και τη γεωργία και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ευρύ φάσμα φυτών, ζώων και μικροοργανισμών.
Ιατρική

Στην ιατρική η γενετική μηχανική έχει χρησιμοποιηθεί για τη μαζική παραγωγή ινσουλίνης, ανθρώπινων αυξητικών ορμονών, FOLLISTIM (Ουροφολινοτροπίνης [Urofollitropin], δηλ. εξευγενισμένης μορφής της ωοθυλακιοτρόπου ορμόνης για τη θεραπεία της στειρότητας), ανθρώπινης αλβουμίνης, μονόκλωνων αντισωμάτων, αντιαιμοφιλικών παραγόντων, εμβολίων και πολλών άλλων φαρμάκων.[71][72] Ο εμβολιασμός περιλαμβάνει, γενικά, έγχυση αδύναμων ζωντανών μικροοργανισμών, νεκρές ή αδρανοποιημένες μορφές ιών ή των τοξινών τους στο πρόσωπο που εμβολιάζεται.[73] Οι γενετικά τροποποιημένοι ιοί που αναπτύσσονται είναι δυνατόν να προκαλέσουν ανοσία, αλλά η τους έχουν αφαιρεθεί οι μολυσματικές ακολουθίες.[74] Σε υβριδώματα ποντικών, κύτταρα συντήκονται για να δημιουργήσουν μονοκλωνικά αντισώματα, τα οποία έχουν εξανθρωπισθεί μέσω γενετικής μηχανικής για τη δημιουργία ανθρώπινων μονοκλωνικών αντισωμάτων.[75] Η γενετική μηχανική έχει αρχίσει να υπόσχεται πολλά για τη θεραπεία ορισμένων μορφών καρκίνου.[76][77]

Η γενετική μηχανική χρησιμοποιείται για να δημιουργηθούν μοντέλα ανθρώπινων ασθενειών σε ζώα. Τα γενετικά τροποποιημένα ποντίκια είναι η πιο κοινά χρησιμοποιούμενη εφαρμογή αυτού του τομέα.[78] Έχουν χρησιμοποιηθεί για να μελετηθούν ο καρκίνος (το ογκοποντίκι (oncomouse)), η παχυσαρκία, οι καρδιακές παθήσεις, ο διαβήτης, η αρθρίτιδα, η κατάχρηση ουσιών, το άγχος, η γήρανση και η νόσος του Πάρκινσον.[79] Πιθανές θεραπείες μπορεί να δοκιμάζονται με χρήση αυτών των μοντέλων σε ποντίκια. Έχουν εκτραφεί επίσης γενετικώς τροποποιημένοι χοίροι, με στόχο την αύξηση της επιτυχίας της μεταμόσχευσης οργάνου χοίρου σε ανθρώπινο οργανισμό.[80]
Παραπομπές

Lincoln University of Nebraska: What is genetic engineering and how does it work?
Πρόκειται για γενετικά τροποποιημένο ψάρι - ζέβρα για ενυδρείο, το οποίο εμφανίζει κόκκινο φθορισμό κάτω από υπεριώδη ακτινοβολία
"First transgenic pet, 'GloFish', sold to US public" . PHG Foundation, 9 Ιανουαρίου 2004
The European Parliament and the council of the European Union (12 March 2001), Official Journal of the European Communities, σελ. 17
Economic Impacts of Genetically Modified Crops on the Agri-Food Sector; P. 42 Glossary - Term and Definitions The European Commission Directorate-General for Agriculture, "Genetic engineering: The manipulation of an organism's genetic endowment by introducing or eliminating specific genes through modern molecular biology techniques. A broad definition of genetic engineering also includes selective breeding and other means of artificial selection.", Ανακτήθηκε στις 23 Φεβρουαρίου 2014.
Van Eenennaam, Alison. "Is Livestock Cloning Another Form of Genetic Engineering?". agbiotech.
David M. Suter, Michel Dubois-Dauphin, Karl-Heinz Krause (2006). wiss Med Wkly 136 (27–28): 413–415. PMID 16897894
Ernesto Andrianantoandro, Subhayu Basu, David K Kariga & Ron Weiss (16 May 2006). "Synthetic biology: new engineering rules for an emerging discipline". Molecular Systems Biology 2 (2006.0028): 2006.0028. doi:10.1038/msb4100073. PMC 1681505. PMID 16738572.
Jacobsen, E.; Schouten, H. J. (2008). "Cisgenesis, a New Tool for Traditional Plant Breeding, Should be Exempted from the Regulation on Genetically Modified Organisms in a Step by Step Approach". Potato Research 51: 75.
Capecchi, Mario R. (2001). "Generating mice with targeted mutations". Nature Medicine 7 (10): 1086–90
Staff Biotechnology - Glossary of Agricultural Biotechnology Terms United States Department of Agriculture, "Genetic modification: The production of heritable improvements in plants or animals for specific uses, via either genetic engineering or other more traditional methods. Some countries other than the United States use this term to refer specifically to genetic engineering."
James H. Maryanski (19 October 1999). "Genetically Engineered Foods". Center for Food Safety and Applied Nutrition at the Food and Drug Administration.
Evans, Brent and Lupescu, Mihai (15 July 2012) Canada - Agricultural Biotechnology Annual – 2012 GAIN (Global Agricultural Information Network) report CA12029, United States Department of Agriculture, Foreifn Agricultural Service
[McHugen, Alan (September 14, 2000). "Chapter 1: Hors-d'oeuvres and entrees/What is genetic modification? What are GMOs?". Pandora's Picnic Basket. Oxford University Press. ISBN 978-0198506744]
Staff (28 November 2005) Health Canada - The Regulation of Genetically Modified Food Glossary definition of Genetically Modified: "An organism, such as a plant, animal or bacterium, is considered genetically modified if its genetic material has been altered through any method, including conventional breeding. A 'GMO' is a genetically modified organism."
What is genetic modification (GM)?
"Genetic Modification of Bacteria". Annenberg Foundation
Panesar, Pamit et al (2010) "Enzymes in Food Processing: Fundamentals and Potential Applications", Chapter 10, I K International Publishing House, ISBN 978-9380026336
"GM traits list". International Service for the Acquisition of Agri-Biotech Applications
"ISAAA Brief 43-2011: Executive Summary". International Service for the Acquisition of Agri-Biotech Applications
Steve Connor (2 November 2007). "The mouse that shook the world". The Independent
Stableford, Brian M. (2004). Historical dictionary of science fiction literature. σελ. 133. ISBN 9780810849389
Hershey A, Chase M (1952). "Independent functions of viral protein and nucleic acid in growth of bacteriophage" (PDF). J Gen Physiol 36 (1): 39–56. doi:10.1085/jgp.36.1.39
Jackson, DA; Symons, RH; Berg, P (1 October 1972). «Biochemical Method for Inserting New Genetic Information into DNA of Simian Virus 40: Circular SV40 DNA Molecules Containing Lambda Phage Genes and the Galactose Operon of Escherichia coli». PNAS 69 (10): 2904–2909. doi:10.1073/pnas.69.10.2904. PMID 4342968. Bibcode: 1972PNAS...69.2904J.
Arnold, Paul (2009). «History of Genetics: Genetic Engineering Timeline».
Stanley N. Cohen and Annie C. Y. Chang (1 May 1973). «Recircularization and Autonomous Replication of a Sheared R-Factor DNA Segment in Escherichia coli Transformants — PNAS». Pnas.org. Ανακτήθηκε στις 17 July 2010.
Jaenisch, R. and Mintz, B. (1974 ) Simian virus 40 DNA sequences in DNA of healthy adult mice derived from preimplantation blastocysts injected with viral DNA. Proc. Natl. Acad. 71(4) 1250–1254 [1]
Berg P et al.; Baltimore, D; Brenner, S; Roblin, RO; Singer, MF (1975). «Summary statement of the Asilomar Conference on recombinant DNA molecules» (PDF). Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A 72 (6): 1981–4. doi:10.1073/pnas.72.6.1981. PMID 806076. PMC 432675. Bibcode: 1975PNAS...72.1981B.
NIH Guidelines for research involving recombinant DNA molecules
Goeddel, David; Dennis G. Kleid, Francisco Bolivar, Herbert L. Heyneker, Daniel G. Yansura, Roberto Crea, Tadaaki Hirose, Adam Kraszewski, Keiichi Itakura, AND Arthur D. Riggs (January 1979). «Expression in Escherichia coli of chemically synthesized genes for human insulin». PNAS 76 (1): 106–110. doi:10.1073/pnas.76.1.106. PMID 85300. PMC 382885. Bibcode: 1979PNAS...76..106G.
US Supreme Court Cases from Justia & Oyez (16 June 1980). Diamond V Chakrabarty. 447. Supreme.justia.com. Ανακτήθηκε στις 17 July 2010.
«Artificial Genes». TIME. 15 November 1982. Ανακτήθηκε στις 17 July 2010.
H. Patricia Hynes. (1989) Biotechnology in agriculture: an analysis of selected technologies and policy in the United States. Reproductive and Genetic Engineering (2)1:39–49 [2]
Rebecca Bratspies (2007) Some Thoughts on the American Approach to Regulating Genetically Modified Organisms. Kansas Journal of Law and Public Policy 16:393 [3]
BBC News 14 June 2002 GM crops: A bitter harvest?
Thomas H. Maugh II for the Los Angeles Times. June 09, 1987. Altered Bacterium Does Its Job : Frost Failed to Damage Sprayed Test Crop, Company Says
James, Clive (1996). «Global Review of the Field Testing and Commercialization of Transgenic Plants: 1986 to 1995». The International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications. Ανακτήθηκε στις 17 July 2010.
James, Clive (1997). «Global Status of Transgenic Crops in 1997». ISAAA Briefs No. 5.: 31.
Bruening, G.; Lyons, J.M. (2000). «The case of the FLAVR SAVR tomato». California Agriculture 54 (4): 6. doi:10.3733/ca.v054n04p6.
MacKenzie, Debora (18 June 1994). Transgenic tobacco is European first. New Scientist.
Genetically Altered Potato Ok'd For Crops Lawrence Journal-World - 6 May 1995
Global Status of Commercialized Biotech/GM Crops: 2009 ISAAA Brief 41-2009, 23 February 2010. Retrieved 10 August 2010
WHO (1987): Principles for the Safety Assessment of Food Additives and Contaminants in Food, Environmental Health Criteria 70. World Health Organization, Geneva
WHO (1991): Strategies for assessing the safety of foods produced by biotechnology, Report of a Joint FAO/WHO Consultation. World Health Organization, Geneva
WHO (1993): Health aspects of marker genes in genetically modified plants, Report of a WHO Workshop. World Health Organization, Geneva
WHO (1995): Application of the principle of substantial equivalence to the safety evaluation of foods or food components from plants derived by modern biotechnology, Report of a WHO Workshop. World Health Organization, Geneva
Gibson, D. G.; Glass, J. I.; Lartigue, C.; Noskov, V. N.; Chuang, R.-Y.; Algire, M. A.; Benders, G. A.; Montague, M. G. και άλλοι. (2010). «Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome». Science 329 (5987): 52–6. doi:10.1126/science.1190719. PMID 20488990.
Sample, Ian (20 May 2010). «Craig Venter creates synthetic life form». London: guardian.co.uk.
James, Clive (2012). «Global Status of Commercilized Biotech/GM Crops:2012». ISSA Brief No. 44.
Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. (2002). «8». Isolating, Cloning, and Sequencing DNA. (4th έκδοση). Garland Science.
R I Kaufman and B T Nixon (1996). «Use of PCR to isolate genes encoding sigma54-dependent activators from diverse bacteria». J Bacteriol 178 (13): 3967–3970. PMID 8682806.
Liang, Jing; Luo, Yunzi; Zhao, Huimin (2011). «Synthetic biology: Putting synthesis into biology». Wiley Interdisciplinary Reviews: Systems Biology and Medicine 3: 7. doi:10.1002/wsbm.104.
Berg, P.; Mertz, J. E. (2010). «Personal Reflections on the Origins and Emergence of Recombinant DNA Technology». Genetics 184 (1): 9–17. doi:10.1534/genetics.109.112144. PMID 20061565.
Townsend JA, Wright DA, Winfrey RJ, et al. (May 2009). «High-frequency modification of plant genes using engineered zinc-finger nucleases». Nature 459 (7245): 442–5. doi:10.1038/nature07845. PMID 19404258. Bibcode: 2009Natur.459..442T.
Shukla VK, Doyon Y, Miller JC, et al. (May 2009). «Precise genome modification in the crop species Zea mays using zinc-finger nucleases». Nature 459 (7245): 437–41. doi:10.1038/nature07992. PMID 19404259. Bibcode: 2009Natur.459..437S.
Grizot S, Smith J, Daboussi F, et al. (September 2009). «Efficient targeting of a SCID gene by an engineered single-chain homing endonuclease». Nucleic Acids Res. 37 (16): 5405–19. doi:10.1093/nar/gkp548. PMID 19584299.
Gao H, Smith J, Yang M, et al. (January 2010). «Heritable targeted mutagenesis in maize using a designed endonuclease». Plant J. 61 (1): 176–87. doi:10.1111/j.1365-313X.2009.04041.x. PMID 19811621.
Πρόκειται για πρωτεΐνες που παράγονται από το βακτήριο Xanthomonas, όταν προσβάλλει ορισμένα φυτικά είδη.
Christian M, Cermak T, Doyle EL, et al. (July 2010). «TAL Effector Nucleases Create Targeted DNA Double-strand Breaks». Genetics 186 (2): 757–61. doi:10.1534/genetics.110.120717. PMID 20660643.
Li T, Huang S, Jiang WZ, et al. (August 2010). «TAL nucleases (TALNs): hybrid proteins composed of TAL effectors and FokI DNA-cleavage domain». Nucleic Acids Res 39 (1): 359–72. doi:10.1093/nar/gkq704. PMID 20699274.
S.C. Ekker (2008). «Zinc finger-based knockout punches for zebrafish genes». Zebrafish 5 (2): 1121–3. doi:10.1089/zeb.2008.9988. PMID 18554175.
Geurts AM, Cost GJ, Freyvert Y, et al. (July 2009). «Knockout rats via embryo microinjection of zinc-finger nucleases». Science 325 (5939): 433. doi:10.1126/science.1172447. PMID 19628861. Bibcode: 2009Sci...325..433G.
Chen I, Dubnau D (2004). «DNA uptake during bacterial transformation». Nat. Rev. Microbiol. 2 (3): 241–9. doi:10.1038/nrmicro844. PMID 15083159.
Graham Head; Hull, Roger H; Tzotzos, George T. (2009). Genetically Modified Plants: Assessing Safety and Managing Risk. London: Academic Pr, σελ. 244. ISBN 0-12-374106-8.
Gelvin, S. B. (2003). «Agrobacterium-Mediated Plant Transformation: The Biology behind the "Gene-Jockeying" Tool». Microbiology and Molecular Biology Reviews 67 (1): 16–37, table of contents. doi:10.1128/MMBR.67.1.16-37.2003. PMID 12626681.
Behrooz Darbani, Safar Farajnia, Mahmoud Toorchi, Saeed Zakerbostanabad, Shahin Noeparvar and C. Neal Stewart Jr. (2010). «DNA-Delivery Methods to Produce Transgenic Plants». Science Alert.
Hohn, Barbara; Levy, Avraham A; Puchta, Holger (2001). «Elimination of selection markers from transgenic plants». Current Opinion in Biotechnology 12 (2): 139–43. doi:10.1016/S0958-1669(00)00188-9. PMID 11287227.
Πρόκειται για τεχνική που επιτρέπει την ταυτοποίηση μιας συγκεκριμένης αλληλουχίας DNA σε δείγμα. Αποκαλείται, επίσης, και southern blot
Esvelt, KM.; Wang, HH. (2013). «Genome-scale engineering for systems and synthetic biology». Mol Syst Biol 9: 641. doi:10.1038/msb.2012.66. PMID 23340847.
Tan, WS.; Carlson, DF.; Walton, MW.; Fahrenkrug, SC.; Hackett, PB. (2012). «Precision editing of large animal genomes». Adv Genet. Advances in Genetics 80: 37–97. doi:10.1016/B978-0-12-404742-6.00002-8. ISBN 9780124047426. PMID 23084873.
John C. Avise (2004). The hope, hype & reality of genetic engineering: remarkable stories from agriculture, industry, medicine, and the environment. Oxford University Press US, σελ. 22. ISBN 978-0-19-516950-8.
(10 December 2012) Engineering algae to make complex anti-cancer 'designer' drug PhysOrg, Retrieved 15 April 2013
National Institute of Allergies and Infectious Diseases. «Vaccine Types». national Institute of Health.
Rodriguez, Luis L.; Grubman, Marvin J. (2009). «Foot and mouth disease virus vaccines». Vaccine 27: D90–4. doi:10.1016/j.vaccine.2009.08.039. PMID 19837296.
Roque AC, Lowe CR, Taipa MA. (2004). «Antibodies and genetically engineered related molecules: production and purification». Biotechnol Proress 20 (3): 639–54. doi:10.1021/bp030070k. PMID 15176864.
Coghlan, Andy (26 March 2013) Gene therapy cures leukaemia in eight days The New Scientist, Retrieved 15 April 2013
Coghlan, Andy (10 February 2013) Liver cancer survival time tripled by virus New Scientist, Retrieved 15 April 2013
«Background: Cloned and Genetically Modified Animals». Center for Genetics and Society. 14 April 2005.
«Knockout Mice». Nation Human Genome Research Institute. 2009.

«GM pigs best bet for organ transplant». Medical News Today. 21 September 2003.

Στο λήμμα αυτό έχει ενσωματωθεί κείμενο από το λήμμα Genetic engineering της Αγγλικής Βικιπαίδειας, η οποία διανέμεται υπό την GNU FDL και την CC-BY-SA 3.0. (ιστορικό/συντάκτες).

Εγκυκλοπαίδεια Βιολογίας

Κόσμος

Αλφαβητικός κατάλογος

Hellenica World - Scientific Library

Από τη ελληνική Βικιπαίδεια http://el.wikipedia.org . Όλα τα κείμενα είναι διαθέσιμα υπό την GNU Free Documentation License