Генетично модифікований організм

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Флуоресцентні генно-модифіковані рибки

Генетично модифікований організм (ГМО) це організм, генотип якого було змінено за допомогою методів генної інженерії. Генетичні зміни, як правило, здійснюються в наукових та сільськогосподарських цілях. Генетична модифікація відрізняється від природного та штучного мутагенезу саме направленою зміною генотипу. При цьому генетичний матеріал переносять з одного організму в інший, використовуючи технологію рекомбінантних ДНК . Якщо при цьому ДНК, яку переносять, походить з іншого виду, отримані організми називають трансгенними.

Отримання[ред.ред. код]

Основні етапи створення ГМО:

1. Отримання ізольованого гена.
2. Введення гена у ДНК-вектор.
3. Перенесення вектора з геном в організм, що модифікують (процес трансформації).
4. Експресія генів у трансформованій клітині.
5. Відбір (селекція) трансформованого біологічного матеріалу (клону) від нетрансформованого.

Отримати необхідний ген можна як з природного джерела (геному), так і з геномної бібліотеки. Він може бути отриманий і хімічним (за наявності відповідної послідовності нуклеотидів) чи ферментативним (використання механізму зворотньої транскрипції) шляхами. На сьогоднішній день процес штучного (хімічного) синтезу генів є рутинною справою. Здійснюється такий процес за допомогою компютеризованих пристроїв, що продукують різні послідовності ДНК довжиною 100 — 140 пар нуклеотидів (олігонуклеотиди). Ще одним методом отримання чи накопичення потрібної послідовності ДНК є ПЛР.

Щоб вбудувати ген у вектор, використовують ферментирестриктази та лігази. За допомогою рестриктаз векторна ДНК розрізається в певних ділянках і вбудовується необхідний ген. Зшивається дана конструкція за допомогою лігази.

Техніка введення генів у бактерії була розроблена після того, як Фредерік Гріффіт відкрив явище бактеріальної трансформації. В основі цього явища лежить примітивний статевий процес, який у бактерій супроводжується обміном невеликими фрагментами нехромосомної ДНК, плазмідами. Плазмідні технології лягли в основу введення штучних генів в бактеріальні клітини. Для введення готового гена у спадковий апарат клітин рослин та тварин використовують процес трансфекції.

Якщо модифікації піддаються одноклітинні організми або культури клітин багатоклітинних, то на цьому етапі починається клонування, тобто відбір тих організмів та їхніх нащадків (клонів), які піддалися модифікації. В якості реципієнтів , в геном котрих вбудовують чужорідні гени, використовують ембріональні клітини ссавців, деяких рослин, дрозофіли, протопласти рослин, мікроспори, зародки рослин та ін. Перенесення потрібних генів в межах вектору можливо здійснити за допомогою декількох методів, таких як:

1. Мікроін'єкція. За допомогою мікроголки та маніпулятора в клітину, або безпосередньо в ядро, вводиться векторна ДНК. В основному метод використовують для модифікації дрозофіл та рослин.
2. Електропорація. Рослинні протопласти чи тваринні клітини оброблюють імпульсами електричного поля високої напруги, що збільшує проникненість мембрани на деякий час. За цей період чужорідна ДНК проникає крізь утворені пори.
3. Транспорт ДНК в складі ліпосоми. В даному випадку використовується властивість ліпосом зливатись з клітинною мембраною, або поглинатись клітиною, як у випадку ендоцитозу. В самій клітині відбувається руйнування ліпосоми та вивільнення привнесеної ДНК. Метод використовується як для трансформації тваринних клітин, так і рослинних (протопластів).
4. Бомбардування мікрочастинками (метод балістичної трансформації). Для цього використовують частинки золота чи вольфрама розміром 0,3 - 0,6 мкм. На їх поверхні закріплюється векторна ДНК. Готові частинки заряджають у "генну пушку" та здійснюють обстріл клітин під високим тиском, або під електричним розрядом. Даний метод широко використовують для трансформації однодольних чи хвойних рослин. Бомбардування використовують при генотерапії.
5. Використання бактерії Agrobacterium tumefaciens (використання природних форм переносу генів) чи здатність лентивірусів переносити гени в клітини тварин.

[1] [2] [3]

Історія[ред.ред. код]

Історія ГМО починається в 1970-ті роки, коли формується нова галузь науки — генетична інженерія. Перші рекомбінантні бактерії було створено у 1973; це була вже існуюча бактерія E. coli, яка експресувала ген Сальмонелли.[4] Вчені з самого початку усвідомлювали, що потрібно враховувати можливі ризики та етичні проблеми, пов'язані з використанням нової технології. У лютому 1975 року понад 100 вчених зібралися у Каліфорнії на Асиломарській конференції, де був прийнятий мораторій на дослідження в області генної інженерії, поки не будуть оцінені можливі ризики її використання.[5][6] Після накладання мораторію дослідження все одно продовжувалися, але в значно менших масштабах і з жорсткішим регулюванням. У 1975 році Герберт Бойєр заснував першу компанію, яка використовувала технологію рекомбінантних ДНК — Genentech, і у 1978 компанія оголосила про створення лінії E. coli, яка виробляє людський білок інсулін.[7]

Всі випадки використання ГМО широко обговорювалися у пресі. У 1986 році полеміка розгорнулася навколо застосування створених за допомогою генної інженерії («ice-minus» бактерій). Вихідна бактерія живе на багатьох рослинах, роблячи їх чутливими до заморозків, оскільки білок, який вона виділяє, сприяє утворенню кристалів льоду на рослинах. За допомогою генної інженерії були отримані так звані «ice-minus» бактерії, у яких видалений ген, що кодує цей білок. Мета полягала у тому, щоб розбризкуючи суспензію цих бактерій на рослини, зробити їх стійкішими до заморозків. Розгорнулася широка полеміка щодо того, наскільки небезпечним є вивільнення ГМО в навколишнє середовище, проте зрештою дозвіл було отримано. Після цього випадку правила стали більш чіткими і зменшилися обмеження на використання ГМО Лінії ГМО, призначені для комерційного використання, в США у 80ті роки почали перевірятися такими державними структурами як NIH (Національний інститут здоров'я) та FDA (Управління по контролю за якістю харчових продуктів, медикаментів та косметичних препаратів) . Після того, як була доведена безпечність їх застосування, ці лінії організмів отримали допуск на ринок.[8][9][10]

Широко застосовуватися комерційне культивування ГМО почало в середині 1990-х. З того часу їх використання зростає з кожним роком.

Використання[ред.ред. код]

ГМО використовують в біологічних та медичних дослідженнях, виробництві ліків, генній терапії та у сільському господарстві. За допомогою ГМО вивчаються закономірності розвитку деяких захворювань, процеси старіння та регенерації. Генну інженерію використовують для створення нових сортів рослин, стійких до несприятливих умов середовища, гербіцидів та шкідників або рослин, що мають покращені ростові та смакові якості. Згідно з Міжнародною службою з придбання агро-біотехнічних розробок (ISAAA), у 2010 приблизно 15 мільйонів фермерів вирощували генетично модифіковані культури у 29 країнах. Загальна комерційна цінність біотехнологічних культур, вирощених у 2008 році була оцінена у 130 мільярдів доларів. Найбільше вирощують генетично модифіковану сою, кукурудзу та бавовну. Не менш широко використовують трансгенних тварин. У лютому 2009 FDA схвалила перші біологічні ліки з ГМ тварини кози. Препарат, ATryn, є антикоагулянт ом, який знижує імовірність утворення тромбів під час хірургічного втручання при народженні дитини. Його екстрагують з козячого молока.[11]

Виявлення та регулювання наявності ГМО[ред.ред. код]

Виявлення ГМО у їжі здійснюється шляхом застосування таких технологій, як ДНК-мікрочіп та метод ПЛР. Основними елементами скринінгу можуть слугувати такі послідовності, як 35S промотор, Nos термінатор, pat чи маркерні ДНК послідовності для офіційно затверджених та схвалених для споживання ГМО (Mon810, Bt11, GT73 та ін.). [12] Важливим моментом під час поширення та комерціалізації ГМО на світовому ринку є маркування продуктів із вмістом ГМО. Маркування може бути обов'язковим чи добровільним. У Канаді та США маркування є добровільним[13] , тоді як у Європі всі продукти, які містять більше ніж 0.9% схвалених до використання ГМО мають маркуватися. В Україні маркуванню підлягають не тільки продукти отримані з ГМО, а також харчові добавки, отримані за допомогою ГМО. Крім того, Україна стала першою державою у світі, яка зобов'язала виробників та імпортерів харчових продуктів вказувати позначення «без ГМО» в маркуванні всіх, без винятку, харчових продуктів, навіть тих, у яких ГМО не може бути ні теоретично, ні практично.

Трансгенні мікроорганізми[ред.ред. код]

Бактерії були першими організмами, генетично модифікованими у лабораторії[14] На сьогодні їх використовують для різних цілей, з яких надзвичайно важливою є виробництво великої кількості людських білків, які можуть використовуватися у медицині.[15]

Наприклад,генетично модифіковані бактерії використовують для виробництва людського інсуліну.[16] Також бактерії використовують для виробництва факторів згортання крові для лікування гемофілії,[17][18][19]

Трансгенні тварини[ред.ред. код]

Один з перших успішних експериментів по створенню трансгенних тварин було проведено на мишах. В геном миші було вбудовано ген, що кодує гормон росту пацюка, з'єднаний з сильним промотором, який стимулювався, якщо в раціоні мишей були наявні важкі метали. В результаті при годуванні важкими металами ці миші росли в два рази швидше за нетрансгенних мишей і досягали вдвічі більших розмірів. На сьогоднішній день при створенні трансгенних тварин застосовують 5 методів:

  • введення ДНК у яйцеклітину
  • введення ДНК у стовбурові клітини
  • введення ДНК за допомогою векторів на основі вірусів
  • трансфекцію
  • введення ДНК за допомогою ліпосом

Один з найперспективніших напрямків генної інженерії — «вирощування ліків на фермі» — отримання з молока трансгенних тварин великої кількості рідкісних або дорогих білків, що застосовуються у медицині. Не всі білки можна отримати з бактерій, оскільки іноді для їх експресії потрібна укладка або модифікація, можлива лише з використанням апарату, який є тільки у ссавців. На сьогоднішній день одним з найвдаліших підходів до отримання таких білків — використання молока трансгенних тварин . Цей підхід з великим комерційним успіхом використовується компанією PPL Pharmaceuticals, заснованою у 1987 році в Единбурзі для виробництва альфа-1-антитрипсина. Це білок, що міститься в крові людини. Мутація в гені, що кодує цей білок, призводить до неконтрольованої активності еластази і в кінцевому рахунку до емфіземи легень. Зараз ген, що кодує альфа-1-антитрипсин, вбудований у геном вівці, його отримують з молока (він становить близько 50% загальної кількості білка, що присутній у молоці) і використовують як препарат для лікування емфіземи. [20] Зараз компанія «PPL Pharmaceuticals» працює над програмою виробництва генноінженерного фібриногену . Його планують використовувати як клей для з'єднання тканин після хірургічних операцій . У березні 2011 вдалося експресувати рекомбінантний людський лізоцим у молоці великої рогатої худоби.[21] Один з інших напрямків у створенні трансгенних тварин — прискорення їх росту та інших якостей, важливих для господарства. Наприклад, у геном лосося ввели ген, що кодує гормон росту бельдюги, який активує гормон росту лосося. Такий лосось ріс у 10 разів швидше ніж звичайний і його вага у 30 разів перевищувала норму.[22]

У 2010 році вчені створили у лабораторії комарів, стійких до малярії.[23][24][25] Трансгенних мишей використовують для вивчення різноманітних хвороб та фундаментальних досліджень з молекулярної та клітинної біології. У 1999 вчені з Університету Guelph в Онтаріо (Канада) створили генетично модифікованих свиней Enviropig. Вони втрачають на 30 −70.7% менше фосфору з екскрементами ніж звичайні свині.[26] У 2009 японські вчені повідомили, що їм вдалося перенести ген у один з видів приматів — мармозетки. Таким чином вперше було створено першу стабільну трансгенну лінію приматів.[27][28] В них планують досліджувати хворобу Паркінсона, але також розглядають можливість дослідження аміотрофічного латерального склерозу та хвороби Гантінгтона .[29] У 2011 році дослідникам з Китаю вдалося перенести у геном корів людські гени та отримати корів, що виробляють молоко з такими ж властивостями як молоко людини.[30]

Трансгенні рослини[ред.ред. код]

Генетично модифіковані рослини - це рослини, ДНК яких модифіковане шляхом застосування генетично інженерних методів. Основною ціллю створення ГМ рослин є представлення нових сортів із специфічними ознаками, які не притаманні для рослин цього виду. Прикладом таких ознак можуть бути стійкість до різного роду гербіцидів, шкідників, стійкість до несприятливих умов зовнішнього середовища (солестікість, засухостійкість тощо) чи набуття нових якостей харчового значення. Найпоширенішими методами, які дозволяють здійснити привнесення чужорідної ДНК-конструкції в геном рослини, є біолістичний метод та використання Ті-плазміди від Agrobacterium tumefaciens. Під час біолістичного методу використовуються золоті або вольфрамові частинки (носії) діаметром 0,4 - 1,2 мкм із закріпленою на них специфічною ДНК-конструкцією. Такими частинками здійснюється "обстріл" під високим тиском рослинної тканини чи поодиноких клітин. Таким чином, носії проникають в середину клітини. Цей метод був успішно використаний для багатьох сільськогосподарських культур. Особливо метод біолістики ефективно використовується при модифікуванні однодольних рослин, таких як пшениця, кукурудза та ін. Для трансформування дводольних рослин найчастіше використовують агробактеріальну трансформацію, розроблену на основі природного процесу. Ґрунтова бактерія A. tumefaciens здатна інфікувати дводольні рослини, викликаючи утворення пухлин - "корончасті галли". Під час інфікування відбувається вбудовування в геном рослинної клітини специфічного сегменту бактеріальної плазмідної ДНК - Т-ДНК (від англ. transferred DNA). Т-ДНК - частина плазміди, яка індукує розвиток пухлини; її несуть більшість штамів A. tumefaciens. Під час інфікування агробактерією рослинної клітини транспортування Т-ДНК відбувається за тим же принципом, що й у випадку перенесення плазмідної ДНК з донорської клітини до реципієнтної під час процесу кон'югації.

Історія[ред.ред. код]

Перше повідомлення про успішне створення ГМ рослини з’явилося у 1983 році, де описувалось перенесення гену стійкості до комах у рослини тютюну [31]. Першими ГМ рослинами, дозволеними для харчування людини, були FlavrSavr томати, створені каліфорнійською компанією Calgene. Ці томати мали покращену здатність до зберігання завдяки гену полігалактуронази[32]. Вперше вони були комерціалізовані 1994 року в США. Станом на 2009 рік, через 15 років після початку комерціалізації, трансгенні рослини вирощувалися вже на 134 млн га (9% від загальних 1,5 млрд га світових площ сільськогосподарських земель). Зараз трансгенні рослини вирощують у 25 країнах, в яких проживає 3,6 млрд або 54% світового населення. Шість країн з найбільшими площами вирощування генетично модифікованих культур – це США (64,0 млн га), Бразилія (21,4 млн га), Аргентина (21,3 млн га), Індія (8,4 млн га), Канада (8,2 млн га), та Китай (3,7 млн га). Решта 7 млн га площ посівів трансгенних рослин припадають на 19 інших країн світу. З 1996 по 2009 рр. світові площі, на яких вирощуються ГМ рослини, зросли у 80 разів. Станом на 2009 рік ще у 32 країнах такі рослини були дозволені для ввезення та використання у якості продуктів харчування для людини і тварин [33].

Міжнародна база ГМО[ред.ред. код]

На сайті International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications (ISAAA) поданий міжнародний список ГМО 319 харчових рослин, в які у будь-який час у будь-якому місці світу були додані чужі гени.

Див. також[ред.ред. код]

Посилання[ред.ред. код]

  1. Johnston SA, Tang DC Gene gun transfection of animal cells and genetic immunization // Methods in Cell Biology, Pt A (1994) С. 353–365. — PMID:7823871.
  2. Lee LY, Gelvin SB T-DNA binary vectors and systems // Plant Physiol., 146 (February 2008) (2) С. 325–332. — DOI:10.1104/pp.107.113001. — PMID:18250230.
  3. Park F Lentiviral vectors: are they the future of animal transgenesis? // Physiol. Genomics, 31 (October 2007) (2) С. 159–173. — DOI:10.1152/physiolgenomics.00069.2007. — PMID:17684037.
  4. Cohen Stanley N., Chang, Annie C.Y.; Boyer, Herbert W.; Helling, Robert B. Construction of Biologically Functional Bacterial Plasmids In Vitro // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 70 (1973) (11) С. 3240–3244. — DOI:10.1073/pnas.70.11.3240. — PMID:4594039.
  5. Berg Paul, Baltimore, David; Brenner, Sydney; Roblin III, Richard O.; Singer, Maxine F. Summary statement of the Asilomar Conference on recombinant DNA molecules // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 72 (1975) (6) С. 1981–4. — DOI:10.1073/pnas.72.6.1981. — PMID:806076., also Science 188, p. 991 (1975).
  6. «Guidelines for research involving recombinant DNA molecules». Federal Register 41 (131) (U.S. Government Printing Office). 1976. с. 27911–27943. OCLC 43751041. 
  7. Genentech (6 September 1978). "The insulin synthesis is the first laboratory production DNA technology". Прес-реліз. Переглянутий 7 January 2009.
  8. WHO (1987): Principles for the Safety Assessment of Food Additives and Contaminants in Food, Environmental Health Criteria 70. World Health Organization, Geneva
  9. WHO (1991): Strategies for assessing the safety of foods produced by biotechnology, Report of a Joint FAO/WHO Consultation. World Health Organization, Geneva
  10. WHO (1993): Health aspects of marker genes in genetically modified plants, Report of a WHO Workshop. World Health Organization, Geneva
  11. Erickson, Britt (10 February 2009). «FDA Approves Drug From Transgenic Goat Milk». Chemical & Engineering News. Regulation 87 (7) (American Chemical Society, опубліковано 16 February 2009). с. 9. ISSN 1520-605X. OCLC 297639049. Архів оригіналу за 20 September 2009. Процитовано 20 September 2009. 
  12. Hamels, Sandrine; Leimanis, S.; Mazzara, M.; Bellocchi, G.; Foti, N.; and 3 additional values (2007). Microarray Method for the Screening of EU Approved GMOs by Identification of their Genetic Elements. JRC Scientific and Technical Reports (EUR 22935 EN). Joint Research Centre, European Commission of the European Union. Архів оригіналу за 24 September 2009. Процитовано 24 September 2009. 
  13. The Regulation of Genetically Modified Foods
  14. Melo Eduardo O., Canavessi, Aurea M. O.; Franco, Mauricio M.; Rumpf, Rodolpho Animal transgenesis: state of the art and applications // J. Appl. Genet., 48 (2007) (1) С. 47–61. — DOI:10.1007/BF03194657. — PMID:17272861. Архівовано з джерела 26 вересня 2009.
  15. Leader Benjamin, Baca, Qentin J.; Golan, David E. Protein therapeutics: a summary and pharmacological classification // Nat Rev Drug Discov, 7 (January 2008) (1) С. 21–39. — DOI:10.1038/nrd2399. — PMID:18097458.
    Leader 2008 — Fee required for access to full text.
  16. Walsh Gary Therapeutic insulins and their large-scale manufacture // Appl. Microbiol. Biotechnol., 67 (April 2005) (2) С. 151–159. — DOI:10.1007/s00253-004-1809-x. — PMID:15580495.
    Walsh 2005 — Fee required for access to full text.
  17. Pipe Steven W. Recombinant clotting factors // Thromb. Haemost., 99 (May 2008) (5) С. 840–850. — DOI:10.1160/TH07-10-0593. — PMID:18449413.
  18. Bryant Jackie Recombinant growth hormone for idiopathic short stature in children and adolescents // Cochrane Database Syst Rev, (2007) (3) С. CD004440. — DOI:10.1002/14651858.CD004440.pub2. — PMID:17636758.
    Bryant 2007 — Fee required for access to full text.
  19. Baxter L, Bryant J, Cave CB, Milne R Recombinant growth hormone for children and adolescents with Turner syndrome // Cochrane Database Syst Rev, (2007) (1) С. CD003887. — DOI:10.1002/14651858.CD003887.pub2. — PMID:17253498.
  20. Spencer L, Humphries, J; Brantly, M. Antibody Response to Aerosolized Transgenic Human Alpha1-Antitrypsin // New England Journal of Medicine, 352 (May 12, 2005) С. 19. Процитовано 28 April 2011.
  21. Yang B, Wang J, Tang B, Liu Y, Guo C, et al. Characterization of Bioactive Recombinant Human Lysozyme Expressed in Milk of Cloned Transgenic Cattle. // PLoS ONE, 6 (2011) (3). — DOI:10.1371/journal.pone.0017593. Процитовано 28 April 2011.
  22. Jun Du Shao, Zhiyuan Gong, Garth L. Fletcher, Margaret A. Shears, Madonna J. King, David R. Idler & Choy L. Hew Growth Enhancement in Transgenic Atlantic Salmon by the Use of an "All Fish" Chimeric Growth Hormone Gene Construct // Bio/Technology, 10 (1992) (2) С. 176–181. — DOI:10.1038/nbt0292-176. Процитовано 28 May 2009.
  23. Gallagher, James GM mosquitoes offer malaria hope BBC News, Health, 20 April 2011, Retrieved 22 April 2011
  24. doi:10.1371/journal.ppat.1001003
    This citation will be automatically completed in the next few minutes. You can jump the queue or expand by hand
  25. doi:10.1038/nature09937
    This citation will be automatically completed in the next few minutes. You can jump the queue or expand by hand
  26. Canada. «Enviropig — Environmental Benefits | University of Guelph». Uoguelph.ca. Архів оригіналу за 2013-06-25. Процитовано 2010-03-08. 
  27. doi:10.1038/nature08090
    This citation will be automatically completed in the next few minutes. You can jump the queue or expand by hand
  28. doi:10.1038/459515a
    This citation will be automatically completed in the next few minutes. You can jump the queue or expand by hand
  29. doi:10.1038/459492a
    This citation will be automatically completed in the next few minutes. You can jump the queue or expand by hand
  30. Classical Medicine Journal (2010-04-14). «Genetically modified cows producing human milk.». 
  31. Horsch R. B. et al. Inheritance of functional foreign genes in plants // Science. – 1984. – V. 223. – P.: 496–498.
  32. Smith C. J. et al. Inheritance and effect on ripening of antisense polygalacturonase genes in transgenic tomatoes // Plant Mol. Biol. – 1990. – V. 14. – P.: 369–379.
  33. B.V.Sorochinskii, O.M.Burlaka, V.D.Naumenko, A.S.Sekan. Unintended Effects of Genetic Modifications and Methods of their Analysis in Plants. // Cytol and Genet. - 2011. - V.45, No5. - pp. 324 - 332.