Генетически модифицированный организм (ГМО) это организм, генотип которого был изменен с помощью методов генной инженерии. Генетические изменения, как правило, осуществляются в научных и сельскохозяйственных целях. Генетическая модификация отличается от естественного и искусственного мутагенеза именно направленной изменением генотипа. При этом генетический материал переносят из одного организма в другой, используя технологию рекомбинантных ДНК. Если при этом ДНК, переносимой, происходит из другого вида, полученные организмы называют трансгенными.

Получение

Основные этапы создания ГМО:

1. Получение изолированного гена.
2. Введение гена в ДНК-вектор.
3. Перенос вектора с геном в организм, модифицирующие (процесс трансформации).
4. Экспрессия генов в трансформированной клетке.
5. Отбор (селекция) трансформированного биологического материала (клона) от нетрансформированного.

Получить необходимый ген можно как из природного источника (генома), так и с геномной библиотеки. Он может быть получен и химическим (при наличии соответствующей последовательности нуклеотидов) или ферментативным (использование механизма обратной транскрипции) путями. На сегодняшний день процесс искусственного (химического) синтеза генов является рутинным делом. Осуществляется такой процесс с помощью компьютеризированных устройств, производят различные последовательности ДНК длиной 100 — 140 пар нуклеотидов (олигонуклеотиды). Еще одним методом получения или накопления нужной последовательности ДНК является ПЦР.

Чтобы встроить ген в вектор, используют ферменты — рестриктазы и лигазы. С помощью рестриктаз векторная ДНК разрезается в определенных участках и встраивается необходимый ген. Сшивается данная конструкция с помощью лигазы.

Техника введения генов в бактерии была разработана после того, как Фредерик Гриффит открыл явление бактериальной трансформации. В основе этого явления лежит примитивный половой процесс, который у бактерий сопровождается обменом небольшими фрагментами Нехромосомная ДНК, плазмиды. Плазмидные технологии легли в основу введения искусственных генов в бактериальные клетки. Для ввода готового гена в наследственный аппарат клеток растений и животных используют процесс трансфекции.

Если модификации подвергаются одноклеточные организмы или культуры клеток многоклеточных, то на этом этапе начинается клонирование, то есть отбор тех организмов и их потомков (клонов), подвергшихся модификации. В качестве реципиентов, в геном которых встраивают чужеродные гены, используют эмбриональные клетки млекопитающих, некоторых растений, дрозофилы, протопласты растений, микроспоры, зародыши растений и пр. Перенос нужных генов в пределах вектора возможно осуществить с помощью нескольких методов, таких как:

1. Микроинъекция. С помощью микроиглы и манипулятора в клетку, или непосредственно в ядро, вводится векторная ДНК. В основном метод используют для модификации дрозофил и растений.
2. Электропорация. Растительные протопласты или животные клетки обрабатывают импульсами электрического поля высокого напряжения, увеличивает проникненисть мембраны на некоторое время. За этот период чужеродная ДНК проникает через образованные поры.
3. Транспорт ДНК в составе липосомы. В данном случае используется свойство липосом сливаться с клеточной мембраной, или поглощаться клеткой, как в случае эндоцитоза. В самой клетке происходит разрушение липосомы и высвобождение привнесенной ДНК. Метод используется как для трансформации животных клеток, так и растительных (протопластов).
4. Бомбардировка микрочастицами (метод баллистической трансформации). Для этого используют частицы золота или вольфрама размером 0,3 — 0,6 мкм. На их поверхности закрепляется векторная ДНК. Готовые частицы заряжаются в "генную пушку" и осуществляют обстрелы клеток под высоким давлением, или под электрическим разрядом. Данный метод широко используют для трансформации однодольных или хвойных растений. Бомбардировка используют при генотерапии.
5. Использование бактерии Agrobacterium tumefaciens (использование природных форм переноса генов) или способность лентивирусов переносить гены в клетки животных.

История

История ГМО начинается в 1970-е годы, когда формируется новая отрасль науки — генетическая инженерия. Первые рекомбинантные бактерии была создана в 1973; это была уже существующая бактерия E. coli, которая экспрессировали ген Сальмонеллы. Ученые с самого начала понимали, что нужно учитывать возможные риски и этические проблемы, связанные с использованием новой технологии. В феврале 1975 более 100 ученых собрались в Калифорнии на Асиломарський конференции, где был принят мораторий на исследования в области генной инженерии, пока не будут оценены возможные риски ее использования. После наложения моратория исследования все равно продолжались, но в значительно меньших масштабах и с более жестким регулированием. В 1975 году Герберт Бойер основал первую компанию, которая использовала технологию рекомбинантной ДНК — Genentech, и в 1 978 компания объявила о создании линии E. coli, которая производит человеческий белок инсулин.

Все случаи использования ГМО широко обсуждались в прессе. В 1986 году полемика развернулась вокруг применения созданных с помощью генной инженерии («ice-minus" бактерий). Выходная бактерия живет на многих растениях, делая их чувствительными к заморозкам, поскольку белок, который она выделяет, способствует образованию кристаллов льда на растениях. С помощью генной инженерии были получены так называемые «ice-minus" бактерии, в которых удален ген, кодирующий этот белок. Цель заключалась в том, чтобы разбрызгивая суспензию этих бактерий на растения, сделать их более устойчивыми к заморозкам. Развернулась широкая полемика относительно того, насколько опасным является высвобождение ГМО в окружающую среду, однако в конечном итоге разрешение было получено. После этого случая правила стали более четкими и уменьшились ограничения на использование ГМО Линии ГМО, предназначенные для коммерческого использования, в США в 80-е годы начали проверяться такими государственными структурами как NIH (Национальный институт здоровья) и FDA (Управление по контролю за качеством пищевых продуктов , медикаментов и косметических препаратов). После того, как была доказана безопасность их применения, эти линии организмов получили допуск на рынок.

Широко применяться коммерческое культивирование ГМО начало в середине 1990-х. С тех пор их использования возрастает с каждым годом.

Использование

ГМО используют в биологических и медицинских исследованиях, производстве лекарств, генной терапии и в сельском хозяйстве. С помощью ГМО изучаются закономерности развития некоторых заболеваний, процессы старения и регенерации. Генную инженерию используют для создания новых сортов растений, устойчивых к неблагоприятным условиям среды, гербицидов и вредителей или растений, имеющих улучшенные ростовые и вкусовые качества. Согласно Международной службой по приобретению агро-биотехнических разработок (ISAAA), в 2010 примерно 15000000 фермеров выращивали генетически модифицированные культуры в 29 странах. Общая коммерческая ценность биотехнологических культур, выращенных в 2008 году была оценена в 130 000 000 000 долларов. Больше всего выращивают генетически модифицированную сою, кукурузу и хлопок. Не менее широко используют трансгенных животных. В феврале 2009 FDA одобрила первые биологические лекарства с ГМ животные козы. Препарат ATryn, является антикоагулянтом, который снижает вероятность образования тромбов во время хирургического вмешательства при рождении ребенка. Его экстрагируют из козьего молока.

Выявление и регулирования наличии ГМО

Выявление ГМО в пище осуществляется путем применения таких технологий, как ДНК-микрочип и метод ПЦР. Основными элементами скрининга могут служить такие последовательности, как 35S промотор, Nos терминатор, pat или маркерные ДНК последовательности для официально утвержденных и одобренных для потребления ГМО (Mon810, Bt11, GT73 и др.). Важным моментом во время распространения и коммерциализации ГМО на мировом рынке является маркировка продуктов с содержанием ГМО. Маркировка может быть обязательным или добровольным. В Канаде и США маркировки является добровольным, тогда как в Европе все продукты, содержащие более 0,9% одобренных к использованию ГМО имеют маркироваться. В Украине маркировке подлежат не только продукты полученные из ГМО, а также пищевые добавки, полученные с помощью ГМО. Кроме того, Украина стала первым государством в мире, которая обязала производителей и импортеров пищевых продуктов указывать обозначение "без ГМО" в маркировке всех, без исключения, пищевых продуктов, даже тех, в которых ГМО не может быть ни теоретически, ни практически.

Трансгенные микроорганизмы

Бактерии были первыми организмами, генетически модифицированными в лаборатории Сегодня их используют для различных целей, из которых чрезвычайно важна производство большого количества человеческих белков, которые могут использоваться в медицине.

Например, генетически модифицированные бактерии используют для производства человеческого инсулина. Также бактерии используют для производства факторов свертывания крови для лечения гемофилии,

Трансгенные животные

Один из первых успешных экспериментов по созданию трансгенных животных было проведено на мышах. В геном мыши было встроен ген, кодирующий гормон роста крысы, соединенный с сильным промотором, который стимулировался, если в рационе мышей имелись тяжелые металлы. В результате при кормлении тяжелыми металлами эти мыши росли в два раза быстрее нетрансгенних мышей и достигали вдвое больших размеров. На сегодняшний день при создании трансгенных животных применяют 5 методов:

  • введение ДНК в яйцеклетку
  • введение ДНК в стволовые клетки
  • введение ДНК с помощью векторов на основе вирусов
  • трансфекцию
  • введение ДНК с помощью липосом

Один из самых перспективных направлений генной инженерии — «выращивания лекарств на ферме» — получение из молока трансгенных животных большого количества редких или дорогих белков, применяемых в медицине. Не все белки можно получить из бактерий, поскольку иногда для их экспрессии нужна укладка или модификация, возможна только с использованием аппарата, который есть только у млекопитающих. На сегодняшний день одним из самых удачных подходов к получению таких белков — использование молока трансгенных животных. Этот подход с большим коммерческим успехом используется компанией PPL Pharmaceuticals, основанной в 1987 году в Эдинбурге для производства альфа-1-антитрипсина. Это белок, содержащийся в крови человека. Мутация в гене, кодирующем этот белок, приводит к неконтролируемой активности эластазы и в конечном счете к эмфиземе легких. Сейчас ген, кодирующий альфа-1-антитрипсина, встроенный в геном овцы, его получают из молока (он составляет около 50% общего количества белка, который присутствует в молоке) и используют в качестве препарата для лечения эмфиземы. Сейчас компания «PPL Pharmaceuticals» работает над программой производства генноинженерного фибриногена. Его планируют использовать как клей для соединения тканей после хирургических операций. В марте 2011 удалось экспрессировать рекомбинантный человеческий лизоцим в молоке крупного рогатого скота. Один из других направлений в создании трансгенных животных — ускорение их роста и других качеств, важных для хозяйства. Например, в геном лосося ввели ген, кодирующий гормон роста бельдюги, который активирует гормон роста лосося. Такой лосось рос в 10 раз быстрее, чем обычный и его вес в 30 раз превышала норму.

В 2010 году ученые создали в лаборатории комаров, устойчивых к малярии. Трансгенных мышей используют для изучения различных болезней и фундаментальных исследований по молекулярной и клеточной биологии. В 1999 ученые из Университета Guelph в Онтарио (Канада) создали генетически модифицированных свиней Enviropig. Они теряют на 30 -70.7% меньше фосфора с экскрементами чем обычные свиньи. В 2009 японские ученые сообщили, что им удалось перенести ген в один из видов приматов — мармозетки. Таким образом впервые была создана первая стабильную трансгенный линию приматов. В них планируют исследовать болезнь Паркинсона, но также рассматривают возможность исследования бокового амиотрофического склероза и болезни Хантингтона. В 2011 году исследователям из Китая удалось перенести в геном коров человеческие гены и получить коров, производящих молоко с такими же свойствами как молоко.

Трансгенные растения

Генетически модифицированные растения — это растения, ДНК которых модифицированное путем применения генетически инженерных методов. Основной целью создания ГМ растений является представление новых сортов со специфическими признаками, которые не присущи для растений этого вида. Примером таких признаков могут быть устойчивость к различного рода гербицидам, вредителям, устойчивость к неблагоприятным условиям внешней среды (солестикисть, засухоустойчивость и т.д.) или приобретение новых качеств пищевого значения. Наиболее распространенными методами, которые позволяют осуществить привнесения чужеродной ДНК-конструкции в геном растения, является биолистичний метод и использование Ти-плазмиды от Agrobacterium tumefaciens. Во время биолистичного метода используются золотые или вольфрамовые частицы (носители) диаметром 0,4 — 1,2 мкм с закрепленной на них специфической ДНК-конструкции. Такими частицами осуществляется "обстрел" под высоким давлением растительной ткани или отдельных клеток. Таким образом, носители проникают внутрь клетки. Этот метод был успешно использован для многих сельскохозяйственных культур. Особенно метод биолистикы эффективно используется при модифицировании однодольных растений, таких как пшеница, кукуруза и др. Для трансформации двудольных растений чаще всего используют агробактериальной трансформацию, разработанную на основе природного процесса. Почвенная бактерия A. tumefaciens способна инфицировать злаковые растения, вызывая образование опухолей — "корончатые галлы". Во время инфицирование происходит встраивания в геном растительной клетки специфического сегмента бактериальной плазмидной ДНК — Т-ДНК (от англ. Transferred DNA). Т-ДНК — часть плазмиды, которая индуцирует развитие опухоли; ее несут большинство штаммов A. tumefaciens. Во время инфицирования агробактерии растительной клетки транспортировки Т-ДНК происходит по тому же принципу, что и в случае переноса плазмидной ДНК из донорской клетки к реципиентного во время процесса конъюгации.

История

Первое сообщение об успешном создании ГМ растения появилось в 1983 году, где описывалось переноса гена устойчивости к насекомым в растения табака. Первыми ГМ растениями, разрешенными для питания человека, были FlavrSavr томаты, созданные калифорнийской компанией Calgene. Эти томаты должны улучшенную способность к хранению благодаря гену полигалактуроназы. Впервые они коммерциализировали 1994 года в США. По состоянию на 2009 год, через 15 лет после начала коммерциализации, трансгенные растения выращивались уже на 134 млн га (9% от общих 1500000000 га мировых площадей сельскохозяйственных земель). Сейчас трансгенные растения выращивают в 25 странах, в которых проживает 3600000000 или 54% мирового населения. Шесть стран с крупнейшими площадями выращивания генетически модифицированных культур — это США (64,0 млн га), Бразилия (21400000 га), Аргентина (21300000 га), Индия (8400000 га), Канада (8 , 2 млн га), и Китай (3700000 га). Остальные 7 млн ​​га площадей посевов трансгенных растений приходятся на 19 других стран мира. С 1996 по 2009 гг. Мировые площади, на которых выращиваются ГМ растения, выросли в 80 раз. По состоянию на 2009 год еще в 32 странах такие растения были разрешены для ввоза и использования в качестве продуктов питания для человека и животных.

Международная база ГМО

На сайте International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications (ISAAA) представлен международный список ГМО 319 пищевых растений, в которые в любое время в любом месте мира были добавлены чужие гены.

Видео по теме

Изображения по теме

  • Генетически модифицированный организм
  • Генетически модифицированный организм