مهندسي ژنتيك ، اصلاح ژنتيكي يا دستكاري ژنتيكي نيز ناميده مي شود ، دستكاري مستقيم ژن هاي ارگانيسم با استفاده از بيوتكنولوژي است. اين مجموعه فناوري است كه براي تغيير تركيب ژنتيكي سلول ها استفاده مي شود ، از جمله انتقال ژن ها در داخل و مرزهاي گونه ها براي توليد ارگانيسم هاي بهبود يافته يا جديد. DNA جديد از طريق جداسازي و كپي كردن ماده ژنتيكي مورد علاقه با استفاده از روشهاي DNA نوتركيب يا سنتز مصنوعي DNA بدست مي آيد. معمولاً سازه اي براي قرار دادن اين DNA در ارگانيسم ميزبان ايجاد و استفاده مي شود. اولين مولكول DNA نوتركيب توسط پل برگ در سال 1972 با تركيب DNA از ويروس ميمون SV40 با ويروس لامبدا ساخته شد. علاوه بر قرار دادن ژن ها ، مي توان از اين فرآيند براي حذف يا "ناك اوت" كردن ژن ها استفاده كرد. DNA جديد را مي توان به طور تصادفي وارد كرد ، يا بخشي خاص از ژنوم را هدف قرار داد.
ارگانيزمي كه از طريق مهندسي ژنتيك توليد مي شود اصلاح شده ژنتيكي (GM) در نظر گرفته مي شود و موجوديت حاصل يك ارگانيسم اصلاح شده ژنتيكي (GMO) است. اولين GMO باكتري توليد شده توسط هربرت بوير و استنلي كوهن در سال 1973 بود. رودولف جائنيش اولين حيوان تراريخته را هنگامي كه DNA خارجي را در موش وارد كرد در سال 1974 ايجاد كرد. توليد پروتئين هاي انساني را آغاز كرد. انسولين انساني با مهندسي ژنتيك در سال 1978 و باكتري هاي سازنده انسولين در سال 1982 تجاري شدند. مواد غذايي اصلاح شده ژنتيكي با انتشار گوجه فرنگي Flavr Savr از سال 1994 به فروش مي رسد. Flavr Savr مهندسي شده است تا ماندگاري بيشتري داشته باشد ، اما بيشتر محصولات تراريخته فعلي براي افزايش مقاومت در برابر حشرات و علف كش ها اصلاح شده اند. GloFish ، اولين GMO طراحي شده به عنوان حيوان خانگي ، در دسامبر 2003 در ايالات متحده فروخته شد. در سال 2016 ماهي قزل آلا اصلاح شده با هورمون رشد به فروش رسيد.
مهندسي ژنتيك در زمينه هاي مختلفي از جمله تحقيقات ، پزشكي ، بيوتكنولوژي صنعتي و كشاورزي استفاده شده است. در تحقيق از GMO ها براي بررسي عملكرد و بيان ژن از طريق از دست دادن عملكرد ، افزايش عملكرد ، رديابي و آزمايش بيان استفاده مي شود. با ناك اوت كردن ژن هاي مسئول شرايط خاص ، مي توان ارگانيسم هايي از حيوانات را ايجاد كرد كه از بيماري هاي انساني استفاده مي كنند. مهندسي ژنتيك و همچنين توليد هورمون ها ، واكسن ها و ساير داروها ، توانايي درمان بيماري هاي ژنتيكي از طريق ژن درماني را دارد. همان تكنيك هايي كه براي توليد دارو استفاده مي شود مي تواند كاربردهاي صنعتي مانند توليد آنزيم هاي شوينده لباس ، پنيرها و ساير محصولات را نيز داشته باشد.
ظهور محصولات اصلاح شده ژنتيكي تجاري سود اقتصادي را براي كشاورزان در بسياري از كشورهاي مختلف فراهم كرده است ، اما همچنين منشأ بحث و جدال پيرامون اين فناوري بوده است. اين از زمان استفاده اوليه وجود داشته است. اولين آزمايشات ميداني توسط فعالان ضد GM تخريب شد. اگرچه يك توافق علمي وجود دارد كه غذاي موجود در حال حاضر از محصولات تراريخته خطر بيشتري براي سلامتي انسان نسبت به غذاي معمولي ندارد ، اما ايمني مواد غذايي GM نگراني اصلي منتقدان است. جريان ژن ، تأثير بر موجودات غير هدف ، كنترل تأمين غذا و حقوق مالكيت معنوي نيز به عنوان موضوعات بالقوه مطرح شده است. اين نگراني ها منجر به ايجاد يك چارچوب نظارتي شده است ، كه از سال 1975 آغاز شد. اين منجر به يك معاهده بين المللي ، پروتكل كارتاگنا در مورد ايمني زيستي شد ، كه در سال 2000 تصويب شد. كشورهاي جداگانه سيستم هاي نظارتي خود را در مورد GMO ها با اختلافات چشمگير بين ايالات متحده و اروپا وجود دارد.
بررسي اجمالي
مقايسه اصلاح نژاد گياهان معمولي با اصلاح ژنتيكي تراريخته و سيسژنيك
مهندسي ژنتيك فرايندي است كه با حذف يا معرفي DNA ، ساختار ژنتيكي ارگانيسم را تغيير مي دهد. مهندسي ژنتيك برخلاف اصلاح نژاد حيوانات و گياهان سنتي ، كه شامل چندين تلاقي و سپس انتخاب ارگانيسم با فنوتيپ مورد نظر است ، ژن را مستقيماً از يك ارگانيسم مي گيرد و به جاندار ديگر مي رساند. اين بسيار سريعتر است ، مي تواند براي قرار دادن هر ژن از هر ارگانيسم (حتي آنهايي كه از حوزه هاي مختلف است) استفاده شود و از افزودن ژن هاي نامطلوب ديگر نيز جلوگيري مي كند.
مهندسي ژنتيك مي تواند با جايگزيني ژن معيوب با يك ژن عامل ، اختلالات شديد ژنتيكي را در انسان برطرف كند. [4] اين يك ابزار مهم در تحقيقات است كه اجازه مي دهد عملكرد ژن هاي خاص مورد مطالعه قرار گيرد. [5] داروها ، واكسن ها و ساير محصولات از موجوداتي كه براي توليد آنها مهندسي شده اند ، برداشت شده است. [6] محصولاتي توليد شده اند كه با افزايش عملكرد ، ارزش غذايي و تحمل فشارهاي محيطي به امنيت غذايي كمك مي كنند. [7]
DNA مي تواند به طور مستقيم به ارگانيسم ميزبان يا به سلولي وارد شود كه سپس با ميزبان ذوب يا هيبريد شود. [8] اين امر به تكنيك هاي نوتركيب اسيد نوكلئيك براي ايجاد تركيبات جديدي از ماده ژنتيكي وراثتي و به دنبال آن اختلاط آن ماده يا به طور غيرمستقيم از طريق سيستم بردار يا مستقيماً از طريق تزريق خرد ، تزريق ماكرو يا كپسوله سازي ميكرو متكي است. [9]
مهندسي ژنتيك به طور معمول شامل پرورش سنتي ، لقاح آزمايشگاهي ، القاي پلي پلوئيدي ، جهش زايي و تكنيك هاي همجوشي سلول نيست كه از اسيدهاي نوكلئيك نوتركيب يا ارگانيسم اصلاح شده ژنتيكي در اين فرآيند استفاده نمي كنند. [8] با اين حال ، برخي از تعاريف گسترده مهندسي ژنتيك شامل پرورش انتخابي است. [9] شبيه سازي و تحقيقات سلول هاي بنيادي ، اگرچه مهندسي ژنتيك در نظر گرفته نمي شود ، [10] ارتباط تنگاتنگي دارند و مي توان از مهندسي ژنتيك در آنها استفاده كرد. [11] زيست شناسي مصنوعي يك رشته نوظهور است كه مهندسي ژنتيك را با وارد كردن مواد سنتز شده مصنوعي به ارگانيسم يك گام فراتر مي برد. [12] چنين DNA مصنوعي به عنوان سيستم اطلاعات ژنتيكي مصنوعي گسترش يافته و DNA هاچيموجي در اين زمينه جديد ساخته شده است.
گياهان ، حيوانات يا ميكروارگانيسم ها كه از طريق مهندسي ژنتيك تغيير كرده اند ، به عنوان موجودات اصلاح شده ژنتيكي يا GMO ناميده مي شوند. [13] اگر ماده ژنتيكي از گونه ديگري به ميزبان اضافه شود ، ارگانيسم حاصل تراريخته ناميده مي شود. اگر از مواد ژنتيكي از همان گونه يا از گونه اي كه مي تواند به طور طبيعي با ميزبان توليد مثل كند استفاده شود ، ارگانيسم حاصل سيزنيك ناميده مي شود. [14] اگر از مهندسي ژنتيك براي حذف مواد ژنتيكي از ارگانيسم هدف استفاده شود ، ارگانيسم حاصل از آن به عنوان يك ارگانيسم ناك اوت ناميده مي شود. [15] در اروپا اصلاح ژنتيكي با مهندسي ژنتيك مترادف است در حالي كه در ايالات متحده آمريكا و كانادا نيز مي توان از اصلاح ژنتيكي براي اشاره به روشهاي مرسوم تربيت استفاده كرد. [16] [17] [18]
تاريخ
مقاله اصلي: تاريخچه مهندسي ژنتيك
انسان ها هزاران سال از طريق پرورش انتخابي يا انتخاب مصنوعي ، ژنوم گونه ها را تغيير داده اند و اين در تضاد با انتخاب طبيعي است. اخيراً ، توليد جهش از توليد مواد شيميايي يا تابش براي توليد فركانس بالايي از جهش هاي تصادفي ، براي اهداف انتخابي استفاده كرده است. مهندسي ژنتيك به عنوان دستكاري مستقيم DNA توسط انسان در خارج از پرورش و جهش ها تنها از دهه 1970 وجود داشته است. اصطلاح "مهندسي ژنتيك" اولين بار توسط جك ويليامسون در رمان علمي تخيلي خود ، جزيره اژدها ، در 1951 منتشر شد [21] - يك سال قبل از تأييد نقش DNA در وراثت توسط آلفرد هرشي و مارتا چيس ، [22] و دو سال قبل جيمز واتسون و فرانسيس كريك نشان دادند كه مولكول DNA داراي ساختار مارپيچ دوتايي است - اگرچه مفهوم كلي دستكاري مستقيم ژنتيكي به صورت ابتدايي در داستان علمي تخيلي استنلي جي وينباوم در سال 1936 جزيره پروتئوس مورد بررسي قرار گرفت. [23] [24]
در سال 1974 رودولف جائنيش يك موش اصلاح شده ژنتيكي ايجاد كرد ، اولين حيوان GM.
در سال 1972 ، پل برگ اولين مولكول هاي DNA نوتركيب را با تركيب DNA از ويروس ميمون SV40 با ويروس لامبدا ايجاد كرد. [25] در سال 1973 هربرت بوير و استنلي كوهن اولين ارگانيسم تراريخته را با قرار دادن ژن هاي مقاومت به آنتي بيوتيك در پلاسميد باكتري اشريشيا كلي ايجاد كردند. [26] [27] يك سال بعد رودولف جائنيش با وارد كردن DNA خارجي به جنين خود موش تراريخته ايجاد كرد و آن را به عنوان اولين حيوان تراريخته در جهان تبديل كرد. [28] اين دستاوردها باعث ايجاد نگراني در جامعه علمي در مورد خطرات احتمالي ناشي از مهندسي ژنتيك شد ، كنفرانس Asilomar در 1975. يكي از توصيه هاي اصلي اين جلسه اين بود كه نظارت دولتي بر تحقيقات DNA نوتركيب بايد تا زمان ايمن بودن اين فناوري برقرار شود. [29] [30]
در سال 1976 Genentech ، اولين شركت مهندسي ژنتيك توسط هربرت بوير و رابرت سوانسون تاسيس شد و يك سال بعد اين شركت پروتئين انساني (سوماتوستاتين) را در E.coli توليد كرد. Genentech از توليد انسولين انساني با مهندسي ژنتيك در سال 1978 خبر داد. [31] در سال 1980 ، دادگاه عالي ايالات متحده در پرونده Diamond v. Chakrabarty حكم داد كه زندگي با تغيير ژنتيكي قابل ثبت است. [32] انسولين توليد شده توسط باكتري ها توسط سازمان غذا و دارو (FDA) در سال 1982 تأييد شد. [33]
در سال 1983 ، يك شركت بيوتكنولوژي ، علوم پيشرفته ژنتيك (AGS) براي محافظت از محصولات در برابر سرما از يخ منهاي گونه Pseudomonas syringae درخواست مجوز دولت ايالات متحده را براي انجام آزمايش هاي صحرايي كرد ، اما گروه هاي زيست محيطي و معترضان آزمايش هاي صحرايي را براي چهار سال به تأخير انداختند چالش هاي حقوقي. [34] در سال 1987 ، يخ منهاي سويه P. syringae اولين ارگانيسم اصلاح شده ژنتيكي (GMO) شد كه در هنگام پاشيدن يك مزرعه توت فرنگي و يك زمين سيب زميني در كاليفرنيا در محيط آزاد شد [35]. [36] شب قبل از وقوع آزمايش ها ، هر دو زمينه آزمايشي توسط گروه هاي فعال مورد حمله قرار گرفتند: "اولين سايت آزمايشي جهان ، اولين ردياب ميداني جهان را به خود جلب كرد". [35]
اولين آزمايشات صحرايي گياهان مهندسي ژنتيكي در سال 1986 در فرانسه و ايالات متحده انجام شد ، گياهان توتون و تنباكو براي مقاومت در برابر علف كش ها ساخته شده بودند. [37] جمهوري خلق چين اولين كشوري بود كه گياهان تراريخته را تجاري كرد و در سال 1992 توتون مقاوم به ويروس را معرفي كرد. [38] در سال 1994 ، كلژن به تأييد رسيد كه اولين غذاي اصلاح شده ژنتيكي را به صورت تجاري آزاد كند ، گوجه فرنگي Flavr Savr ، مهندسي شده براي ماندگاري بيشتر. [39] در سال 1994 ، اتحاديه اروپا تصويب كرد كه دخانيات مهندسي شده در برابر علف كش بروموكسينيل مقاوم باشد ، و اين محصول را اولين محصول مهندسي ژنتيكي در اروپا معرفي مي كند. [40] در سال 1995 ، Bt Potato توسط سازمان حفاظت محيط زيست پس از تأييد توسط FDA بي خطر مورد تأييد قرار گرفت و اين اولين محصول آفت كش است كه در ايالات متحده تأييد مي شود. [41] در سال 2009 ، 11 محصول تراريخته در 25 كشور به صورت تجاري توليد شد كه بزرگترين آنها از نظر مساحت ، ايالات متحده ، برزيل ، آرژانتين ، هند ، كانادا ، چين ، پاراگوئه و آفريقاي جنوبي بود. [42]
در سال 2010 ، دانشمندان در موسسه J. Craig Venter اولين ژنوم مصنوعي را ايجاد كردند و آن را وارد سلول خالي باكتري كردند. باكتري حاصل ، به نام آزمايشگاه مايكوپلاسما ، مي تواند پروتئين ها را تكثير و توليد كند. [43] [44] چهار سال بعد ، اين مرحله يك قدم جلوتر رفت ، وقتي باكتري توليد شد كه يك پلاسميد حاوي يك جفت باز منحصر به فرد را تكثير مي كند و اولين ارگانيسم ايجاد شده براي استفاده از الفباي ژنتيكي منبسط شده را ايجاد مي كند. [45] [46] در سال 2012 ، جنيفر دودنا و امانوئل شارپنتيه براي توسعه سيستم CRISPR / Cas9 همكاري كردند [47] [48] ، روشي كه مي تواند به راحتي و به طور خاص تغيير ژنوم تقريباً هر ارگانيسم را به كار برد. [49]
روند
مقاله اصلي: فنون مهندسي ژنتيك
واكنش زنجيره اي پليمراز ابزاري قدرتمند است كه در شبيه سازي مولكولي مورد استفاده قرار مي گيرد
ايجاد يك GMO يك فرآيند چند مرحله اي است. مهندسان ژنتيك ابتدا بايد انتخاب كنند ژني را كه مي خواهند به ارگانيسم وارد كنند. اين امر توسط آنچه براي ارگانيسم حاصل انجام مي شود هدايت مي شود و بر اساس تحقيقات قبلي ساخته شده است. براي تعيين ژن هاي بالقوه مي توان از صفحه هاي ژنتيكي استفاده كرد و براي شناسايي بهترين كانديداها از آزمايش هاي بعدي استفاده كرد. توسعه ريزآرايه ها ، رونوشت نويسي و تعيين توالي ژنوم يافتن ژن هاي مناسب را بسيار آسان كرده است. [50] شانس نيز نقش خود را ايفا مي كند. ژن آماده جمع شدن پس از آنكه دانشمندان متوجه رشد باكتري در حضور علف كش شدند كشف شد. [51]
جداسازي و شبيه سازي ژن
مرحله بعدي جداسازي ژن نامزد است. سلول حاوي ژن باز شده و DNA خالص مي شود. [52] ژن با استفاده از آنزيم هاي محدود كننده براي برش DNA به قطعات [53] يا واكنش زنجيره اي پليمراز (PCR) براي تقويت بخش ژني جدا مي شود. [54] سپس مي توان اين بخشها را از طريق الكتروفورز ژل استخراج كرد. اگر ژن انتخاب شده يا ژنوم ارگانيسم اهدا كننده به خوبي بررسي شده باشد ، ممكن است در حال حاضر از طريق كتابخانه ژنتيكي قابل دسترسي باشد. اگر توالي DNA شناخته شده باشد ، اما هيچ كپي از ژن در دسترس نباشد ، مي توان آن را نيز مصنوعي ساخت. [55] پس از جداسازي ، ژن به داخل يك پلاسميد پيوند داده مي شود و سپس به باكتري وارد مي شود. هنگامي كه باكتري تقسيم مي شود ، پلاسميد تكثير مي شود و اطمينان حاصل مي كند كه نسخه هاي نامحدود ژن در دسترس است. [56]
قبل از اينكه ژن به ارگانيسم هدف وارد شود ، بايد با ساير عناصر ژنتيكي تركيب شود. اينها شامل يك پروموتر و يك منطقه خاتمه دهنده هستند كه رونويسي را شروع و پايان مي دهند. يك ژن ماركر قابل انتخاب اضافه مي شود ، كه در بيشتر موارد مقاومت آنتي بيوتيكي ايجاد مي كند ، بنابراين محققان مي توانند به راحتي تعيين كنند كه سلول هايي با موفقيت تغيير شكل داده اند. ژن همچنين مي تواند در اين مرحله براي بيان بهتر يا اثربخشي اصلاح شود. اين دستكاري ها با استفاده از تكنيك هاي DNA نوتركيب ، مانند هضم محدود ، بستن و شبيه سازي مولكولي انجام مي شود. [57]
قرار دادن DNA در ژنوم ميزبان
مقاله اصلي: تحويل ژن
يك ژن تفنگ از بيولوژيك براي قرار دادن DNA در بافت گياه استفاده مي كند
تعدادي روش وجود دارد كه براي قرار دادن مواد ژنتيكي در ژنوم ميزبان استفاده مي شود. برخي از باكتري ها مي توانند DNA خارجي را اشغال كنند. اين توانايي را مي توان از طريق استرس در ساير باكتري ها ايجاد كرد (به عنوان مثال شوك حرارتي يا الكتريكي) ، كه باعث افزايش نفوذپذيري غشاي سلول به DNA مي شود. DNA گرفته شده مي تواند با ژنوم ادغام شود و يا به عنوان DNA خارج كروموزومي وجود داشته باشد. DNA به طور كلي با استفاده از تزريق ميكروكي درون سلولهاي حيواني قرار مي گيرد ، جايي كه مي توان از طريق پاكت هسته اي سلول مستقيماً به هسته يا با استفاده از ناقلين ويروسي تزريق كرد. [58]
ژنوم هاي گياهي را مي توان با روش هاي فيزيكي يا با استفاده از Agrobacterium براي انتقال توالي هاي ميزبان شده در بردارهاي دوتايي T-DNA مهندسي كرد. در گياهان DNA اغلب با استفاده از تغيير واسطه Agrobacterium وارد مي شود ، [59] با بهره گيري از توالي T-DNA Agrobacteriums كه امكان درج طبيعي مواد ژنتيكي را به سلولهاي گياهي مي دهد. [60] روشهاي ديگر شامل زيست شناسي است ، جايي كه ذرات طلا يا تنگستن با DNA پوشانده مي شوند و سپس به سلولهاي گياه جوان شليك مي شوند ، [61] و الكتروپوراسيون ، كه شامل استفاده از شوك الكتريكي براي غشاي سلول براي DNA پلاسميد قابل نفوذ است.
از آنجا كه تنها يك سلول منفرد با مواد ژنتيكي تبديل مي شود ، ارگانيسم بايد از آن سلول منفرد بازسازي شود. در گياهان اين كار با استفاده از كشت بافت انجام مي شود. [62] [63] در حيوانات لازم است اطمينان حاصل شود كه DNA درج شده در سلولهاي بنيادي جنيني وجود دارد. [64] باكتري ها از يك سلول منفرد تشكيل شده و از نظر كلوني توليد مثل مي كنند بنابراين بازسازي لازم نيست. از ماركرهاي قابل انتخاب براي تميز كردن سلولهاي تغيير شكل يافته از سلولهاي غيرقابل تغيير استفاده مي شود. اين نشانگرها معمولاً در ارگانيسم تراريخته وجود دارند ، اگرچه تعدادي استراتژي ايجاد شده است كه مي تواند نشانگر قابل انتخاب را از گياه تراريخته بالغ حذف كند. [65]
A. tumefaciens كه خود را به سلول هويج متصل مي كند
آزمايشات بيشتر با استفاده از PCR ، تركيبي از جنوب و تعيين توالي DNA براي تأييد وجود يك ارگانيسم در ژن جديد انجام شده است. [66] اين آزمايشات همچنين مي تواند محل كروموزومي و تعداد كپي ژن درج شده را تأييد كند. وجود ژن تضمين نمي كند كه در سطوح مناسب در بافت هدف بيان مي شود بنابراين روشهايي كه محصولات ژني (RNA و پروتئين) را جستجو و اندازه گيري مي كنند نيز استفاده مي شود. اينها شامل تركيبي از شمال ، كمي RT-PCR ، وسترن بلات ، ايمونوفلورسانس ، ELISA و تجزيه و تحليل فنوتيپي است. [67]
ماده ژنتيكي جديد مي تواند به طور تصادفي در داخل ژنوم ميزبان قرار گيرد يا به يك مكان خاص هدايت شود. تكنيك هدف گيري ژن از نوتركيبي همولوگ براي ايجاد تغييرات دلخواه در يك ژن درون زا خاص استفاده مي كند. اين تمايل دارد كه در يك فركانس نسبتاً كم در گياهان و حيوانات رخ دهد و به طور كلي نياز به استفاده از نشانگرهاي قابل انتخاب است. از طريق ويرايش ژنوم مي توان فراواني هدف گيري ژن را بسيار افزايش داد. در ويرايش ژنوم از نوكلئازهاي مهندسي شده مصنوعي استفاده مي شود كه وقفه هاي دو رشته اي مشخصي را در مكان هاي مورد نظر در ژنوم ايجاد مي كند و از مكانيسم هاي درون زاي سلول براي ترميم شكست ناشي از فرآيندهاي طبيعي نوتركيبي همولوگ و اتصال انتهايي غير همولوگ استفاده مي كند. چهار خانواده نوكلئاز مهندسي وجود دارد: مگانوكلئازها ، [68] [69] نوكلئازهاي روي انگشت ، [70] [71] نوكلئازهاي موثر مانند فعال كننده رونويسي (TALENs) ، [72] [73] و سيستم Cas9-guideRNA (سازگار از CRISPR). [74] [75] TALEN و CRISPR دو موردي هستند كه بيشتر مورد استفاده قرار مي گيرند و هركدام مزاياي خاص خود را دارند. [76] TALEN ها داراي ويژگي هدف بيشتري هستند ، در حالي كه طراحي CRISPR آسان تر و كارآمدتر است. [76] علاوه بر افزايش هدف يابي ژن ، مي توان از نوكلئازهاي مهندسي شده براي ايجاد جهش در ژن هاي درون زا كه يك ناك اوت ژني ايجاد مي كنند استفاده كرد. [77] [78]
برنامه هاي كاربردي
مهندسي ژنتيك در پزشكي ، تحقيقات ، صنعت و كشاورزي كاربرد دارد و مي تواند در طيف وسيعي از گياهان ، حيوانات و ميكروارگانيسم ها مورد استفاده قرار گيرد. باكتري ها ، اولين ارگانيسم هايي كه از نظر ژنتيكي اصلاح شده اند ، مي توانند DNA پلاسميدي را وارد كنند كه حاوي ژن هاي جديدي است كه براي داروها يا آنزيم هايي كه مواد غذايي و ساير بسترها را پردازش مي كنند ، كدگذاري مي كنند. [79] [80] گياهان براي محافظت از حشرات ، مقاومت به علف كش ها ، مقاومت در برابر ويروس ، تغذيه افزايش يافته ، تحمل فشارهاي محيطي و توليد واكسن هاي خوراكي اصلاح شده اند. [81] بيشتر GMO هاي تجاري گياهان زراعي مقاوم در برابر حشرات يا علف كش هستند. [82] از حيوانات اصلاح شده ژنتيكي براي تحقيق ، مدل سازي حيوانات و توليد محصولات كشاورزي يا دارويي استفاده شده است. حيوانات اصلاح شده ژنتيكي شامل حيواناتي هستند كه ژن آنها از بين رفته ، حساسيت بيشتري به بيماري ، هورمون براي رشد بيشتر و توانايي بيان پروتئين در شير آنها وجود دارد. [83]
دارو
مهندسي ژنتيك كاربردهاي زيادي در پزشكي دارد كه شامل توليد دارو ، ايجاد حيوانات مدل كه از شرايط انسان تقليد مي كنند و ژن درماني است. يكي از اولين كاربردهاي مهندسي ژنتيك توليد انبوه انسولين انساني در باكتري ها بود. [31] اين نرم افزار اكنون براي هورمون هاي رشد انساني ، هورمون هاي محرك فوليكول (براي درمان ناباروري) ، آلبومين انساني ، آنتي بادي هاي مونوكلونال ، فاكتورهاي ضد هموفيلي ، واكسن ها و بسياري از داروهاي ديگر اعمال شده است. [84] [85] هيبريدوموس موش ، سلول هايي كه براي ايجاد آنتي بادي هاي مونوكلونال با هم تركيب شده اند ، از طريق مهندسي ژنتيك براي ايجاد آنتي بادي هاي مونوكلونال انسان سازگار شده اند. [86] در سال 2017 ، مهندسي ژنتيك گيرنده هاي آنتي ژن كايمريك روي سلول هاي T خود بيمار توسط FDA ايالات متحده به عنوان درماني براي سرطان خون حاد لنفوبلاستيك تأييد شد. ويروس هايي با مهندسي ژنتيك در حال توليد هستند كه هنوز هم مي توانند مصونيت ايجاد كنند ، اما فاقد توالي عفوني هستند. [87]
مهندسي ژنتيك همچنين براي ايجاد مدل هاي حيواني بيماري هاي انساني استفاده مي شود. موش هاي اصلاح شده ژنتيكي متداول ترين مدل حيواني مهندسي شده ژنتيكي هستند. [88] آنها براي مطالعه و مدل سازي سرطان (نوع داخلي) ، چاقي ، بيماري هاي قلبي ، ديابت ، آرتروز ، سو abuse مصرف مواد ، اضطراب ، پيري و بيماري پاركينسون مورد استفاده قرار گرفته اند. [89] درمان هاي بالقوه را مي توان در برابر اين مدل هاي موش آزمايش كرد. همچنين خوك هاي اصلاح شده ژنتيكي با هدف افزايش موفقيت خوك در پيوند اعضاي بدن انسان تربيت شده اند. [90]
ژن درماني مهندسي ژنتيك انسان است ، به طور كلي با جايگزيني ژن هاي معيوب با ژن هاي موثر. تحقيقات باليني با استفاده از ژن درماني سوماتيك با چندين بيماري از جمله SCID مرتبط با X ، [91] لوسمي لنفوسيتي مزمن (CLL) ، [92] [93] و بيماري پاركينسون انجام شده است. [94] در سال 2012 ، Alipogene tiparvovec اولين درمان ژن درماني شد كه براي استفاده باليني مورد تاييد قرار گرفت. [95] [96] در سال 2015 از ويروسي براي قرار دادن يك ژن سالم در سلولهاي پوستي پسري كه از يك بيماري نادر پوستي ، اپيدرموليز بولوزا رنج مي برد ، استفاده شد تا رشد كند و سپس پوست سالم را روي 80 درصد از بدن پسر پيوند زد كه تحت تأثير آن قرار گرفت. بيماري. [97]
ژن درماني Germline منجر به وراثت هر تغييري مي شود ، كه نگراني هايي را در جامعه علمي ايجاد كرده است. [98] [99] در سال 2015 ، CRISPR براي ويرايش DNA جنين هاي غيرقابل دوام استفاده شد ، [100] [101] دانشمندان برجسته آكادمي هاي جهان را به درخواست توقف در مورد ويرايش هاي ژنوم انساني موروثي مورد استفاده قرار دادند. [102] همچنين اين نگراني وجود دارد كه اين فناوري نه تنها براي درمان بلكه براي بهبود ، اصلاح يا تغيير در شكل ظاهري ، سازگاري ، هوش ، شخصيت يا رفتار انسان نيز قابل استفاده باشد. [103] تمايز بين بهبود و تقويت نيز دشوار است. [104] در نوامبر 2018 ، He Jiankui اعلام كرد كه وي ژنوم هاي دو جنين انسان را ويرايش كرده است تا تلاش كند ژن CCR5 را كه براي گيرنده هايي كه HIV براي ورود به سلول ها استفاده مي كند ، كدگذاري كند. وي گفت كه دختران دوقلو ، لولو و نانا ، چند هفته قبل متولد شده اند. وي گفت كه دختران هنوز نسخه هاي كاربردي CCR5 را همراه با CCR5 معلول (موزاييك) به همراه دارند و هنوز در برابر HIV آسيب پذير هستند. اين اثر به طور گسترده اي به عنوان غيراخلاقي ، خطرناك و زودرس محكوم شد. [105] در حال حاضر ، اصلاح خط جوانه در 40 كشور ممنوع است. دانشمنداني كه اين نوع تحقيق را انجام مي دهند ، اغلب اجازه مي دهند جنين براي چند روز رشد كند ، بدون اينكه اجازه رشد به نوزاد را بدهد. [106]
محققان در حال تغيير ژنوم خوك ها براي رشد اندام هاي انساني جهت استفاده در پيوندها هستند. دانشمندان در حال ايجاد "محرك هاي ژني" ، تغيير ژنوم پشه ها براي مصونيت از مالاريا هستند و سپس به دنبال از بين بردن پشه هاي تغيير يافته ژنتيكي در كل جمعيت پشه ها به اميد از بين بردن بيماري هستند. [107]