הנדסה גנטית היא שינוי ישיר של גנום של יצור באמצעים ביוטכנולוגיים שפותחו בשנות ה-70 של המאה ה-20. עם זאת, כבר התקופות הפרהיסטוריות התערב האדם בגנומים של אורגניזמים, באמצעות ברירה מלאכותית (ובניגוד לברירה טבעית. בעת המודרנית בוצעה השבחה באמצעות מוטציות אקראיות, שנוצרו על ידי קרני X או ריאגנטים כימיים.
ה-DNA הרקומביננטי הראשון יוצר בשנת 1972 על ידי פול ברג, שאיחה בין DNA מהנגיף SV40 לבין DNA מהנגיף בקטריופאג' למדא. ב-1973 הרברט בויאר וסטנלי נורמן כהן לקחו את עבודתו של ברג צעד אחד קדימה, והכניסו את DNA הרקומביננטי שהכיל עמידות לאנטיביוטיקה לתוך תא חיידקי. שנה לאחר מכן הונדס בעלי החיים הראשון - רודולף יאניש יצר את העכבר הטרנסגני הראשון, באמצעות הכנסת DNA זר לתוך עובר.
הפיתוח של הנדסה גנטית הובילה לחששות בקהילה המדעית, שגילויים אלו טומנים בחובים פוטנציאלים מסוכנים. ב-1975 התאספו מדענים לכנס שבעקבותיו המליצו לקבוע תקנות המגדירות אמצעי זהירות שיש לנקוט בשימוש ב-DNA רקומביננטי או בתוצריו.
ב-1976 נוסדה החברה הראשונה שעסקה בהנדסה גנטית, Genentech על ידי בויאר ורוברט א. סוונסון , ושנה לאחר מכן יצרו את החלבון סומטוסטטין בחיידקי "Escherichia coli", וב-1978 יצרו אינסולין. אינסולין זה אושר לשימוש על ידי ה-FDA בשנת 1982.
בשנת 2010 הכריזו חוקרים ממכון קרייג ונטר על יצירת החיידק הסינתטי הראשון. בשנת 2012 פורסמה שיטת הקריספר, אשר הופכת את ההנדסה הגנטית לפשוטה ומדויקת יותר מאשר השיטות הקיימות.
יישומים.
היכולת להעביר תכונות מקבוצת יצורים אחת לקבוצה אחרת, הגדילה לאין שיעור את "בנק הגנים", העומד לרשות החוקרים והמטפחים. כך גם נפתחה הדרך לבצע באופן מלאכותי את מה שלעולם לא יוכל להתרחש בטבע. כבר היום מוקנית עמידות לצמחים באמצעות גנים שהוחדרו אליהם באמצעות חיידקים (כדוגמת אגרובקטריום). רעלן מסוים המופק על ידי גן שהוחדר לצמח משמש כקוטל חרקים. שיא המחקר עוסק בהחדרה של גנים מבני אדם לאורגניזמים אחרים, כדוגמת גן המייצר אינסולין.
בצמחים קל יותר לבצע מניפולציות גנטיות משום שצמח ניתן לשבט בקלות יחסית מתא בודד. אם לתא זה מוחדר גן מיצור אחר, במהלך ההתחלקות עובר הגן לכל תאי הצמח המתפתח, וכך נוצר צמח המצטיין בתכונות נוספות שהושתלו לתוכו בדרך מלאכותית. בבעלי חיים התהליך מסובך יותר.
גידולים חקלאיים ומזון מהונדס גנטית.
דוגמה בולטת למזון מהונדס גנטית הוא אורז זהוב, שהוא אורז מהונדס גנטית שמייצר בטא-קרוטן המומר בגוף לוויטמין A. דוגמאות נוספות ליישומים בגידולים בעלי חשיבות חקלאית וכלכלית שבוצעו בהם ניסויים (חלקם משווקים לצרכנים):
ריפוי גני.
מדענים וחוקרים מפתחים שיטות לריפוי גני - כולל החלפת גנים פגומים בגנים תקינים: הכרה והבנה של הגנום האנושי יובילו לעידן חדש של רפואה מולקולרית שבה יוכלו לשער את האפשרות לחלות על פי סדר הבסיסים ב-DNA, בהתאם יינתן הטיפול. זיהוי הגנים המעורבים במחלות וקביעת תפקודם יפתחו אפשרויות חדשות להתערבות רפואית; הטיפול יתמקד בסיבות הבסיסיות של המחלה ולא בסימפטומים שלה, סריקת מערך הבסיסים ב-DNA תאפשר אבחון מוקדם של מחלות רבות ומניעתן, בין בשלבים עובריים ובין בגיל מבוגר יותר. מחלות רבות נגרמות בגלל גן פגום. אם תמצא שיטה להחדיר לגוף גן תקין במקום הגן הפגום, אולי תיפתר הבעיה. כבר די פשוט לייצר במעבדה עותק תקין של גן, ואולם העותק הפגום של הגן נמצא במיליארדי תאים בגוף וצריך להבטיח שהגן המהונדס התקין יגיע לרקמה הנכונה ויוחדר לתאים בכמות כזאת שתוכל לבטל את ההשפעה המזיקה של הגן הפגום. הניסויים הקליניים להחדיר גן תקין בעזרת וירוסים הצליחו רק באופן חלקי, והחוקרים מחפשים שיטות חדשות להחדרת גנים תקינים. שיטת הריפוי הגני נמצאת רק בשלבי פיתוח ראשוניים, ועליה לעבור כברת דרך ארוכה עד שבני אדם יוכלו להשתמש בה, אך אין ספק שהיא הדלת למניעת וריפוי מחלות רבות קשות, ויישומה יהווה דלת לרפואה חדשה יעילה וחדשנית.
אמצעים להחדרת DNA לתאים ולפרוטופלסטים.
לצורך הנדסה גנטית קיימות מספר שיטות להחדרת DNA זר לתאים.
פלסמיד Ti - אגרובקטריום.
הטכניקה מתבססת על המנגנון הביולוגי בו משתמש חיידק האגרובקטריום על מנת להכתיב לתאי הצמח המאחסן אילו חומרים לייצר כלומר החדרת מקטע DNA – פלסמיד הכולל את הגנים המבוקשים: T-DNA, רצפי גבול אזור וירולנטיות המכתיב את שילוב ה-T-DNA בגרעין הצמחי. ניתן "לתפוס טרמפ" על האגרובקטריום באמצעות החלפת ה-T-DNA של זן הבר ברצף DNA המקודד לגנים המבוקשים תוך שמירה אך ורק על רצפי הגבול המקוריים של הפלסמיד.
רקומבינציה כפולה באגרובקטריום: שכלול של שיטת האגרובקטריום. במקום לטפל במולקולת פלסמיד גדולה, יוצרים פלסמיד קטן אותו מרבים בחיידקי "E.coli". את הפלסמיד הקטן מעבירים לחיידקי אגרובקטריום. בחלק מהתאים מתרחש שיחלוף כפול וכך נוצר פלסמיד Ti שאותו מחדירים לצמח באמצעות חיידק האגרובקרטיום.
מערכת T-DNA בינארית: עוד שכלול של השימוש באגרובקטריום במקום ליצור פלסמיד אחד מדביקים את הצמח בחיידק אגרובקטריום שבו שני פלסמידים, אחד המכיל את הגנים אותם רוצים לשבט ופלסמיד נפרד המכיל את ה-Vir.
כל השיטות המבוססות על אגרובקטריום מוגבלות לדו-פסיגיים בעיקר ממשפחת הסולניים והן מורכבות ביותר. בכל השיטות מבודדים את התאים שהותמרו ומגדלים צמחים מתאים בודדים בתרבית על מנת לקבל צמח שלם שכל המידע התורשתי בו הותמר כך שיעבור גם לצאצאים שנוצרו ברבייה מינית.
נגיפים.
השיטה מוגבלת לנגיפים שהחומר התורשתי שלהם הוא DNA ולא RNA כגון CaMV וירוס מוזאיקת הכרובית. בשיטה זו מחדירים ל-DNA של הווירוס קטע DNA זר תוך שמירה על יכולתו של הווירוס לתקוף תאים צמחיים. לשיטה מגבלות רבות ובהן: גודל מקטע ה-DNA שניתן להכניס לווירוס מוגבל ביותר, יש חשש מזני וירוס שיעברו מוטציה לזנים אלימים, מספר הצמחים היכולים לשמש פונדקאים לווירוס מסוים מוגבל, התכונות שהועברו לצמח אינן מועברות בהכלאה מינית לצאצאים.
איחוי תאים – הכלאה סומטית.
בשיטה זו מדגירים תאים ב-PEG לצורך המסת הדופן כאשר ממברנות של שני תאים נפגשות בתמיסה שני התאים מתאחים לתא אחד המכיל את תכולת שני התאים כולל אברונים כגון מיטוכונדריה וכלורופלסטים המכילים מידע גנטי האחראי לפנוטיפים מסוימים כגון עמידות ל"אטריזין" המוכתבת בכלורופלסט. שני הגרעינים מתאחים לגרעין אחד, ניתן להרוס את הגרעין באחד התאים על ידי קרינת X על מנת להעביר את הציטופלסמה ללא גרעין.
העברה ישירה.
בשיטה זו מדגירים פרוטופלסטים שטופלו ב-PEG עם מולקולות DNA של הגן הזר. מקטע ה-DNA כולל גם גן מדווח המאפשר לזהות ולבודד את התאים שעברו התמרה.
שיטה זו, כמו שאר השיטות שלהלן מתבססת על מנגנוני התיקון הטבעיים של ה-DNA בתא, מנגנוני תיקון המביאים לכך שרצף DNA "יתום" שנמצא בתא, מודבק לעיתים לתוך הגנום ומתבצעת השלמה של הגדיל התאום על ידי האנזימים המתחזקים את ה-DNA בתא. כך שבחלק מהמקרים (אחוזים בודדים) ישתלב DNA זר בתא.
אלקטרופורציה.
שכלול של שיטת ההעברה הישירה, מגבירים את שיעור התאים המותמרים באמצעות פולסים חשמליים. שיטה זו העלתה את שיעור ההתמרה מ-3%-4% ל-6%.
מיקרו הזרקה.
דורשת שימוש בפרוטופלסטים, כלומר תאים ללא דופן, ובאמצעות מזרקים עדינים מזריקים את החומר הגנטי תחת מיקרוסקופ ישירות לתא.
אקדח חלקיקים.
שיטה המאפשרת לעקוף את מגבלות השימוש בפרוטופלסטים ובאגרובקטריום. בשיטה זו מצפים חלקיקי מתכת כבדה ברצף ה-DNA אותו רוצים להחדיר לצמח, ומפגיזים רקמה עוברית או מריסטמה בחלקיקים תוך כדי האצת החלקיקים למהירות המאפשרת להם לחדור את דופן התא ללא גרימה למותו.
ביואתיקה.
הטכנולוגיה של ההנדסה הגנטית פותחת ערוץ לפיתוחים מרחיקי לכת בתחומים שונים: חברה, סביבה, תזונה, בריאות ועוד, ובעקבות כך ההנדסה הגנטית מעוררת שאלות אתיות ומוסריות; הטענות בזכות ההנדסה הגנטית כוללות שיפור איכות החיים של המין האנושי על ידי ייצור תרופות ומזון ושיפור איכות הסביבה.
הנדסה גנטית בחקלאות יכולה לשפר את איכות הסביבה ולהקטין את דלדול המשאבים העולמי במספר דרכים:
בתחום הרפואה ניתן לגייס צמחים או בעלי חיים לייצור תרופות וחומרים חיוניים אחרים.
לצד הסוגיות המדעיות המעורבות בהנדסה גנטית היא מעלה גם סוגיות ביואתיות, הלכתיות ומשפטיות. הטענות השוללות הנדסה גנטית מבוססות על החשש מתוצאות בלתי צפויות באורגניזמים אותם משנים ובסביבתם, למשל שבמזון מהונדס גנטית ימצאו אלרגנים שקודם לא היו בו. חשש אחר הוא פגיעה באיזון האקולוגי: יצירת זן עמיד לחרקים אולי יפגע גם בחרקים אחרים במערכת האקולוגית; הכלאות אקראיות בין צמחים מהונדסים לצמחים אחרים בסביבתם יוכלו להקנות עמידות לא רצויה לצמחים מזיקים.
הסוגיות השונות נידונות בקהילה המדעית ויש ניסיון לתת מענה לתוצאות שליליות העלולות להתקבל. דיונים מסוג זה, כמו גם בתחומים מדעיים אחרים הפכו מרכזיים בעולם המדע, והוכר בצורך לגבש גישה פילוסופית כוללת כלפי יכולת האדם לשנות את סביבתו. בעקבות זאת, התפתח תחום הביואתיקה המתמקד בשאלות מסוג זה.
מזון מהונדס גנטית ורגולציה.
במשך שנים רבות שיפור הגידולים נעשה על ידי השבחה גנטית של המזון (פירות, ירקות ובעלי חיים), כלומר על ידי הכלאה ברבייה מינית בין זנים שונים של אותו המין בעלי אפיונים שונים. סוג זה של התערבות ביצירת הזנים אינו נחשב להנדסה גנטית ואליו שייכים רובם המכריע של הגידולים.