הנדסה גנטית

הנדסה גנטית היא תהליך של שינוי גנים ביצורים חיים באופן מלאכותי על ידי האדם ובכך שינוי תכונותיהם. ההנדסה הגנטית מתמקדת בעיקר בהשבחה של גידולים חקלאיים, אך היא רלוונטית גם ביחס למיקרואורגניזמים, בעלי חיים ואף לבני אדם. תחום כללי יותר העושה שימוש בהנדסה גנטית הוא ביוטכנולוגיה, הכולל תחומי-משנה נוספים. לאחר שהוכיחו שהדנ"א הוא החומר התורשתי והקוד הגנטי הוא אוניברסלי, היה ברור לחוקרים שישנה אפשרות להעביר גנים מאורגניזם לאורגניזם ועל ידי כך לשנות את תכונותיו של האורגניזם "מושתל הגנים" ואת תכונות צאצאיו אחריו.
השם "הנדסה גנטית" מטעה במקצת, משום שלא מדובר בפעילות הנדסית במשמעותה המקובלת. מודיפיקציה גנטית או מניפולציה גנטית הם שמות המשקפים טוב יותר פעילות זו.

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.

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.

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.
בהנדסה גנטית, מועברים גנים בודדים במעבדה לאורגניזם כדי להקנות לו תכונה רצויה, למשל, הארכת חיי המדף, מתן עמידות מפני מזיקים, שיפור המראה וכדומה. מזון העשוי מגידול שעבר מודיפיקציה גנטית כזאת נקרא "מזון מהונדס גנטית".
הגידולים היחידים המהונדסים גנטית באופן מסחרי הם מינים מסוימים של תירס, סויה, קנולה וכותנה הגדלים בעיקר בארצות הברית (כ-70% מהיבול העולמי המהונדס גנטית גדל בארצות הברית). בקרב הציבור והרשויות ישנן הסתייגויות לגבי מזון זה הן בגלל החשש לגבי השפעה אפשרית לטווח ארוך על הצרכנים והן בגלל חשש לפגיעה אפשרית בסביבה שגידול מזון זה אולי יגרום.
בדומה לתרופות, בארצות הברית חייב מזון זה להיות לעבור את אישור רשות התרופות והמזון הדורשת הערכות בטיחות וגורמי סיכון. יחד עם זאת אין חובת סימון למוצרים מהונדסים גנטית. באפריל 2004 מיושמת באיחוד האירופי תקנה EC 1829/2003, המגדירה הן את אופן בדיקת המזון ואישורו והן חובה לסמנו כמהונדס גנטית. בישראל נתון מזון מהונדס גנטית לפיקוח של משרד הבריאות בהתאם לנהלים לרישום מזון חדש. בנוסף לכך אחראי משרד החקלאות על רישוי ובדיקה של צמחים מהונדסים גנטית, ואורגניזמים מהונדסים גנטית הקשורים צמחים (כדוגמת מאביקים, פתוגנים וכו').
בשיטות משפט רבות נדונה שאלת האחריות לנזקים שמקורם באורגניזמים מהונדסים גנטית, ובכלל זה נזק שנגרם לגידולים אורגנים עקב חשיפה לגידולים מהונדסים גנטית.