Geenitehnoloogia

Geenitehnoloogia ehk tehnogeneetika ehk insenergeneetika ehk geenimanipulatsioon on geneetika haru, kus kasutatakse organismide genoomi muutmiseks biotehnoloogia vahendeid. Geenitehnoloogia seisneb konkreetsete DNA-lõikude eraldamises ja in vitro töötlemises. Sellele järgneb töödeldud lõikude siirdamine kas sama või ka muu liigi esindaja kromosoomi, plasmiidi või viirusse. Nii saab ühelt liigilt teisele üle kanda terveid genoomiosi. Geneetilise muundamise teel saadud organisme nimetatakse geenmuundatud organismideks. Geenitehnoloogia tekkimise oluliseks aluseks oli rekombinantse DNA metoodika loomine, mis omakorda sai alguse tänu restriktsiooniensüümide ehk restriktaaside avastamisele bakterites 1970. aastal. Restriktaasid lõhuvad DNA molekuli kaksikahelad komplementaarseteks üheahelalisteks fragmentideks, millel on nn kleepuvad otsad. Lahuses kokku viidud paarduvate otstega fragmendid ühinevad ja ensüümi ligaas abil luuakse ka kovalentsed sidemed. Geenitehnoloogia meetodeid arendatakse pidevalt edasi. Üheks olulisemaks arenguks on olnud CRISPR-Cas9 süsteemi avastamine ja kasutuselvõtt, mis võimaldab väga kiirelt, täpselt ja odavalt DNA-d muuta.  Pikemalt artiklis Geenitehnoloogia ajalugu Kuigi inimesed on läbi aretustegevuse mõjutanud loomade ja taimede genoome juba tuhandeid aastaid, siis geenitehnoloogia valdkond tekkis alles 20. sajandi teises pooles. Mõistet "geenitehnoloogia" kasutas esimesena Jack Williamson oma 1951. aasta ulmeteoses "Draakonite saar". Aasta hiljem tõestasid Alfred Hershey ja Martha Chase, et DNA-l on oma roll pärilikkuses ning 1953. aastal kirjeldasid James Watson ja Francis Crick DNA molekuli kaksikheeliksikujulist struktuuri. 1972. aastal lõi Paul Berg esimese rekombinantse DNA molekuli, kui viis SV40 viiruse genoomi lambda faagi geene ja E. coli galaktoosi operoni. 1973. aastal lõid Herbert Boyer ja Stanley Cohen esimese transgeense organismi, kui E. coli bakterisse lisati antibiootikumiresistentsuse geene sisaldav plasmiid. Aasta hiljem lõi Rudolf Jaenisch maailma esimesed transgeensed hiired, sisestades võõrast DNA-d hiire embrüosse. Kõik need saavutused tekitasid teadlaste hulgas muret geenitehnoloogia kiire arenguga tekkinud riskidest. Seda arutati põhjalikult 1975. aastal toimunud Asilomari konverentsil. Muuhulgas soovitati seal allutada kõik geenitehnoloogia valdkonnas tehtud katsed riikliku kontrolli alla. Biokeemik Herbert Boyer ja riskikapitalist Robert Swanson rajasid 1976. aastal esimese geenitehnoloogia valdkonnas tegutseva ettevõte, mis sai nimeks Genentech. Juba aasta hiljem valmistati seal E. coli abil inimvalku somatostatiini ning 1978. aastal tuldi välja inimese insuliiniga, mis sai FDA heakskiidu 1982. 1980 otsustas Ameerika Ühendriikide Ülemkohus, et geneetiliselt muudetud elusorganisme saab patenteerida. 1970 kirjeldasid Hamilton Smith ja Kent Wilcox esimest restriktaasi (Haemophilus influenzae-st eraldatud HindII) ning 1971 näitasid Kathleen Danna ja Daniel Nathans, et seda saab kasutada SV40 viiruse genoomi tükeldamiseks kindla pikkusega fragmentideks. See pani aluse rekombinantse DNA tehnoloogia arengule. 1978 said Werner Arber, Daniel Nathans ja Hamilton Smith restriktsiooniensüümidega seotud tööde eest Nobeli auhinna. 1970. aastatel avastas Wisconsini ülikooli üliõpilane Steven Lindow koos D. C. Arny ja C. Upperiga Pseudomonas syringae bakteri ja 1977. aastal tuvastas ka selle bakteri jää-miinus tüve. 1983 taotles ettevõte Advanced Genetic Sciences (AGS) USA valitsuselt luba viimaks läbi teste P. syringa bakteriga kaitsmaks põllukultuure külma eest. Meeleavaldajad ja keskkonnakaitsjad üritasid katseid edasi lükata, aga see õnnestus vaid neljaks aastaks. 1987. aastal sai P. syringae esimeseks geneetiliselt muundatud organismiks, mis lasti avatud keskkonda. Protesteerijad ründasid katsepõlde. 1983. aastaks töötas Kary Mullis välja polümeraasi ahelreaktsiooni tehnika, mis võimaldab DNA ampifikatsiooni, sellega muutus võimalikuks ka väga väikeste DNA koguste analüüs ja kasutamine. 1993. aastal sai ta koos Michael Smithiga selle eest Nobeli keemiaauhinna. Idee kasutada geene ravimina teraapias tekkis 1970. aastatel Ameerika Ühendriikides. Esialgselt kavandatud geeniteraapia oli pärilike retsessiivsete ühe geeni defektide raviks, näiteks tsüstiline fibroos, lihasdüstroofia, lüsosomaalne ladestushaigus, hemofiilia ning muud haigusvormid. 1980. aastal tegi Martin Cline esimese katse, kus ta modifitseeris inimese DNA-d. Esimene edukas ja tõestatud geneetilise materjali siirdamine toimus 1989. aasta mais. Esimese terapeutilise geenisiirde ja esimese otsese DNA viimise inimese genoomi tegi teoks French Anderson 1990. aastal. Esimesed katsed transgeensete taimedega viidi läbi 1986. aastal, kui Prantsusmaal ja USA-s katsetati herbitsiidiresistentseid geneetiliselt muundatud tubakataimi. Sellest alanud kümne aasta jooksul toimus 34 riigis 3500 põllukatset transgeensete taimedega 56 liigist. Kommertskasutusse jõudis esimene transgeenne taim (kurgi mosaiikviirusele resistentne tubakas) 1992. aastal Hiinas. 1994. aastal sai Calgene heakskiidu tulla turule pikendatud säilivusajaga tomatiga Flavr Savr tomati, mis oli esimene inimtoiduks lubatud GM-taim. 1994. aastal andis Euroopa Liit heakskiidu geneetiliselt muundatud tubakale, mis oli resistentne herbitsiidide bromoksüniilile, millest sai esimene geneetiliselt muundatud põllukultuur Euroopas. Aastal 1995 tunnistati Bt-toksiini tootev Bt kartul FDA ja AUSA Keskkonnakaitseagentuuri poolt ohutuks, millega sai sellest esimene pestitsiidi tootev USAs lubatud põllukultuur. Aastaks 2009 kasvatati 25 riigis 11 transgeenset põllukultuuri. Suurimad kasvatajad olid USA, Brasiilia, Argentina, India, Kanada, Hiina, Paraguay ja Lõuna-Aafrika Vabariik 2001. aastal avaldasid inimese genoomi projekti läbiviijad ja Celera Genomics inimese genoomi esimese mustandi. Sekveneerimistehnoloogiad arenesid ja selle hind hakkas kiirelt langema. 2010. aastal teatasid J. Craig Venteri instituudi teadlased, et nad on loonud esimese sünteetilise bakteri Synthia, mis oli maailma esimene sünteetiline eluvorm. 2014 loodi Scrippsi uurimisinstituudis ka poolsünteetiline bakter, mis paljundas plasmiidi, mis sisaldas täiendavat aluspaari lisaks tavalistele AT ja GC paaridele. 2012. aastal näitasid Virginijus Šikšnysi, Emmanuelle Charpentieri ja Jennifer Doudna juhitud uurimisrühmad, et manipuleerides RNAd Cas9 ensüümis, võivad nad ise valida märklaud-DNA ahela, mida töödelda. Näiteks valida huvipakkuv ala genoomis, tekitada seal kaheahelaline katke ja integreerida katkenud ahelate vahele uus geen. Sellest sai alguse CRISPR-Cas9 süsteemi kasutamine geenitehnoloogias. Geenitehnoloogiat kasutatakse põhiliselt teadustöös, põllumajanduses, tööstuslikus biotehnoloogias ja meditsiinis. Meditsiinis kasutatakse geenitehnoloogiat insuliini, inimese kasvuhormoonide, follitismi, inimese albumiini, monoklonaalsete antibiootikumide, antihemofiilsete faktorite, vaktsiinide ja paljude teiste ravimite tootmiseks. Geenitehnoloogiat on kasutatud ka inimeste haiguste loommudelite loomiseks. Transgeensed hiired on kõige levinumad geneetiliselt muudetud loommudelid. Neid on kasutatud, et uurida vähki, ülekaalulisust, südamehaiguseid, diabeeti, narkomaaniat, liigesepõletikke, ärevushäireid, vananemist ja Parkinsoni tõbe. Geeniteraapiat kasutatakse inimese puhul defektsete geeni osade asendamiseks normaalselt talitleva geeniga. Seda saab teha somaatiliste kudedega. Somaatiliste kudede ravimiseks siiratakse tüvirakke. Tüvirakud saadakse mõne päeva vanusest embrüost ning neid kasvatatakse ja paljundatakse laboris otse haigesse koesse. Seal nad muunduvad vastava koe rakkudeks ja asendavad kahjustatud rakke. Kui inimese geen on sisestatud sugurakkudesse, siis võib see edasi päranduda ka selle inimese järeltulijatele.  Pikemalt artiklis Geneetiliselt muundatud toit Üks enim tuntud ja samas ka vastuolulisemaid geenitehnoloogia rakendusi on geenmuundatud organismide arendamine ja GM-toidu tootmine. Bioreaktorite abil toodetakse farmaatsiatööstuses ravimeid ja teisi toimeaineid (antikehad, antibiootikumid, hormoonid jm). Toiduainetetööstuses muudetakse kääritusprotsesse ning toodetakse mõningaid toitained (nt trüptofaani ja eri vitamiine). Biokütuste tootmiseks kasvatatakse vetikamassi, millest saab valmistada biodiislikütust, või toodetakse biogaasi. Samuti püütakse mikroorganisme kasutada metallide eraldamiseks (biokaevandamine) ja ohtlike jääkmete kontsentratsiooni vähendamiseks (biotervendus). Brian M. Stableford (2004) Historical dictionary of science fiction literature[alaline kõdulink] Lk 133. ISBN 9780810849389 Hershey A. ja Chase M. (1952) Independent functions of viral protein and nucleic acid in growth of bacteriophage J Gen Physiol. Vol 36: 1. Lk 39–56. PMID 12981234 David A. Jackson, Robert H. Symons ja Paul Berg (1972) "Biochemical Method for Inserting New Genetic Information into DNA of Simian Virus 40: Circular SV40 DNA Molecules Containing Lambda Phage Genes and the Galactose Operon of Escherichia coli" PNAS, Vol 69 (10). Lk 2904–2909. PMID 4342968 Paul Arnold (2009) History of Genetics: Genetic Engineering Timeline Stanley N. Cohen ja Annie C. Y. Chang (1973) Recircularization and Autonomous Replication of a Sheared R-Factor DNA Segment in Escherichia coli Transformants — PNAS Jaenisch, R. ja Mintz, B. (1974) Simian virus 40 DNA sequences in DNA of healthy adult mice derived from preimplantation blastocysts injected with viral DNA Proc. Natl. Acad. 71(4) 1250–1254 Berg P et al. (1975) Summary statement of the Asilomar Conference on recombinant DNA molecules Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. Vol 72 (6). Lk 1981–4. PMID 806076 "NIH Guidelines for research involving recombinant DNA molecules". Originaali arhiivikoopia seisuga 10. september 2012. Vaadatud 17. juuni 2016. Artificial Genes TIME, 15. november 1982 David Goeddel, Dennis G. Kleid, Francisco Bolivar, Herbert L. Heyneker, Daniel G. Yansura, Roberto Crea, Tadaaki Hirose, Adam Kraszewski, Keiichi Itakura ja Arthur D. Riggs (1979) Expression in Escherichia coli of chemically synthesized genes for human insulin PNAS. Vol 76 (1). Lk 106–110. PMID 85300 Diamond V Chakrabarty US Supreme Court Cases from Justia & Oyez. Vol 447 (303). 16. juuni 1980 Roberts RJ (2005) How restriction enzymes became the workhorses of molecular biology Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.. Vol 102 (17). Lk 5905–8 PMID 15840723 H. Patricia Hynes (1989) Biotechnology in agriculture: an analysis of selected technologies and policy in the United States Reproductive and Genetic Engineering (2)1:39–49 Rebecca Bratspies (2007) Some Thoughts on the American Approach to Regulating Genetically Modified Organisms[alaline kõdulink] Kansas Journal of Law and Public Policy 16:393 GM crops: A bitter harvest? BBC News, 14. juuni 2002 Thomas H. Maugh Altered Bacterium Does Its Job : Frost Failed to Damage Sprayed Test Crop, Company Says Los Angeles Times, 9. juuni 1987 Kary Mullis. Nobel Lecture, December 8, 1993 Giacca, M. Gene Therapy; Springer-Verlag: Milano, 2010, lk 1–63 Rosenberg SA, Aebersold P, Cornetta K, et al. (August 1990). "Gene transfer into humans–immunotherapy of patients with advanced melanoma, using tumor-infiltrating lymphocytes modified by retroviral gene transduction". N. Engl. J. Med Gene Therapy Clinical Trials Worldwide Database. The Journal of Gene Medicine. Wiley (October 2016) Clive James (1996) Global Review of the Field Testing and Commercialization of Transgenic Plants: 1986 to 1995 The International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications Clive James (1997) Global Status of Transgenic Crops in 1997 ISAAA Briefs. Nr 5, lk 31 Debora MacKenzie Transgenic tobacco is European first New Scientist, 18. juuni 1994 Genetically Altered Potato Ok'd For Crops Lawrence Journal-World, 6. mai 1995 "Global Status of Commercialized Biotech/GM Crops: 2009 ISAAA Brief 41-2009". 23. veebruar 2010. {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend); eiran tundmatut parameetrit |Retrieved=, kasuta parameetrit (|access-date=) (juhend) WHO (1987): Principles for the Safety Assessment of Food Additives and Contaminants in Food, Environmental Health Criteria 70. World Health Organization, Geneva WHO (1991): Strategies for assessing the safety of foods produced by biotechnology, Report of a Joint FAO/WHO Consultation. World Health Organization, Geneva WHO (1993): Health aspects of marker genes in genetically modified plants, Report of a WHO Workshop. World Health Organization, Geneva WHO (1995): Application of the principle of substantial equivalence to the safety evaluation of foods or food components from plants derived by modern biotechnology, Report of a WHO Workshop. World Health Organization, Geneva Lander ES et. al. (2001) "Initial sequencing and analysis of the human genome" Nature. Vol 409 (6822). Lk 860–921. PMID 11237011 Venter JC (2001) "The sequence of the human genome" Science. Vol 291 (5507). Lk 1304–51. PMID 11181995 Ian Sample Craig Venter creates synthetic life form Guardian, 20. mai 2010 Denis A. Malyshev, Kirandeep Dhami, Thomas Lavergne, Tingjian Chen, Nan Dai, Jeremy M. Foster, Ivan R. Corrêa ja Floyd E. Romesberg (2014) [1] Nature 509, 385–388 Giorgia Guglielmi: Million-dollar Kavli prize recognizes scientist scooped on CRISPR Nature, 31. mai 2018 CRISPR/Cas9 Guide Ivo Krustok: "Ole homseks valmis: Oleme geenitehnoloogia ajastu alguses" geenius.ee, 24. november 2016 John C. Avise (2004). The hope, hype & reality of genetic engineering: remarkable stories from agriculture, industry, medicine, and the environment. Oxford University Press US. Lk 22. ISBN 978-0-19-516950-8. Knockout Mice Nation Human Genome Research Institute, 2015 Gene Therapy whatisbiotechnology.org Ain Heinaru, "Geneetika" õpik kõrgkoolile, Tartu Ülikooli Kirjastus, 2012, 1135 lk, ISBN 978-9949-32-171-1 Tartes, U. ja Viikmaa, M. 2008. "Bioloogia gümnaasiumile. II osa 3. kursus", Tartu: Eesti Loodusfoto, lk 37