Историја на генетското инженерство

Генетско инженерство ― наука за манипулирање со генетскиот материјал на еден организам. Првото вештачко генетско изменување постигнато со помош на биотехнологијата беше трансгенезата, постапка на пренос на гени од еден организам на друг, првпат постигнат од Херберт Бојер и Стенли Коен во 1973 година. Тоа било резултат на низа напредок во техниките што овозможиле директно изменување на геномот. Важните достигнувања се откривањето на рестрикциони ензими и ДНК-лигази, способност за дизајнирање плазмиди и технологии како полимеразна верижна реакција и секвенционирање. Преобразбата на ДНК во организам домаќин била постигната со пронајдокот на биолистиката, рекомбинација со посредство на ''Agrobacterium'' и микровбризгување. Првото генетски изменето животно било глушец создаден во 1974 година од Рудолф Јениш. Во 1976 година технологијата била комерцијализирана, со појавата на генетски изменети бактерии кои произведувале соматостатин, а потоа и инсулин во 1978 година. Во 1983 година, во тутун беше вметнат ген отпорен на антибиотици, што довело до првото генетски изменето растение. Следел напредок што им овозможил на научниците да манипулираат и да додаваат гени на различни организми и да предизвикаат низа различни ефекти. Растенијата првпат биле комерцијализирани со тутун отпорен на вируси објавен во НР Кина во 1992 година. Првата генетски изменета храна бил доматот Flavr Savr пуштен на пазарот во 1994 година. До 2010 година, 29 земји засадиле комерцијализирани биотехнолошки култури. Во 2000 година, еден труд објавен во списанието ''Science'' го претставил златниот ориз, првата храна развиена со зголемена хранлива вредност.
1 Земјоделство
Генетското инженерство е директна манипулација со геномот на организмот користејќи одредени биотехнолошки техники кои постојат само од 1970-тите. Генетската манипулација насочена кон човекот била случувана многу порано, почнувајќи со припитомување на растенијата и животните преку вештачко одбирање. Верувано е дека кучето е првото припитомено животно, кое веројатно произлегло од заеднички предок на сивиот волк, со археолошки докази кои датираат од околу 12.000 п.н.е. Други месојад припитомен во праисторијата е мачката, која живеела со луѓе пред 9.500 години. Археолошките докази наведуваат дека овците, говедата, свињите и козите биле припитомени помеѓу 9.000 п.н.е. и 8.000 п.н.е. во Плодната Полумесечина.
Првиот доказ за припитомување на растенијата потекнува од двозрнестата и еднозрнестата пченица пронајдена во селата од предгрнчарското младо камено време А во Југозападна Азија, датирани околу 10.500 до 10.100 п.н.е. Плодната Полумесечина во Западна Азија, Египет и Индија биле места на најрано планирано сеење и берба на растенија кои претходно биле собирани во дивината. Независен развој на земјоделството било случено во северна и јужна Кина, Сахел во Африка, Нова Гвинеја и неколку региони во Америка. Осумте неолитски основоположни култури (двозрнеста пченица, еднозрнеста пченица, јачмен, грашок, леќа, горчлив грашок (''Vicia ervilia''), слануток и лен) се појавиле околу 7.000 п.н.е. Хортикултурата првпат била појавена во Левантот за време на бакарното време околу 6.800 до 6.300 п.н.е. Поради меките ткива, археолошките докази за ран зеленчук се ретки. Најраните остатоци од зеленчук биле пронајдени во египетските пештери кои датираат од II милениум п.н.е.
Одбраното одгледување на домашни растенија некогаш бил главниот начин на кој раните земјоделци ги обликувале организмите за да одговараат на нивните потреби. Чарлс Дарвин опишал три вида одбирање: методско одбирање, каде што луѓето намерно избираат одредени особини; несвесно одбирање, каде што одликата е избрана едноставно затоа што е пожелна; и природно одбирање, каде што се пренесува особина која му помага на организмот подобро да преживее. Раното размножување било потпирано на несвесно и природно одбирање. Воведувањето на методското одбирање е непознато. Вообичаените особини кои биле одгледувани во домашни растенија се зрна кои не се распарчувале за да овозможат полесна берба, еднообразно зреење, пократок животен век што значи побрзо растење, губење на токсични соединенија и продуктивност. Некои растенија, како бананата, можеле да бидат размножувани со вегетативно клонирање. Потомството често немало семиња и затоа било стерилно. Сепак, овие потомци обично биле посочни и поголеми. Размножувањето преку клонирање овозможува овие мутантни сорти да бидат одгледувани и покрај недостатокот на семиња.
Хибридизацијата била уште еден начин на воведување на брзи промени во составот на растението. Често ја зголемувала енергијата кај растенијата и ги комбинирала посакуваните особини заедно. Хибридизацијата најверојатно првпат била случена кога луѓето за прв пат пораснале слични, но малку различни растенија во непосредна близина. Обичната пченица, пченица што е користена за печење леб, е алополиплоид. Неговото создавање е резултат на два посебни настани на хибридизација.
Калемењето може да пренесе хлоропласти, митохондриска ДНК и целото клеточно јадро што го содржи геномот за потенцијално да направи нов вид, правејќи го калемењето облик на природно генетско инженерство.
Рендгенските зраци првпат биле користени за намерно мутирање на растенијата во 1927 година. Помеѓу 1927 и 2007 година, повеќе од 2.540 генетски мутирани растителни сорти биле произведени со помош на рендгенски зраци.
2 Генетика
Различни генетски откритија се од суштинско значење во развојот на генетското инженерство. Генетското наследство за прв пат било откриено од Грегор Мендел во 1865 година по опити со вкрстување на грашок. Иако во голема мера бил игнориран 34 години, тој ги дал првите докази за наследна сегрегација и независен асортиман. Во 1889 година, Хуго де Врис го измислил името „(пан)ген“ откако поставил дека честичките се одговорни за наследување на особините и поимот „генетика“ бил измислен од Вилијам Бејтсон во 1905 година. Во 1928 година , Фредерик Грифит го докажал постоењето на „преобразувачко начело“ вклучено во наследството, кој Ејвори, Меклеод и Мекарти подоцна (1944) го идентификувале како ДНК. Едвард Лори Тејтум и Џорџ Велс Бидл ја развиле средишната догма дека гените ги кодираат белковините во 1941 година. Структурата на двојната спирала на ДНК била идентификувана од Џејмс Вотсон и Френсис Крик во 1953 година.
Покрај откривањето како функционира ДНК, морале да бидат развиени алатки кои ќе овозможат да биде манипулирано со неа. Во 1970 година, лабораторијата на Хамилтон Смит открила рестрикциони ензими кои дозволуваат ДНК да биде сечена на одредени места и да биде одвоена на гелска електрофореза. Ова им овозможило на научниците да изолираат гени од геномот на организмот. ДНК-лигазите, кои ја спојуваат расечената ДНК заедно, биле откриени порано во 1967 година и со комбинирање на двата ензими било можно да бидат „отсечени и залепени“ секвенците на ДНК за да биде создадена рекомбинантна ДНК. Плазмидите, откриени во 1952 година, станале важни алатки за пренос на информации помеѓу клетките и реплицирање на секвенци на ДНК. Фредерик Сангер развил метод за секвенционирање на ДНК во 1977 година, со што значително ги зголемил генетските информации достапни за истражувачите. Полимеразната верижна реакција, развиена од Кари Мулис во 1983 година, овозможи мали делови од ДНК да бидат засилени и помогнала во идентификација и изолација на генетскиот материјал.
Покрај манипулацијата со ДНК, требало да бидат развиени техники за нејзино вметнување (познато како преобразба) во геномот на организмот. Грифитовиот опит веќе покажал дека некои бактерии имаат способност природно да зафаќаат и изразуваат туѓа ДНК. Вештачката способност била индуцирана кај ''Escherichia coli'' во 1970 година кога Мортон Мандел и Акико Хига покажале дека може да го зафати бактериофагот λ по третман со раствор на калциум хлорид (CaCl<sub>2</sub>). Две години подоцна, Стенли Коен покажал дека третманот со CaCl<sub>2</sub> бил ефикасен и за навлегување на плазмидната ДНК. Преобразбата со помош на електропорација била развиена во доцните 1980-ти, зголемувајќи ја ефикасноста и опсегот на бактерии. Во 1907 година, била откриена бактерија која предизвикува растителни тумори, ''Agrobacterium tumefaciens'', а во раните 1970-ти било откриено дека агентот што предизвикува тумор е плазмид на ДНК наречен туморопредизвикувачки плазмид. Со отстранување на гените во плазмидот што го предизвикале туморот и додавање нови гени, истражувачите можеа да ги инфицираат растенијата со ''A. tumefaciens'' и да ги остават бактериите да ја вметнат својата избрана ДНК во геномите на растенијата.
3 Рани генетски изменети организми
Во 1972 година , Пол Берг користел рестрикциони ензими и ДНК-лигази за да ги создаде првите рекомбинантни молекули на ДНК. Тој комбинирал ДНК од мајмунскиот вирус SV40 со онаа на ламбда вирусот. Херберт Бојер и Стенли Норман Коен ја однеле работата на Берг чекор понатаму и вовеле рекомбинантна ДНК во бактериска клетка. Коен истражувал плазмиди, додека работата на Бојер вклучувала рестрикциони ензими. Тие ја препознале комплементарноста на нивната работа и се здружиле во 1972 година. Тие заедно пронашле рестрикционен ензим кој го пресекува плазмидот pSC101 во една точка и можел да вметне и лигира ген кој дава отпор кон антибиотикот канамицин во празнината. Коен претходно смислил метод каде бактериите би можеле да бидат поттикнати да зафаќаат плазмид и користејќи го тоа тие успеале да создадат бактерија која преживеала во присуство на канамицин. Ова го претставувало првиот генетски изменет организам. Тие ги повториле опитите кои покажале дека други гени може да бидат изразени во бактерии, вклучително и еден од жабата ''Xenopus laevis'', првата преобразба меѓу царствата.
Во 1974 година , Рудолф Јениш создал трансгенски глушец со внесување туѓа ДНК во неговиот ембрион, што го прави првото трансгенско животно во светот. Јениш ги проучувал клетките на цицачите инфицирани со симијанскиот вирус 40 (SV40) кога случајно прочитал труд од Беатрис Минц во кој се опишува генерацијата химерски глувци. Тој ги однел своите примероци од SV40 во лабораторијата на Минц и ги вбригзувал во раните ембриони на глувци, очекувајќи да бидат развиени тумори. Глувците изгледале нормално, но по користењето на радиоактивни сонди, тој открил дека вирусот се интегрирал во геномот на глувците. Меѓутоа, глувците не го пренеле трансгенот на нивните потомци. Во 1981 година, лабораториите на Френк Рудл, Френк Константини и Елизабет Лејси вбризгувале прочистена ДНК во едноклеточен ембрион на глувче и покажале пренос на генетскиот материјал на следните генерации.
Првото растение со генетско инженерство бил тутунот, објавено во 1983 година Беше развиен од Мајкл В. Беван, Ричард Б. Флавел и Мери-Дел Чилтон со создавање на химерски ген кој го споил генот отпорен на антибиотици на плазмидот Т1 од ''Agrobacterium''. Тутунот бил инфициран со ''Agrobacterium'' преобразен со овој плазмид, што резултирало со вметнување на химерски ген во растението. Преку техники на ткивна култура била избрана една тутунска клетка која го содржи генот и ново растение растено од него.
4 Законска регулатива
Развојот на технологијата за генетско инженерство довела до загриженост во научната заедница за потенцијалните ризици. Развојот на регулаторна рамка во врска со генетското инженерство започнала во 1975 година, во Асиломар, Калифорнија. Состанокот во Асиломар препорачал збир на насоки во врска со претпазливата употреба на рекомбинантната технологија и сите производи што произлегуваат од таа технологија. Препораките во Асиломар биле доброволни, но во 1976 година Националниот институт за здравје на Соединетите Држави создал советодавен комитет за рекомбинантна ДНК. Ова било проследено со други регулаторни канцеларии (Министерството за земјоделство на Соединетите Држави, Агенцијата за заштита на животната средина и Службата за храна и лекови, ефикасно правејќи ги сите истражувања за рекомбинантна ДНК строго регулирани во Соединетите Држави.
Во 1982 година, Организацијата за економска соработка и развој објавила извештај за потенцијалните опасности од ослободување на генетски изменети организми во животната средина додека биле развивани првите трансгенски растенија. Како што технологијата била подобрувана и генетски организмите преминале од моделни организми на потенцијални комерцијални производи, Соединетите Држави основале комитет при Канцеларијата за наука и технологија за да развијат механизми за регулирање на технологијата во развој. Во 1986 година, Канцеларијата доделила регулаторно одобрување на генетски изменети растенија од Соединетите Држави, до Министерството, Службата за храна и лекови, и Агенцијата за заштита на животната средина. Во доцните 1980-ти и раните 1990-ти, насоки за проценка на безбедноста на генетски изменетите растенија и храна биле појавено од организации, вклучувајќи ги Организацијата за храна и земјоделство и СЗО.
Европската Унија првпат вовела закони со кои се бара генетските изменети организми да бидат означувани во 1997 година. Во 2013 година Конектикат станала првата сојузна држава што донела закон за етикетирање во Соединетите Држави, иако тој нема да стапи на сила додека другите сојузни држави не го следат примерот.
5 Истражување и медицина
Способноста да бидат вметнувани, менувани или отстранувани гени во моделелни организми им овозможило на научниците да ги проучуваат генетските елементи на човечките болести. Во 1984 година биле создадени генетски изменети глувци кои носеле клонирани онкогени кои ги предиспонирале за развој на рак. Технологијата е искористена и за создавање на глувци со соборени гени. Првиот забележан соборен глушец бил создаден од Марио Р. Капеки, Мартин Еванс и Оливер Смитис во 1989 година. Во 1992 година биле создадени онкоглувци со соборени гени кои потиснуваат тумор. Создавањето соборени стаорци е многу потешко и станало возможно дури во 2003 година.
По откривањето на микро РНК во 1993 година, мешањето со РНК било користено за да бидат стишени гените на организмот. Со изненувањето на организам да изразува микро РНК насочена кон неговите ендогени гени, истражувачите успеале да ја исфрлат или делумно да ја намалат функцијата на генот во низа видови. Способноста делумно да биде намалена функцијата на генот овозможила проучување на гени кои се смртоносни кога целосно ќе бидат исфрлени. Други предности од користењето на мешање со РНК се достапност на индуктивно и ткивно специфично соборување. Во 2007 година, микро РНК насочена кон гените на инсектите и цевчестите црви била изразена во растенијата, што доведе до потиснување кога тие биле хранети со генетски изменето растение, потенцијално создавајќи нов начин за контрола на штетниците. Насочувањето на изразувањето на ендогена микро РНК овозможило дополнително фино нагодување на генското изразување, дополнувајќи го потрадиционалниот пристап на генско соборување.
Генетското инженерство е користено за производство на белковини добиени од луѓе и други извори во организми кои вообичаено не можат да ги синтетизираат овие белковини. Бактериите кои синтетизираат човечки инсулин биле развиени во 1979 година и првпат биле користени како третман во 1982 година. Во 1988 година биле произведени првите човечки антитела во растенијата. Во 2000 година златниот ориз збогатен со витамин А била првата храна со зголемена хранлива вредност.
6 Понатамошни достигнувања
Бидејќи сите растителни клетки не биле подложни на инфекција со ''A. tumefaciens'', биле развиени други методи, вклучувајќи електропорација, микровбризгување и бомбардирање со честички со генски пиштол (измислен во 1987 година). Во 1980-тите биле развиени техники за воведување на изолирани хлоропласти назад во растителна клетка на која бил отстранет клеточниот ѕид. Со воведувањето на генскиот пиштол во 1987 година станало возможно да бидат вметнувани туѓи гени во хлоропластот.
Генетската преобразба станала многу ефикасна кај некои моделни организми. Во 1998 година во ''Arabidopsis thaliana'' биле создадени генетски изменети семиња со едноставно потопување на цвеќето во раствор ''на Agrobacterium''. Опсегот на растенија што може да бидат преобразени бил зголемен како што се развиени техники за култура на ткиво за различни видови.
Првиот генетски изменет добиток бил создаден во 1985 година, со микровбризгување туѓа ДНК во јајца од зајаци, овци и свињи. Првото животно кое синтетизирало трансгенски белковини во нивното млеко биле глувците, дизајнирани да произведуваат плазминоген активатор на човечко ткиво. Оваа технологија била применета врз овци, свињи, крави и друг добиток.
Во 2010 година, научниците од Институтот „Џ. Крег Вентер“ објавиле дека го создале првиот синтетички бактериски геном. Истражувачите го додале новиот геном на бактериските клетки и ги избирале клетките што го содржат новиот геном. За да го сторат ова, клетките биле подложени на постапка наречен резолуција, каде што за време на бактериската клеточна делба, една нова клетка го добива првобитниот геном на ДНК на бактериите, додека другата го добива новиот синтетички геном. Кога оваа клетка се реплицира, таа го користи синтетичкиот геном како свој образец. Резултирачката бактерија што ја развиле истражувачите, наречена „Синтија“ (Synthia), бил првиот синтетички облик на живот во светот.
Во 2014 година била развиена бактерија која реплицирала плазмид што содржи неприроден базен пар. Ова барало промена на бактеријата за да може да ги увезе неприродните нуклеотиди и потоа ефикасно да ги реплицира. Плазмидот ги задржал неприродните базни парови кога се удвојувал околу 99,4% од времето. Ова е првиот организам дизајниран да користи проширена генетска азбука.
Во 2015 година, групираните редовно меѓупросторни кратки палиндромски повторувања и ефекторните нуклеази слични на активатор на транскрипција биле користени за изменување на геномите на растенијата. Кинеските лаборатории го користеле за да создадат пченица отпорна на габи и да ги зголемат приносите на оризот, додека група од Обединетото Кралство го користела за да го прилагоди генот за јачмен кој може да помогне во производството на сорти отпорни на суша. Кога било користено за прецизно отстранување на материјал од ДНК без додавање гени од други видови, резултатот не е предмет на долгата и скапа регулаторна постапка поврзан со генетскиот изменет организам. Додека групираните редовно меѓупросторни кратки палиндромски повторувања можат да користат странска ДНК за да ја помогне постапката на уредување, втората генерација на уредени растенија не содржи ништо од таа ДНК. Истражувачите го прославиле забрзувањето бидејќи тоа може да им овозможи да „држат чекор“ со патогени кои брзо се развивани. Министерството за земјоделство на Соединетите Држави изјавило дека некои примери на пченка, компири и соја со уредени гени, не подлежат на постојните законски регулативи. Согласно 2016 година, другите тела за ревизија допрва требаат да дадат изјави.
7 Комерцијализација
Во 1976 година Genentech, првото претпријатие за генетско инженерство било основана од Херберт Бојер и Роберт Свансон, а една година подоцна претпријатието произвело човечка белковина (соматостатин) во ''Escherichia coli''. Genentech го објавиle производството на генетски изменет човечки инсулин во 1978 година. Во 1980 година, Врховниот суд на Соединетите Држави во случајот „Дајмонд против Чакрабарти“, пресудил дека генетски изменетиот живот може да биде патентиран. Инсулинот произведен од бактерии, брендиран како хумулин, бил одобрен за ослободување од Службата за храна и лекови во 1982 година. Во 1983 година, биотехнолошкото претпријатие Advanced Genetic Sciences поднело барање за овластување од владата на Соединетите Држави, да врши теренски тестови со минусномрзниот сој ''P. syringae'' за да ги заштити посевите од мраз, но природозаштитните групи и демонстрантите ги одложиле тестовите на терен за четири години преку правни предизвици. Во 1987 година, минусномрзниот сој ''P. syringae'' станал првиот генетски изменет организам кој бил ослободен во животната средина кога со него биле испрскани врз поле со јагоди и поле со компири во Калифорнија. Двете полиња биле нападнати од активистички групи ноќта пред да бидат сторени тестовите: „Првото пробно место во светот го привлекло првиот ѓубре на терен во светот“.
Првото генетски изменето растение било произведено во 1982 година, тутунско растение отпорно на антибиотици. Првите теренски испитувања на генетски конструирани растенија биле сторени во Франција и Соединетите Држави во 1986 година, тутунските растенија биле дизајнирани да бидат отпорни на хербициди. Во 1987 година, Plant Genetic Systems, основана од Марк Ван Монтагу и Џеф Шел, било првото претпријатие која генетски изменило растенија отпорни на инсекти со вметнување гени кои произведуваат инсектицидни белковини од ''Bacillus thuringiensis'' во готовиот тутун.
Генетски изменетите микробни ензими биле првата примена на генетски изменетите организми во производството на храна и биле одобрени во 1988 година од страна на Службата за храна и лекови на Соединетите Држави. Во раните 1990-ти, рекомбинантниот химозин бил одобрен за употреба во неколку земји. Сирењето вообичаено било правено со користење на ензимскиот комплекс сириште кој бил извлечен од слузницата на стомакот на кравите. Научниците ги изменувале бактериите за да произведуваат химозин, кој исто така можел да го згрутчи млекото, што резултирало со урда. Народна Република Кина била првата земја што ги комерцијализираше трансгенските растенија, воведувајќи тутун отпорен на вируси во 1992 година. Во 1994 година, претпријатието Calgene (денешно Monsanto) добило одобрение за комерцијално ослободување на доматот Flavr Savr, домат дизајниран да има подолг рок на траење. Исто така, во 1994 година, Европската Унија одобрила тутун произведен да биде отпорен на хербицидот бромоксинил, што го прави првата генетски изменета култура комерцијализирана во Европа. Во 1995 година, Bt Potato бил одобрен за безбеден од Агенцијата за заштита на животната средина на Соединетите Држави, откако бил одобрен од Службата за храна и лекови, со што била првата култура за производство на пестициди што била одобрена во Соединетите Држави. Во 1996 година, биле доделени вкупно 35 одобренија за комерцијално одгледување на 8 трансгенски култури и една цветна култура (каранфил), со 8 различни особини во 6 земји плус ЕУ.
До 2010 година, 29 земји засадиле комерцијализирани биотехнолошки култури и уште 31 земја дале регулаторно одобрение за увоз на трансгенски култури. Во 2013 година Роберт Фрејли (извршен потпретседател и главен директор за технологија на Monsanto), Марк Ван Монтагу и Мери-Дел Чилтон биле наградени со Светската награда за храна за подобрување на „квалитетот, количината или достапноста“ на храната во светот.
Првото генетски изменето животно кое било комерцијализирано било т.н. GloFish (светлечка риба), зебреста риба со додаден флуоресцентен ген кој и овозможува да свети во темница под ултравиолетова светлина. Првото генетски изменето животно кое бил одобрено за употреба во храна бил лососот AquAdvantage во 2015 година. Лососот бил преобразен со ген за регулирање на хормонот за раст од тихоокеанско чинучкиот лосос и промотор од океанскиот лосос што му овозможува да расте во текот на целата година наместо само во текот на пролетта и летото.
8 Спротивставување
Противставувањето и поддршката за употребата на генетското инженерство постои откако била развиена технологијата. Откако Арпад Пустаи излегол во јавноста со истражувањето што го спроведувал во 1998 година, противењето на јавноста кон генетски изменетата храна било зголемено. Спротивставувањето продолжило по контроверзните и јавно дебатирани трудови објавени во 1999 и 2013 година во кои се тврди дека има негативни влијанија врз животната средина и здравјето од генетски изменетите култури.