Informácie

Je možné geneticky modifikovať rastlinu doma?

Je možné geneticky modifikovať rastlinu doma?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Vedel by som si doma geneticky upraviť rastlinu? Aké vybavenie bude potrebné? Myslím si, že by to mohla byť zábavná zmena oproti „norme“ pravidelnej hybridizácie, skúsiť miesto medzirodinového vkladania génov do jednej rodiny. Sú niektoré rastliny jednoduchšie na úpravu ako ostatné?


No, to závisí od vášho domova. ;) Myslím si, že to nie je ľahký proces.

Existujú dve hlavné metódy ktoré sa používajú na genetickú modifikáciu rastlín:

Použitie baktérieAgrobacterium tumifaciens, ako vektor pre DNA. Agrobacterium má schopnosť infikovať rastliny a vložiť DNA do genómu rastliny. Pri prírodných infekciách spôsobuje tumory koruny žlčníka. Táto metóda sa používala hlavne na úpravu širokolistých rastlín, ako je cukrová repa a repka olejná, ale teraz sa používa aj na jednoklíčnolistové druhy, ako je kukurica a ryža

Bombardovanie časticami alebo biolistika, kde sa DNA, ktorá sa má vložiť, obalí na drobných zlatých časticiach a vypáli sa do rastlinných buniek. Tento prístup sa používa pre jednoklíčnolistové rastliny, ako je kukurica a ryža

Tu som našiel jednoduchý článok krok za krokom, ale trochu starý. môžu existovať nové metódy pre tento proces. Ako geneticky upraviť semeno, krok za krokom


Áno, je. Najľahšie transformovateľnou rastlinou by bol Arabidopsis, ktorý môže byť transformovaný agrobaktériou pomocou metódy kvetinového ponoru. Postup by bol nasledovný: 1. Navrhnite génovú sekvenciu, ktorú chcete vložiť do rastliny 2. Syntetizujte (alebo inak získajte DNA) 3. Vložte DNA do svojej agrobaktérie, doma by ste použili opísaný proces transformácie za studena tu: https://www.youtube.com/watch?v=PvkfIECvyqs Môžete to urobiť doma pomocou kúpeľa so suchým ľadom. 4. Potom pomocou metódy kvetinového dipu vložte DNA do rastliny. To zahŕňa pestovanie rastliny v správnom veku, keď kvitne, a ponorenie kvetov Arabidopsis do roztoku agrobaktérie. 5. Potom pestujte kvety a vysejte ich na vhodnom selekčnom markere (ktorý ste navrhli do svojho plazmidu DNA).

Špecifické experimentálne podmienky potrebné na to, aby to bolo všetko, sú na túto odpoveď príliš dlhé, ale môžete si ich vyhľadať online, pretože všetky postupy sú štandardné.

Rastliny, ktoré sú výsledkom tohto procesu, by nebolo legálne vypustiť do voľnej prírody kvôli predpisom USDA.

Konštrukcia iných rastlín, v závislosti od druhu, môže byť zložitejšia, ale možno ju vykonávať aj doma. Ak ste nechceli používať agrobaktérium, existujú dokonca aj návrhy online pre génovú zbraň s otvoreným zdrojovým kódom.


genetickú modifikáciu je možné vykonať mutáciami. Mutácia je trvalá zmena v sekvencii DNA. Aby sa dosiahol pozorovateľný účinok, musia sa vyskytnúť mutácie v génových exónoch alebo regulačných prvkoch. Zmeny v nekódujúcich oblastiach DNA (intróny a nevyžiadaná DNA) spravidla neovplyvňujú funkciu.

Príčinou mutácií môže byť:

  • vonkajšie (exogénne) faktory, ako sú chemikálie a žiarenie

alebo

  • endogénne (natívne) faktory

Mutácie môžu byť výhodné a môžu viesť k evolučnej výhode určitého genotypu ... toto bude riešenie pre úpravu vašej rastliny ...

Mutagén je fyzikálne alebo chemické činidlo, ktoré mení genetický materiál, zvyčajne DNA, organizmu a tým zvyšuje frekvenciu mutácií nad úroveň prirodzeného pozadia.

chemické mutagény:

  • Bróm
  • Azid sodný
  • Psoralen
  • Benzén

dlhodobá čistička s mutagénmi spôsobila mutácie, niektoré môžu byť výhodou, potom vyberte výhodu ... Pretože mnohé mutácie spôsobujú rakovinu, mutagény sú pravdepodobne tiež karcinogénne!


Áno, je.

Indická spoločnosť IndieBB vám môže pomôcť získať jeden. IndieBB: systém DNA navrhnutý tak, aby vám a vašim priateľom pomohol preskúmať genetické inžinierstvo a syntetickú biológiu vytvorením fluorescenčných baktérií doma.


Nezabúdajte, že jednoduché kríženie vašich rastlín mendelovským spôsobom tiež upravuje ich genetickú výbavu, ako uvádza @souvik bhattacharya vo svojom komentári. Nie je potrebné žiadne vybavenie, žiadne chemikálie, žiadne etické problémy.


Genetické úpravy rastlín - zelená synbio budúcnosť?

Syntetická biológia určite zahŕňa rastliny, ale oblasť syntetickej biológie rastlín je menej rozvinutá v porovnaní s modelovými heterotrofmi alebo aplikáciami na cicavcoch. Rastliny sú však dôležité, príliš dôležité. Nedávny dokument PNAS odhaduje množstvo globálnej biomasy a príspevky rôznych taxónov a rastliny sú zďaleka najväčšími prispievateľmi do globálnej biomasy a dominujú suchozemským ekosystémom. Vývoj v posledných rokoch sľuboval, že syntetická biológia rastlín bude prístupnejšia a záujem výskumníkov o syntetickú biológiu rastie, čo odrážajú konferencie o syntetickej biológii rastlín a špeciálne čísla v časopisoch o rastlinách. V tomto príspevku náš bývalý redaktor Steven Burgess a Iulia Gherman, obaja talentovaní výskumníci rastlín, zdieľajú svoje myšlienky o súčasnosti a budúcnosti syntetickej biológie rastlín.

Prečítajte si viac: Prečo rastliny? & ndash Feynman a kvety

Darček

Zatiaľ čo syntetická biológia v baktériách, kvasinkách a bunkách cicavcov pokročila míľovými krokmi, syntetická biológia rastlín začala pomalšie. Navrhovanie obvodov v rastlinách je komplikované polyploidnou povahou niektorých genómov, obtiažnosťou prechodnej transformácie, neschopnosťou kontrolovať umiestnenie transgénov a dlhými generačnými časmi, aby sme vymenovali niekoľko hlavných výziev. Pokiaľ ide o reguláciu, na produkciu a pestovanie geneticky modifikovaných rastlín sú potrebné špeciálne licencie, zatiaľ čo poľné pokusy s plodinami si vyžadujú dodatočné povolenia od vnútroštátnych orgánov.

Pokrok sa však dosiahol v niekoľkých kľúčových oblastiach a nástroje a technológie dobiehajú ich bakteriálne a cicavčie náprotivky. Nedávne pokroky zahŕňajú schopnosť charakterizovať a skrínovať časti obvodov v protoplastoch vysokovýkonným spôsobom, cielené inzercie genómu prostredníctvom systému CRISPR-Cas9 a zlepšenia rastu rastlín prostredníctvom šľachtenia rýchlosti. Za posledné desaťročie vývoj modulárnych techník klonovania zmenil rýchlosť pokroku v rastlinnej vede. Použilo sa množstvo systémov, vrátane zostavy Gibson, klonovania so zlatou bránou a nedávno zostavy slučky, ktorá zahŕňa klonovanie unikátnej nukleotidovej sekvencie (UNS) na miešanie častí z rôznych systémov.

Tomuto vývoju napomohlo úsilie o implementáciu komunitných noriem v závode Synbio, otvorená dohoda o prenose materiálu na uľahčenie zdieľania zdrojov a rastúca zbierka modulárnych dielov, ktoré vytvorili projekty ENSA, OpenPlant, C4 rice a RIPE, z ktorých niektoré sú dostupné v repozitároch ako Addgene (alebo pre Marchantia na MarpoDB).

Marchantia polymorpha od Manfreda Morgnera CC-BY-SA-3.0

Tieto pokroky výrazne uľahčili snahy o zlepšenie plodín. Napríklad projekt ryže C4, ktorého cieľom je zaviesť viacero génov na manipuláciu s morfológiou a biochémiou rastlín, sa začal v polovici roku 2000. V tom čase ste mohli vytvoriť jeden konštrukt na gén a aby ste ich spojili do jednej odrody, pre každý musel byť vytvorený individuálny transgénny rad, po ktorom nasledoval komplikovaný proces kríženia, ktorý trval roky. Potom s vývojom klonovania zlatých brán bol vytvorený jeden viacgénový konštrukt a vložený do ryže, čím sa skrátil čas na analýzu, pretože to vyžadovalo iba jedno kolo transformácie.

Nový technologický vývoj pripravuje pôdu pre zavedenie genetických obvodov na vykonávanie rôznych funkcií v rastlinách. Jeden technický sen je syntetizovať úplne in vivo regulátor (s funkciami snímača a akčného člena, ktoré vykonávajú bunky) na udržanie konštantných úrovní určitého množstva, či už ide o gény, záťaž, ribozómy, tvárou v tvár hluku a poruchám. To sa teoreticky dosiahlo mnohokrát & ndash a nedávno aj v praxi v E. coli. Je len otázkou času, kedy budú implementované syntetické návrhy regulátorov in vivo v rastlinách.

Pokiaľ však ide o rastliny, generovanie konštruktov je len časťou výzvy: proces dodávania DNA do záujmových druhov je hlavným problémom okrem problémov spojených s presnou manipuláciou s rastlinnými genómami. Okrem modelových druhov, ako je Arabidopsis thaliana, ktoré možno ľahko transformovať kvetinovým ponorom, sa transgénne rastliny bežne vytvárajú prostredníctvom procesu tkanivovej kultúry. Môže to byť dlhý a nákladný proces, ktorý závisí od genotypu a úspešnosť sa výrazne líši.

V súčasnosti je po vytvorení transgénnych línií potrebné prejsť 2 alebo 3 životnými cyklami, aby sa skončili homozygotné transformanty. Účinky polohy z náhodnej integrácie transgénov, umlčanie a mozaika sú všetky problémy. V ideálnom prípade by sa mala skrínovať hrubá postava 30 rastlín, aby sa získali 3 jednoduché vkladacie riadky na analýzu. To všetko vyžaduje generovanie a udržiavanie veľkého počtu kalusov (regenerovaného rastlinného tkaniva) na drahých zmesiach hormónov. Pre tie druhy, kde komerčné zariadenie ponúka transformačnú službu, to bude zvyčajne stáť v oblasti niekoľkých tisíc libier za jednu transgénnu líniu.

Kultúry rastlinných tkanív, Národné centrum pre zachovanie genetických zdrojov od USDA, Lance Cheung (Flickr) CC BY 2.0

A čo viac, bohužiaľ, aj keď existuje transformačný postup pre plodinu, elitné kultivary sú často odolné voči transformácii, čo znamená, že gény musia byť pridané do darcovskej línie, ktorá sa musí spätne krížiť, aby sa vytvorila komerčná odroda.

Urobte z umenia transformácie rastlín rutinný proces

Čo teda možno urobiť na vyriešenie niektorých z týchto problémov? Je možné uplatniť zásady automatizácie a normalizácie na transformáciu a chov? Niekoľko možných riešení je v minulosti.

Štandardizácia

Aby sa prekonali problémy spojené s náhodnou integráciou DNA konštruktov, výskum vytvoril sériu rekombinázových systémov na miestne špecifickú integráciu transgénov, čím sa poskytli konzistentné expresné vzorce. Širšie použitie by mohlo zlepšiť reprodukovateľnosť. Alternatívne laboratórium Voigt nedávno demonštrovalo systém založený na CRISPR na štandardizáciu hladín expresie transgénov v E. coli, ktorej princíp môže byť užitočný na prispôsobenie sa výskumu rastlín.

Automatizácia

Transformácia tkanivovej kultúry a regenerácia kalusov je niečo z umenia, je to manuálne a náročné na prácu. Existuje však tiež dlhá história regenerácie rastlín z protoplastov a jednotlivých buniek uvoľňovaných enzymatickým štiepením tkaniva, pričom sa uvádzajú správy o úspešnej regenerácii celých rastlín z plodín vrátane kukurice a ryže. Potenciálnou výhodou takéhoto prístupu je, že poskytuje možnosť použitia automatizovaných pracovných tokov bežne používaných v technických mikroorganizmoch. Prvé kroky takéhoto hypotetického potrubia boli nedávno demonštrované, vrátane použitia robotickej platformy na transformáciu protoplastov, alebo v projekte, na ktorom som bol zapojený, použitia mikrofluidík na zapuzdrenie a triedenie protoplastov na základe expresie fluorescenčného transgénu.

Je tu dlhá cesta, ale existujú sľubné náznaky. Rastlinné synbio bude aj naďalej ťažiť z vývoja v iných oblastiach, prispôsobovania techník na riešenie svojich jedinečných výziev, ako aj starostlivého postupného zlepšovania existujúcich systémov (ako je napríklad doladenie pôvodu replikácie používanej v binárnych vektoroch s cieľom zvýšiť frekvenciu jednotlivých inzercií). Fráza od fyzika a generálneho riaditeľa CellFreeTech Toma Meanyho sa drží mňa & ndash & ldquoif synbio je byť úspešný, musí byť naozaj nudný & rdquo, aj keď si myslím, že vždy existuje priestor pre vzrušujúce inovácie, som tiež presvedčený, že v ňom je veľa pravdy konštatovanie &ndash poriadna dávka tupej gruntovej práce bude ďaleko.

Nové technológie pre nový dizajn

Presné úpravy genómu

Syntetickým biológom je teraz k dispozícii nespočetné množstvo nástrojov CRISPR-CasX, ktoré môžu využiť. Jeden taký variant na pôvodnom CRISPR-Cas9 zahŕňa použitie & ldquodeaktivovaného & rdquo alebo katalyticky & ldquodead & rdquo & ndash dCas9 enzýmu, ktorého aktivita nukleázy je deaktivovaná. Toto je zvyčajne fúzované s modulmi viažucimi DNA, vďaka čomu je schopný transkripčnej aktivácie alebo represie. gDNA potom nasmeruje tieto regulátory transkripcie Cas9 na špecifické promótory, ako je táto implementácia v genóme N. benthamiana. Novo identifikovaná nukleáza, Cas13, sa viaže a štiepi jednovláknové molekuly RNA (na rozdiel od dvojvláknovej DNA). Táto vlastnosť sa využíva na boj proti rastlinným RNA vírusom, implementáciu post-transkripčnej regulácie vyššej ako RNAi, translokáciu obrazu molekúl mRNA pomocou dCas13 a na úpravu báz mRNA.

Gene drives, skutočný menič hry

Ďalšou vzrušujúcou aplikáciou CRISPR-Cas9 je génový pohon, ktorý bol chválený ako nástroj, ktorý mení hru proti škodcom. Génová jednotka porušuje pravidlá dedičnosti tým, že sa prenáša na väčšinu potomstva, a nie na 50%, vzhľadom na to, že jeden rodič má génovú jednotku vo svojom genóme a jeden rodič divokého typu. Krása génového pohonu spočíva v jeho jednoduchosti. Všetko, čo vyžaduje, je plazmid s kazetou obsahujúcou gén Cas9, gRNA, ktorá sa zameriava na konkrétny gén v hostiteľovi a homológne oblasti obklopujúce kazetu, čo umožňuje jeho vloženie do štiepneho miesta génu. Akonáhle je táto kazeta vložená do genómu, môže pokračovať v tejto propagácii týmto spôsobom do kópií génu divokého typu.

Bolo by možné využiť hlavný prínos génových pohonov & ndash> 90% prenosovej rýchlosti na ďalšiu generáciu & ndash v rastlinách, najmä polyploidných plodinách, s cieľom dosiahnuť homozygotné knockouty v jednej generácii?

Gene Drive od Mariuswalter CC BY-SA 4.0

Regulácia upravovaných rastlín

Potenciál a rast nových šľachtiteľských technológií (vrátane CRISPR-CasX) je ohromujúci. Pokrok však veľmi závisí od regulačného prostredia. Po dlhej diskusii o klasifikácii technológií CRISPR ako geneticky modifikovaných alebo mutagenéznych techník Európsky súd nedávno rozhodol, že plodiny modifikované CRISPR sa majú klasifikovať ako geneticky modifikované. To sa považuje za hlavnú nevýhodu európskej syntetickej biológie rastlín, pretože financovanie technológie s nekonečnými aplikáciami pravdepodobne vyschne, ak ich v skutočnosti nemožno uviesť do praxe mimo laboratória. Objavili sa výzvy, aby sa regulácia GMO zakladala skôr na produktoch ako na technológii, podobne ako regulačný systém v Kanade.

V lete 2017 bola kapusta CRISPR-y vyrobená (a pestovaná!) Stefanom Janssonom podávaná v Göteborgu ako súčasť stretnutia SEB „Nové šľachtiteľské technológie v rastlinných vedách & ndash Aplikácie a dôsledky pri úprave genómu“ na konferencii. Bolo to chutné. Dnes by to už nebolo možné.

Prečítajte si viac: Plodiny upravené génmi sú GMO: niekoľko prvých myšlienok o nedávnom rozhodnutí súdu

Steven Burgess je hosťujúcim vedcom na University of Illinois, ktorý pracuje na RIPE projekt

Iulia Gherman je študentkou posledného ročníka doktorandského štúdia, ktorá pracuje na prepojení, in silico a in vivo, génových regulačných sietí v Arabidopsis.

Vyhlásenie: Steven Burgess bol predtým zamestnaný prof. Julianom Hibberdom, ktorý má finančné prostriedky z projektu ryže C4. Získal grant z projektu OpenPlant na realizáciu výskumného projektu a v súčasnosti je zamestnaný v projekte RIPE ako hosťujúca škola.


Weblog Howplantswork

Biotechnológia vo vašej garáži.

Je možné, že by deti cez ulicu jedného dňa mohli čoskoro vytvárať geneticky modifikované rastliny vo svojej garáži alebo skleníku? (Teraz je tu desivá myšlienka.)

To môže byť uskutočniteľnejšie, než si myslíte.

Článok s názvom Garážová biológia v nedávnom vydaní časopisu Nature (pozri odkaz 1 nižšie) pritiahol moju pozornosť na rozvíjajúcu sa oblasť biotechnológií “urob si sám” (DIY).

Za relatívne skromné ​​​​množstvo peňazí si človek môže zriadiť primerane funkčné laboratórium molekulárnej biológie, čiastočne získaním použitého laboratórneho vybavenia na miestach, ako je eBay. Pozrite si napríklad toto garážové biologické laboratórium v ​​Silicon Valley.

Vyššie uvedený článok je hlavne o doktorovi Robovi Carlsonovi, priekopníkovi v oblasti “garážových biotechnológií ” (pozri odkazy 2 a amp 3 nižšie). Nedávno vydal knihu s názvom Biology Is Technology: The Promise, Peril, and New Business of Engineering Life. Podľa jedného významného recenzenta: “Pretože Rob Carlson je AUTORIATÍVNYm sledovateľom pokroku v biotechnológiách, je táto kniha najúplnejšou a#8211 a najzaujímavejšou kronikou technologickej revolúcie, ktorá sľubuje ovládnutie tohto storočia.” –Stewart Brand, autor disciplíny Whole Earth: Ecopragmatist Manifesto.

Informácie týkajúce sa “biohackerov” možno samozrejme nájsť online (pozri napr. odkaz 4 nižšie).

Ale aj keď nemáte peniaze ani znalosti na to, aby ste takúto vedu vykonávali sami, vo vašom meste skutočne môžu existovať komunitné biotechnologické laboratóriá (napr. Pozri odkaz č. 5 nižšie), ktoré poskytujú školenie a vybavenie. V NYC sa nedávno otvoril hackerský priestor DIY Biotech.

Existuje teda podobne ako počítačový softvér s otvoreným zdrojovým kódom rastúca oblasť “ biotechnológie s otvoreným zdrojovým kódom ”. Niektorí hovoria áno, iní však nie.

Bez ohľadu na to je rekombinantný DNA džin mimo fľaše (takpovediac) a znalosti a vybavenie potrebné na vykonávanie zostrihu génov je možné ľahko získať (alebo vybudovať).

A preniesť takúto rekombinantnú DNA (umelé gény) do rastlín je pomerne jednoduché (v porovnaní so zvieratami).

Ale pre triezvy pohľad na súčasné obmedzenia takzvanej “syntetickej biológie“ si pozrite nižšie uvedený odkaz 6.

1. Ledford, Heidi (2010) “Životní hackeri. ” Príroda Vol. 467, s. 650-652. (PDF)

2. Carlson, Rob (2005) “ Splňte si to sami: Kto potrebuje genetika? Vytvorte si vlastné laboratórium DNA.” Káblové, Číslo 13:05. Spojte to sami

4. Webová stránka DIYbio.org “DIYbio.org je organizácia zameraná na to, aby sa biológia stala prístupnou snahou pre občianskych vedcov, amatérskych biológov a biologických inžinierov, ktorí si vážia otvorenosť a bezpečnosť.

5. GenSpace – New York City’s Community Lab “GenSpace je nezisková organizácia, ktorá sa venuje podpore vzdelávania v molekulárnej biológii pre deti aj dospelých. Pracujeme v tradičnom prostredí aj mimo neho a poskytujeme bezpečné a podporné prostredie pre školenia a mentoring v biotechnológiách.

6. Kwok, Roberta (2010) “Päť tvrdých právd pre syntetickú biológiu.” Príroda Vol. 463, s. 288-290. (HTML) (PDF) “Môžu inžinierske prístupy skrotiť zložitosť živých systémov? Roberta Kwok skúma päť výziev v tejto oblasti a ich riešenie.


Urob si sám genetické inžinierstvo rastlín?

Biotechnológia vo vašej garáži.

Je možné, že by deti na druhej strane ulice mohli niekedy čoskoro vytvárať geneticky upravené rastliny vo svojej garáži alebo skleníku? (Teraz je tu strašidelná myšlienka.)

To môže byť uskutočniteľnejšie, ako si myslíte.

Článok s názvom Garage Biology v nedávnom vydaní časopisu Nature (pozri odkaz 1 nižšie) upútal moju pozornosť na rýchlo sa rozvíjajúce pole biotechnológie “do-it-yourself ” (DIY).

Za relatívne skromné ​​množstvo peňazí si človek môže zriadiť primerane funkčné laboratórium molekulárnej biológie, čiastočne tak, že získa použité laboratórne vybavenie na miestach, ako je eBay. Pozrite si napríklad toto garážové biologické laboratórium v ​​Silicon Valley.

Vyššie uvedený článok je hlavne o Dr. Robovi Carlsonovi, priekopníkovi v oblasti “garážových biotechnológií” (pozri odkazy 2 a 3 nižšie). Nedávno vydal knihu s názvom Biology Is Technology: The Promise, Peril, and New Business of Engineering Life. Podľa jedného významného recenzenta: “Pretože Rob Carlson je AUTORIATÍVNYm sledovateľom pokroku v biotechnológiách, je táto kniha najúplnejšou a#8211 a najzaujímavejšou kronikou technologickej revolúcie, ktorá sľubuje ovládnutie tohto storočia.” –Stewart Brand, autor knihy Whole Earth Discipline: An Ecopragmatist Manifesto.

Informácie týkajúce sa “biohackerov ” je možné samozrejme nájsť na internete (napr. Pozri odkaz 4 nižšie).

Ale aj keď nemáte peniaze ani znalosti na to, aby ste takúto vedu vykonávali sami, vo vašom meste skutočne môžu existovať komunitné biotechnologické laboratóriá (napr. Pozri odkaz č. 5 nižšie), ktoré poskytujú školenie a vybavenie. V NYC sa nedávno otvoril priestor pre domácich majstrov Biotech hackerov.

Existuje teda, podobne ako v prípade počítačového softvéru s otvoreným zdrojovým kódom, rastúca oblasť “biotechnológie s otvoreným zdrojom”. Niektorí hovoria, že áno, iní však, že nie.

Bez ohľadu na to je rekombinantný DNA džin mimo fľaše (takpovediac) a znalosti a vybavenie potrebné na vykonávanie zostrihu génov je možné ľahko získať (alebo vybudovať).

A dostať takú rekombinantnú DNA (umelé gény) do rastlín je relatívne jednoduché (v porovnaní so zvieratami).

Ale pre triezvy pohľad na súčasné obmedzenia takzvanej “syntetickej biológie“ si pozrite nižšie uvedený odkaz 6.

1. Ledford, Heidi (2010) “Life Hackers.” Príroda Vol. 467, s. 650-652. (PDF)

2. Carlson, Rob (2005) “ Splňte si to sami: Kto potrebuje genetika? Vybudujte si vlastné laboratórium DNA. ” Káblové, Číslo 13:05. Splice It Yourself

4. Webová stránka DIYbio.org “DIYbio.org je organizácia zameraná na to, aby bola biológia prístupná pre vedcov, amatérskych biológov a biologických inžinierov, ktorí si cenia otvorenosť a bezpečnosť.

5. GenSpace – New York City a#8217s Community Lab “GenSpace je nezisková organizácia, ktorá sa venuje podpore vzdelávania v molekulárnej biológii pre deti aj dospelých. Pracujeme v tradičnom prostredí aj mimo neho a poskytujeme bezpečné a podporné prostredie pre školenia a mentoring v biotechnológiách.

6. Kwok, Roberta (2010) “Päť tvrdých právd pre syntetickú biológiu.” Príroda Vol. 463, s. 288-290. (HTML) (PDF) “Dokážu technické prístupy skrotiť komplexnosť živých systémov? Roberta Kwok skúma päť výziev v tejto oblasti a ich riešenie.


DIY syntetická biológia: Výroba vlastných žiariacich rastlín

Jeden z najambicióznejších (a najkontroverznejších) projektov, ktoré v poslednej dobe explodovali na Kickstarteri, bol projekt Glowing Plant. Takmer 6 000 podporovateľov sa zapojilo do kampane s cieľom využiť syntetickú biológiu na vytvorenie rastlín, ktoré, dúfajme, nahradia vašu stolnú lampu. Zatiaľ je táto úroveň jasu len snom, ale perspektíva vytvorenia rastliny, ktorá v skutočnosti žiari (aj keď slabo), je veľmi reálna. A Antony Evans, Kyle Taylor a Omri Amirav-Drory vás chcú vziať so sebou na cestu.

Ale v skutočnosti to, čo robia, je vytvorenie nového druhu závodu v hackerskom priestore.

Projekt nie je bez svojich kritikov a skeptikov. Malý počet environmentálnych skupín vyvoláva obavy z projektu a požaduje, aby skupina od projektu upustila. The New York Times mal vynikajúci zápis, ktorý vážil všetky rôzne perspektívy.

ja? Som zvedavý. Počúval som argumenty a vysvetlenia z oboch strán. A potom, čo som urobil môj výskum, mám tendenciu súhlasiť a podporovať uvedenú misiu Glowing Plant ’s:

“Našim hlavným cieľom v rámci projektu je inšpirovať a poučiť širokú verejnosť o potenciálnych výhodách tejto technológie. Zastávame názor, že táto technológia by nemala byť výhradnou rezerváciou veľkých korporácií, ale že výhody, ktoré prináša, by mali byť k dispozícii všetkým. ”

Ale ak som sa za posledných niekoľko rokov niečo naučil, znamená to, že aby ste niečomu skutočne porozumeli, musíte to urobiť sami. Takže to je to, čo som urobil (alebo sa o to pokúsil). Minulý týždeň som si urobil výlet do BioCurious (komunitné bio laboratórium financované z Kickstarteru v Sunnyvale), aby som prešiel mnohými krokmi s tvorcami projektu a získal predstavu o tom, aké prístupné to bolo z pohľadu úplného začiatočníka.

Čo potrebuješ

Na úrovni odmeny 250 dolárov môžu podporovatelia Kickstarter prisľúbiť súpravu DIY Maker Kit, teda takmer všetko, čo potrebujete na obnovu projektu vo vašej školskej alebo komunitnej biolabe, ako je BioCurious alebo Genspace. Zahŕňa:
– Ampulka so žiarivou rastlinnou DNA
– Vopred naliate LB taniere
– Semená Arabodopsis
– Agrobaktéria
– Silwet
– živný roztok
– Petriho miska
– Jednorazové pipety

Čo potrebujete, aby súprava neobsahovala:
Suchý ľad (k dispozícii v miestnom obchode s potravinami)
Izopropylalkohol
Domáce bielidlo (používa sa na likvidáciu biologického odpadu)

Poznámka: Rovnako ako mnohé baktérie, agrobaktéria NIE je ľudským patogénom. Pri práci s baktériami je však stále dôležité používať jednorazové rukavice, ktoré pôsobia ako ďalšia vrstva bezpečnosti. Navyše všetko, čo príde do styku s baktériami, by malo byť namočené v bielidle na 30 minút, aby sa všetky baktérie zničili. Ako DIYBiológovia je dôležité byť v bezpečí a správne likvidovať odpad.

Aby bolo jasné, nemal som potuchy, čo väčšina z týchto vecí bola. Nikdy predtým som nepoužil pipetu. Nevedel som, čo je LB (lyzogénny vývar a#8211 v zásade bakteriálna potrava). Nemám vzdelanie v oblasti biotechnológie, takže celá skúsenosť bola nová. Okrem krokov potrebných pre projekt som sa učil základné bezpečnostné a laboratórne protokoly. V skutočnosti to bola moja najväčšia skúsenosť. Každý v BioCurious si je veľmi vedomý bezpečnosti a čistoty. Ak robíte prvýkrát projekt DIYBio, je nevyhnutným krokom nájdenie priestoru ako BioCurious, ktorý vám pomôže dosiahnuť laboratórne protokoly.

Fáza 1: Pestujte rastlinu!
Časová os: 4-8 týždňov času rastu
Arabodopsis je ovocná muška rastlinnej biológie, aspoň mi to bolo povedané. Rastie rýchlo, čo uľahčuje a uľahčuje typ experimentu, ktorý sme realizovali. Našťastie pre mňa Antony a Kyle predpestovali rastliny Arabodopsis na denný experiment. Chvalabohu, aj preto, že nie som známy svojím zeleným palcom.

Fáza 2: Transformácia baktérií
Požadovaný čas: 3 hodiny
Toto je fáza, do ktorej vložíte DNA Glowing Plant (použili sme GFP – fluorescenčnú, nie bioluminiscenčnú, pretože nová DNA Glowing Plant ešte nebola vytvorená) do Agro-baktérie. Agrobaktérie sú ako prepravné vozidlo. Tento typ genetickej manipulácie nie je nový. Rastlinní molekulárni biológovia objavili tieto baktérie na konci 70. a 8217 rokov a použili sme rovnaký prirodzený proces s novou syntetickou DNA.

Na transformáciu baktérií sme použili proces nazývaný transformácia za studena, čo znamená, že presúvame baktérie z veľmi teplých do veľmi studených (na 5 minút) a potom späť do veľmi teplých. Meniace sa teploty spôsobujú, že sa v baktériách otvoria póry a nová DNA sa dostane dovnútra.

Krok prípravy: Pestujte baktérie
Predtým, ako budete môcť transformovať baktérie, musíte baktérie pestovať. Baktérie prídu mrazom sušené (lyofilizované pre tých, ktorí majú radi žargón). Pridajte trochu sterilnej vody na rehydratáciu, potom rozložte baktérie na LB platničku (pevné bakteriálne jedlo) a uchovávajte ich v tme (prikrytie hliníkovou fóliou je dobrý spôsob). Nechajte baktérie pôsobiť pri izbovej teplote a nechajte rásť 5-7 dní. S najväčšou pravdepodobnosťou budete potrebovať niekoľko dní na zotavenie aj po lyofilizácii.

Krok 1: Pripravte si kúpeľ zo suchého ľadu
Pridajte bloky suchého ľadu do kadičky naplnenej 500 ml izopropylalkoholu. Cieľom je dostať kúpeľ na -78 stupňov Celzia a#sublimačný bod CO2.

Krok 2: Pripravte baktérie na zmrazenie a rozmrazenie.
Pomocou pipety zoškrabte približne množstvo baktérií veľkosti hrášku do malej skúmavky (nazývanej mikrocentrifugačná skúmavka) naplnenej 75 mM (milamolárnym) chloridom vápenatým.

Krok 3: Preneste malé množstvo buniek (približne 100 mikrolitrov) do novej skúmavky. A pridajte DNA (opäť sme používali GFP, nie žiariacu rastlinnú DNA) k baktériám.

Zahrnuli sme aj negatív na experimentálne účely.

Krok 4: Skúmavky vložte do inkubátora.
Mali by ste mať inkubačný kúpeľ 37 stupňov Celzia. Baktérie zmiešané s DNA ponechajte v inkubátore 5 minút, aby sa baktérie zohriali.

Krok 5: Presuňte sa do kúpeľa so suchým ľadom
Skúmavky rýchlo presuňte do kúpeľa so suchým ľadom. Rýchla zmena teploty je to, čo praskliny otvárajú bunky. Inkubujte 5 minút a uistite sa, že sa roztok nedostane do skúmaviek, pretože pamätajte, že používate izopropylalkohol), ktorý sa používa na ničenie baktérií.

Krok 6: Späť do inkubátora
Skúmavky opäť premiestnite späť do inkubačného kúpeľa s teplotou 37 stupňov Celzia. Inkubujte ďalších 5 minút.

Krok 7: Triasť!
Skúmavky budete musieť trepať 4 až 5 hodín. Ak nemáte jeden z bláznivých trepačiek, ktorý majú v BioCurious, môžete rúrky nastaviť na podobnú dobu do nádoby na práčku alebo sušičku. (V skutočnosti si to vymýšľam, ale tiež by to mohlo fungovať.)

Krok 8: tanier!
Po pretrepaní rozotrite baktérie na druhý vopred naliaty tanier LB. Zakryte a inkubujte pri izbovej teplote asi 7 dní. Mali by vyrásť malé kruhy baktérií, čo by mali byť baktérie, ktoré majú v sebe DNA.

Krok 9: Pripravte sa na transformáciu
Vezmite pár jednotlivých kruhov baktérií a rozprestrite ich na ďalší vopred naliaty tanier LB. Prikryte a nechajte rásť asi 5-7 dní, kým nevyrastie pekný trávnik baktérií. Tento trávnik bude použitý na transformáciu rastlín.

Fáza 3: Transformujte rastlinu
Požadovaný čas: 60 minút

Krok 1: Orežte Rastlinu
Starostlivo odrežte všetky kvitnúce semená alebo kvety, ktoré nájdete vo svojej rastline Arabodopsis. Kyle mi povedal, aby som odrezal všetko, čo vyzeralo ako biele. Nezabudnite nechať púčiky, ktoré nekvitli.

Krok 2: Pripravte si žiarivé rastlinné baktérie
Pridajte svoje novo vytvorené baktérie do nádoby naplnenej 200 ml vody a 10 g cukru (aby mohli baktérie jesť).

Krok 3: Dip
Konce rastliny ponorte na päť minút.

Krok 4: Zabaliť!
Rastlinu jemne(!) zabaľte do zábalu Saran, aby ste zvýšili vlhkosť.

Fáza 4: Pestujte semená!
Potrebný čas: 1 mesiac
Keď nové semená odkvitnú, skontrolujte, či v nich nie je slabá žiara. Zozbierajte tieto semená, pestujte rastliny a pokračujte v procese znova!

Poznámka: Uvoľňovanie rastlín transformovaných agrobaktériami je prísne regulované. To je dôležité vzhľadom na to, že agrobaktérie sú rastlinným patogénom (aj keď sú zdravotne postihnuté). Teraz ste DIYBiológ a je dôležité, aby sme boli všetci dobrí správcovia a dodržiavali bezpečnostné predpisy týkajúce sa technológie, aby sme sa uistili, že je dostupná aj ostatným.

Ak sa chcete dozvedieť viac o projekte Glowing Plant, môžete získať viac informácií na ich stránke Kickstarter alebo sa s nimi prísť stretnúť na Maker Faire (Meet the Makers Stage v sobotu, 13:30) tento víkend!

David Lang je prispievajúcim redaktorom v spoločnosti MAKE a spoluzakladateľom OpenROV. Jeho kniha Zero to Maker vyjde v septembri.


VZNIKAJÚCE GENETICKO-INŽINIERSKÉ TECHNOLÓGIE

Okrem vyššie uvedených technológií boli vyvinuté a zdokonaľované a zdokonaľované aj nové prístupy genetického inžinierstva. Hoci ešte neboli aplikované na komerčné produkty, majú praktickú hodnotu pre budúce GM plodiny. Technológie zahŕňajú úpravu genómu, syntetické komponenty DNA a umelé chromozómy a cielené epigenetické modifikácie.

Editácia genómu

Úprava genómu používa miestne cielené nukleázy (sekvenčne špecifické nukleázy SSN) na mutáciu cielených sekvencií DNA v organizme. Pomocou systémov SSN môžu vedci mazať, pridávať alebo meniť konkrétne základne na určenom mieste. SSNs cleave DNA at specific sites and leave a single break (known as a nick) or a double-strand break. The DNA break can be repaired in two ways (Figure 7-1):

FIGURE 7-1

Consequences of DNA cleavage by genome-editing technologies in the cell. SOURCE: Sander and Joung (2014). NOTE: After cleavage of double-stranded DNA by sequence-specific nucleases such as meganucleases, zinc fingers, transcription activator-like effectors, (more. )

Four main classes of SSNs are used in plant genome editing (reviewed in Voytas and Gao, 2014): meganucleases, zinc finger nucleases (ZFNs), transcription activator-like effector nucleases (TALENs), and the clustered regularly interspaced palindromic repeats (CRISPR)/Cas9 nuclease system (Figure 7-2). The field of genome-editing technologies and application has burgeoned, especially since the advent of the CRISPR/Cas9 system, and the committee expects additional discoveries to facilitate genome editing in the coming decade.

FIGURE 7-2

Genome-editing technologies: Meganucleases, Zinc finger nucleases (ZFNs), Transcription activator-like effector nucleases (TALENs), and Clustered regularly interspaced palindromic repeats (CRISPR)/Cas. SOURCE: Baltes and Voytas (2014).

Meganucleases naturally occur in bacteria, archaea, and eukaryotes and were the first SSNs examined for genome editing. Meganucleases are single proteins that recognize a sequence in the DNA that is at least 12 nucleotides long and cleave the target DNA, leaving a double-strand break that can be repaired through NHEJ or HDR by using a donor molecule (reviewed in Silva et al., 2011). Meganuclease-mediated genome editing has been demonstrated in maize (Zea mays) and tobacco (Nicotiana spp.) (reviewed in Baltes and Voytas, 2014). It is difficult to change the target sequence specificity of meganucleases, so they are not widely used for genome editing.

Zinc finger𠄽omain-containing proteins bind to DNA and are widespread in nature, often functioning as transcription factors (proteins that regulate gene expression by binding directly or indirectly to regulatory DNA sequences usually found in the promoter regions of genes 3 ). The zinc finger domains can be manipulated to bind specific sequences of DNA when fused to the DNA-cutting nuclease domain of the FokI protein, a ZFN is the resulting hybrid molecule. A pair of ZFNs functions in tandem to cut DNA at the desired target site (reviewed in Urnov et al., 2010). As with meganucleases, ZFNs are used for introducing mutations through NHEJ and HDR. ZFNs have been used in engineering of numerous plant species (reviewed in Baltes and Voytas, 2014). ZFNs were the first widely used designer genome-editing tool in biology.

Transcription activator-like effectors (TALEs) were discovered in the bacterial plant pathogen Xanthomonas and could be engineered to bind to virtually any DNA sequence. Their ease of design for specific target DNA sequences revolutionized genome editing. V prírode, Xanthomonas species secrete TALEs into plant cells to enable pathogenicity. TALEs bind to promoters in plant genes to suppress the plant's resistance to the pathogen. The bacteria encode TALEs through a simple code or cipher that has been exploited to engineer proteins with custom site specificity in any target genome (Boch et al., 2009 Moscou and Bogdanove, 2009). Like ZFNs, TALEs can be fused with the nuclease domain of FokI and are then referred to as TALENs. TALENs are used in pairs like ZFNs to affect targeted mutations. TALENs have been used to edit genomes in several plants, including rice (Oryza spp.), maize, wheat (Triticum spp.), and soybean (Glycín max) (reviewed in Baltes and Voytas, 2014).

CRISPR was the most recently developed genome-editing tool when the committee's report was being written. Bacteria harbor CRISPR as an innate defense mechanism against viruses and plasmids that uses RNA-guided nucleases to target the cleavage of foreign DNA sequences. At the time the committee's report was being written, the CRISPR/Cas system used in genome editing was primarily the Type II CRISPR/Cas9, from Streptococcus pyogenes, in which foreign DNA sequences are incorporated between repeat sequences at the CRISPR locus and then transcribed into an RNA molecule known as crRNA (reviewed by Sander and Joung, 2014). The crRNA then hybridizes with a second RNA, the tracrRNA, and the complex binds to the Cas9 nuclease. The crRNA guides the complex to the target DNA and, in the case of innate immunity in bacteria, binds to the complementary sequence in the target DNA that is then cleaved by the Cas9 nuclease. Scientists have dissected the innate CRISPR/Cas9 system and re-engineered it in such a way that a single RNA, the guide RNA, is needed for Cas9-mediated cleavage of a target sequence in a genome. Guide RNA design requirements are limited to a unique sequence of about 20 nucleotides in the genome (to prevent off-target effects) and are restricted near the protospacer adjacent motif sequence, which is specific for the CRISPR/Cas system. Newer applications of CRISPR include the use of two unique guide RNAs with a modified nuclease that “nicks” one strand of the DNA, providing greater specificity for targeted deletions. The ease of design, the specificity of the guide RNA, and the simplicity of the CRISPR/Cas9 system have resulted in rapid demonstration of the utility of this method of editing genomes in plants and other organisms (reviewed in Baltes and Voytas, 2014). Genome editing, especially CRISPR, is changing rapidly. At the time the committee's report was being written, non-Cas9 endonucleases (for example, Cpf1) had been recently described for CRISPR genome editing (Zetsche et al., 2015).

When the committee was writing its report, applications of SSNs in genome editing had been used mostly to introduce mutations at the target locus through NHEJ to produce gene knockouts. As shown in Figure 7-1, nucleases can also be used for sequence replacement via HDR (or potentially NHEJ) if a donor DNA is co-introduced into the cell. Multiple types of donor molecules can be used. First, an alternative allele of the target locus can be introduced in such a way that the modified gene encodes a protein that confers a novel or enhanced trait. For example, modification of a specific single nucleotide in the acetolactate synthase (ALS) gene can confer resistance to herbicides that use ALS inhibition as their mode of action (Jander et al., 2003). Second, homologous recombination can be used to introduce a novel sequence at that locus. This “precision genome insertion” by engineering of a landing site would eliminate the semirandom insertion of transgenes in Agrobacterium-mediated and gene gun-mediated transformation methods. It would also permit combining of modified or edited genes at a single locus, termed “trait landing pads,” in the genome rather than randomly in the genome, so it would be easier to add new traits to a GE crop that are physically linked in the genome (Ainley et al., 2013). This strategy would also enable the removal of inserted genes when desired.

Genome editing via CRISPR and other techniques might be performed in plants via transient expression of transgenes (Clasen et al., 2016) or without exogenous DNA at all (Woo et al., 2015) resulting in GE plants that lack the transgene. Clasen et al. (2016) used a genetically encoded TALEN pair to produce specific mutations in potato protoplasts. Potato plants recovered from the protoplasts with mutated targeted alleles contained a new quality trait, and seven of the 18 GE lines did not contain any TALEN transgene constructs in the potato genome. Woo et al. (2015) used in vitro–translated Cas9 protein coupled to guide RNA to mutate genes in Arabidopsis, tobacco, lettuce, and rice protoplasts, from which mutated plants were recovered. Thus, it appears that genome editing can be performed in crops without leaving any transgenic DNA footprint in the genome. In the absence of any off-target mutations, which is evident from deep targeted sequencing in the potato experiment (Woo et al., 2015), genome-editing reagents 4 that do not leave a transgene in the genome would appear to be a valuable crop-breeding approach.

The above examples center on the use of SSNs to cleave DNA and introduce permanent changes in the sequence of the double-stranded DNA through either NHEJ or HDR. However, there are other applications by which proteins that bind to DNA in a sequence-specific manner can be exploited to modify genes and gene activity. They include fusion of the DNA-binding features of zinc finger proteins (ZFPs) or TALEs to activate domains to produce synthetic transcriptional activators. Without activator fusions, the ZFPs or TALEs can be used as transcriptional repressors. The design features of ZFPs and TALEs enable the production of synthetic transcription factors (TFs) to regulate the expression of practically any target gene (Figure 7-3). Indeed, TALE-TFs have been used in tandem to produce additive gene activation in transgenic plants (Liu et al., 2014). For the CRISPR/Cas9 system, a suite of molecules can be fused with a catalytically inactive Cas9 nuclease (dCas9) to permit a wide array of modifications of gene regulation, collectively known as CRISPR interference (reviewed in Doudna and Charpentier, 2014 Figure 7-3). Perhaps the simplest application is fusion of the dCas9 to a transcriptional activator or a transcriptional repressor when introduced into a cell with a guide RNA, the transcriptional activator or repressor can modify the number of transcripts of the target gene in a way similar to ZFPs and TALEs. The dCas9 genes could potentially be fused with chromatin modification genes and guided to a target region by the guide RNA to modify the epigenetic state of a locus and thereby affect transcription (Doudna and Charpentier, 2014).

FIGURE 7-3

Alternative uses of genome-editing technologies. SOURCE: Illustration provided by C. R. Buell. NOTE: A, A zinc finger or transcription activator-like effector (TALE) (blue) can be fused to a transcriptional activator (green) to increase transcription (more. )

FINDING: Exploitation of inherent biological processes𠅍NA binding-zinc finger proteins (ZFNs), pathogen-directed transcription of host genes (TALEs), and targeted degradation of DNA sequences (CRISPR/Cas)—now permit precise and versatile manipulation of DNA in plants.

Artificial and Synthetic Chromosomes

Increased knowledge of biological processes and advanced molecular-biology tools will not only facilitate the engineering of multiple genes into plants but will also make possible the insertion of complete and novel biochemical pathways or processes. DNA constructs used in plant genetic engineering have been small (less than 20� kilobases) and have used traditional molecular cloning techniques that are slow and laborious. However, new and inexpensive methods of synthesizing DNA molecules and assembling them into larger DNA molecules have been developed. The methods permit rapid, easy construction of multigene pathways on a single DNA molecule (for review, see Ellis et al., 2011). The feasibility of the techniques has been demonstrated by the synthesis of an entire bacterial genome (Gibson et al., 2010) and the creation of a synthetic yeast chromosome (Annaluru et al., 2014). Researchers would like to be able to introduce tens to hundreds of genes into plants. One method envisaged to accomplish such advances would be the use of artificial minichromosomes or synthetic chromosomes. An artificial minichromosome is a chromosome added into the plant's natural composite of chromosomes in the nucleus. A synthetic chromosome (Annaluru et al., 2014) is a total synthesis of DNA to replace a natural chromosome or even an entire organelle genome, such as the plastome genome.

Artificial or synthetic chromosomes and genomes would allow the assembly of a large number of genes in a self-replicating molecule. In eukaryotes, chromosomes are linear DNA molecules with the proper sequences for replication (origins of replication), integrity (telomeres), and segregation in dividing cells (centromeres). The use of artificial or synthetic chromosomes would permit the introduction of genes into plants in a manner that does not have the potential to disrupt genes on native plant chromosomes at the sites of insertion.

No synthetic chromosomes or genomes have been created in plants, but the methods used to make a yeast synthetic chromosome (Annaluru et al., 2014) should be transferrable to plants. Yeast chromosome III, which is 316,617 bases, was replaced with a laboratory-synthesized chromosome of 272,871 bases. The chloroplast genome, which is one-half to one-third the size of yeast chromosome III, could foreseeably be synthesized and inserted into a plant, such as tobacco, that is already amenable to plastome transformation. The cost of DNA synthesis continues to decrease, so experimental development in this field would be economically feasible.

Research on artificial minichromosomes for plants has generally taken two approaches (reviewed in Gaeta et al., 2012 Birchler, 2015). In the 𠇋ottom-up” approach, the key parts of a chromosome—such as the centromere, telomere, origin of replication, and genes of interest𠅊re assembled, and this results in a de novo minichromosome. Although progress has been made with this approach, additional characteristics, such as epigenetic modification of DNA nucleotides, can affect gene expression (see below) and the ability of the minichromosome to be replicated in a cell and have prevented the approach from being used routinely. The “top-down” approach essentially uses existing chromosomes𠅊pproximating the synthetic yeast chromosome approach—to build an artificial chromosome with an existing template. This approach has resulted in transmission of the minichromosome through meiosis but not as efficiently as that of native chromosomes. Neither approach has resulted in practically deployable minichromosomes. Thus, the use of a synthetic approach to replace DNA systematically, analogous to the approach in the yeast project, might be possible in the future (Birchler, 2015). It might also be possible that current bottom-up or top-down approaches could work in clonally propagated crops, such as potato, given that meiosis is not required (Birchler, 2015).

With a robust knowledge base of genes underlying plant biochemistry, precise constructs can be synthesized in vitro and introduced into a heterologous species through Agrobacterium-mediated or gene gun-mediated transformation or nuclease-targeted insertion at a single selected site. For example, sweet wormwood (Artemisia annua) produces artemisinin, an antimalarial compound. With five genes from yeast and from A. annua, tobacco was engineered to synthesize artemisinin (Farhi et al., 2011). Although the yield of artemisinin in tobacco was lower than that in A. annua, this proof-of-concept study demonstrated the feasibility of engineering heterologous biosynthetic pathways in plants. With further refinement of promoters, improved understanding of metabolite compartmentalization and transport and flux in cells and tissues, and development of such vectors as artificial chromosomes capable of transferring large segments of DNA to plant cells, genetic engineering of plants for complex traits, such as heterologous or novel biochemical pathways, and for specialized physiological and developmental processes, such as C4 photosynthesis, may be possible (see Chapter 8 for detail).

Targeted Epigenetic Modifications

As outlined earlier in this chapter, relatively stable, heritable changes in the expression of specific genes can result from changes in the epigenome. Changes in the methylation of DNA in particular are most likely to result in heritable changes in gene expression in plants. As the understanding of the biochemistry of the systems that change DNA methylation patterns increases, the ability to target specific genes for epigenetic modifications also increases. Such targeting would involve expressing the proteins and perhaps also specific nucleic acids (for example, a guide RNA) that would direct DNA methylation to a specific locus. The targeting system could be removed after the epigenetic modification is accomplished𠅏or example, by using conventional plant breeding to segregate the targeting system.

On the key issue of safety, changing the epigenetic modifications of particular plant genes presents no fundamental problems the genomes of plants are replete with epigenetic modifications, and epigenetically modified DNA has been in the environment and consumed by humans for thousands of years. Thus, the safety issue is the same as that involved in any technique, whether genetic engineering or non-genetic engineering, that results in an increase or decrease in the expression of specific genes in a plant and in specific trait alterations.

It should be noted that, in addition to targeted approaches, there are several ways to broadly and randomly alter the epigenome of a plant, such as overexpression of an enzyme that alters DNA methylation. Of course, broad and random approaches to altering a plant genome are not new: mutagenesis is a broad and random approach to genome modification. The utility of broad and random approaches to genome or epigenome modification is that if the biochemistry or genetics of a process is not sufficiently understood to permit a targeted approach—whether a genetic-engineering or a non–genetic-engineering approach (such as marker-assisted breeding)𠅊 random approach might produce a desirable result. As discussed above, broad and random approaches will result in more unknown changes than targeted approaches.

Consistency is typically a desirable feature of new plant varieties. Given that epigenetic changes can revert to the initial state at varied frequencies, epigenetic modification might not be an ideal approach to produce new plant varieties. However, if a new plant variety derived from an epigenetic change is superior to stable alternatives, the potential for some degree of reversion may not be an obstacle to commercialization.


A brief history of genetic modification

Genetic modification dates back to ancient times, when humans influenced genetics by selectively breeding organisms, according to an article by Gabriel Rangel, a public health scientist at Harvard University. When repeated over several generations, this process leads to dramatic changes in the species.

Dogs were likely the first animals to be purposefully genetically modified, with the beginnings of that effort dating back about 32,000 years, according to Rangel. Wild wolves joined our hunter-gatherer ancestors in East Asia, where the canines were domesticated and bred to have increased docility. Over thousands of years, people bred dogs with different desired personality and physical traits, eventually leading to the wide variety of dogs we see today.

The earliest known genetically modified plant is wheat. This valuable crop is thought to have originated in the Middle East and northern Africa in the area known as the Fertile Crescent, according to a 2015 article published in the Journal of Traditional and Complementary Medicine. Ancient farmers selectively bred wheat grasses beginning around 9000 B.C. to create domesticated varieties with larger grains and hardier seeds. By 8000 B.C., the cultivation of domesticated wheat had spread across Europe and Asia. The continued selective breeding of wheat resulted in the thousands of varieties that are grown today.

Corn has also experienced some of the most dramatic genetic changes over the past few thousand years. The staple crop was derived from a plant known as teosinte, a wild grass with tiny ears that bore only a few kernels. Over time, farmers selectively bred the teosinte grasses to create corn with large ears bursting with kernels.

Beyond those crops, much of the produce we eat today &mdash including bananas, apples and tomatoes &mdash has undergone several generations of selective breeding, according to Rangel.

The technology that specifically cuts and transfers a piece of recombinant DNA (rDNA) from one organism to another was developed in 1973 by Herbert Boyer and Stanley Cohen, researchers at the University of California, San Francisco, and Stanford University, respectively. The pair transferred a piece of DNA from one strain of bacteria to another, enabling antibiotic resistance in the modified bacteria. The following year, two American molecular biologists, Beatrice Mintz and Rudolf Jaenisch, introduced foreign genetic material into mouse embryos in the first experiment to genetically modify animals using genetic engineering techniques.

Researchers were also modifying bacteria to be used as medications. In 1982, human insulin was synthesized from genetically engineered E. coli bacteria, becoming the first genetically engineered human medication approved by the FDA, according to Rangel.


Chimpanzees already ARE intelligent perhaps it doesn't seem so compared to a human, but they have a basic capability for language, tools and a social structure.

These questions are always tricky because different people weigh the term 'intelligence' with different semantic connotations. For most people, intelligence is synonymous with knowledge Person A knows something I don't, therefore he's intelligent. This is not actually the case. Person A can be more knowledgeable, but intelligence is about what you can do with the knowledge and information you possess, not how much of it you possess. A smart person with less information can (in most normal circumstances) achieve the same results as a less smart person can with more information. (This is a simplification for brevity, but carries the key intent)

I've written a program that plays pick-up-sticks with you. You get to pick the starting count of sticks, how many you can pick up each time, and whether last to pick up wins or loses. It's very hard to beat. In some configurations, it's impossible to beat. Is that because it's intelligent? No, it's because pick-up-sticks is a Turing complete game completely solvable via a simple maths equation. When I teach people the equation, they can beat the program every time because they (avoid the unwinnable scenarios and) play according to the math.

At first, the game looks smart. When you realise what it's doing, you see that it's just blindly following a simple equation.

For the purposes of this question, I've made the players who can now beat the game more knowledgeable I haven't made them smarter, or more intelligent. That brings me to the most important point in what way do you want chimpanzees to be more intelligent?

Do you want them to be able to design and construct houses? Use formal logic? Understand how to (and actually make) paints and then create paintings of nature? Do you want them to be able to design and operate nuclear power plants?

How many of us can actually do anything on this list ourselves?

I'm not saying that chimpanzees are AS intelligent as humans Sure, DNA could be altered a little to give them larger cerebral cortexes and the like, but what we often define as intelligence is more a mix of intelligence (latent capability) and knowledge. Ice age men were no less intelligent than us they just had a lot less information at their fingertips than we do.

The one differentiator between us and chimpanzees is that we've got a far more sophisticated language structure and that (combined with writing and now the internet) allows us to cheaply and quickly pass on our knowledge to others, allowing them to build on it with their own perspectives and experience. It would be interesting to know just how capable chimpanzees could become if they had that same ability, rather than having to learn most things from scratch every generation.


Don’t change your DNA at home, says America’s first CRISPR law

Illustration of CRISPR vial reading "not for human use" Photo by Aaron P. Bernstein/Getty Images

It’s going to be illegal in California to sell “gene-therapy kits” unless they carry a warning that says not to use them on yourself.

Just one wrinkle: we’re not sure any such kit exists. Not yet, anyway.

The consumer protection rule is in a bill signed by Governor Gavin Newsom on July 30 and will become law in January. It targets hobbyist kits employing CRISPR, the versatile gene-editing tool that has revolutionized gene research.

Sales of certain do-it-yourself CRISPR supplies will be prohibited unless they carry a bold notice “stating that the kit is not for self-administration.”

It’s the first law in the US to directly regulate CRISPR, says its author, Republican state senator Ling Ling Chang.

The law appears to take aim at a California resident, Josiah Zayner, whose Oakland company, The Odin, sells genetic-engineering supplies to amateurs online. He won notoriety in 2017 when he filmed himself injecting CRISPR into his own arm.

“It’s obviously targeting me,” says Zayner, an outspoken biohacker also currently under investigation by California Department of Consumer Affairs for practicing medicine without a license.

Asked for examples of products the bill could affect, Chang’s staff provided a link to an Amazon ad for a $159 box of supplies sold by Zayner, which “includes everything you need to make precision genome edits in bacteria at home.”

Legislators want biohacker Josiah Zayner to add warnings to genetic-engineering kits he sells.

Because that kit targets genes in bacteria, however, it wouldn’t have any effect in humans, and it’s not clear why it would need a warning label. “It’s like saying a skateboard needs to have a sticker to say it can’t be used on the freeway. It doesn’t make any sense,” says Zayner.

MIT Technology Review was not able to find any product currently for sale by Zayner or others that would meet the definitions set up by Chang’s legislation.

In any case, the sale of do-it-yourself gene-therapy products is already prohibited. In 2017, the Food and Drug Administration said selling gene-editing products intended for self-administration “is against the law” because they haven’t been approved.

That was the year Zayner taunted health authorities by filming himself self-injecting gene-altering substances. Later, a separate startup company called Ascendance Biomedical said it planned to sell such independent gene treatments to the public.

California state senator Ling Ling Chang wrote the first CRISPR legislation in the US.

Zayner’s injection was a publicity stunt, however. In practice, commercial gene therapy involves transferring genes into the body using billions of viral particles, which Zayner and other biohackers don’t sell and which are hard to make.

“We can’t even make enough for [medical] trials right now,” says Nicole Paulk, an assistant professor at the University of California, San Francisco.

Zayner says that starting in 2017 he did sell one CRISPR product that could target a human gene, the one that encodes a protein called myostatin. Removing that gene with CRISPR can enlarge the size of muscles. Zayner says he expected people might use the DNA instructions he was selling as a building block toward genetic enhancements.

However, he admits his customers misunderstood how many further steps would be involved, such as multiplying and purifying the CRISPR molecules. “People were buying it and sending us messages: ‘How do we inject this?’” says Zayner. He discontinued the product earlier this year.

Why pass a law to regulate a product that doesn't exist? One reason may be that California leads the world in both technology and legislative nannying.

Chang is the sponsor of numerous bills whose topics range from hit-and-runs by drones to microchipping cats and dogs at animal shelters. Via a spokesperson, she said she wanted to be “proactive” and is “concerned about amateur use [of CRISPR] and its impact on consumer safety and public health.”

Lobbyists familiar with the bill’s history say Chang’s staff became alarmed by news articles describing how CRISPR could be misused. These included an interview in Foreign Policy in which Jennifer Doudna, an inventor of the CRISPR tool, described the technology as racing forward without coordination or enough regulation.

“They said, ‘Oh my goodness, there seems to be an underground culture in DIY bio and DIY CRISPR,” says Oliver Rocroi, vice president for government affairs at the California Life Sciences Association, a trade group. He says a worry was that citizens would flush homemade genetically modified organisms down the toilet: “It was ‘Is there a contagion scenario where things spin out of control?'”

A CRISPR gene-editing kit for modifying bacteria, sold online by The Odin

Rocroi said Chang’s staff at first “wanted an outright ban on DIY CRISPR kits,” but after the association pushed back, “they settled on a warning.”

“The downside of a ban is you are preventing people from carrying out experiments that could lead to something,” Rocroi said, explaining the association’s objection. “Like computers in the 1980s, we didn’t want to stop people from using the technology, even if it’s in their home.”

Arguably, a more well-founded worry for legislators is that consumers might emulate experienced biohackers like Zayner, urged on by his promotional videos. For example, a TV show called Jackass featured performers carrying out dangerous stunts, such as setting their farts on fire or being bitten by animals. Several teens died or were injured trying to make their own stunt videos. A “Jackass effect” in genetic modification could prove worrisome.

Zayner thinks legislators are just grandstanding. “It’s like, California, people try to find new technology to regulate, make a name, and say, ‘Hey, California is ahead of everyone else,’” he says. “To me the law is silly. Is it saying you can sell a CRISPR gene therapy, and all you have to do is write on it, ‘Not for human use?’”

You can find the text of Chang's CRISPR law below:

CHAPTER 37. Gene Therapy Kits: Notice

22949.50. Except as permitted by federal law, a person shall not sell a gene therapy kit in this state unless the seller includes a notice on the seller’s internet website in a conspicuous location that is displayed to the consumer prior to the point of sale, and on a label on the package containing the gene therapy kit, in plain view and readily legible, stating that the kit is not for self-administration.

22949.51. For purposes of this chapter, the following definitions apply:

(a) “Gene therapy” refers to the administration of genetic material to modify or manipulate the expression of a gene product, or to alter the biological properties of living cells, for therapeutic use.

(b) “Gene therapy kit” refers to a product that is sold as a collection of materials for the purpose of facilitating gene therapy experiments, including, but not limited to, a system for the targeted cutting of DNA molecules, such as type II clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR), associated proteins (CRISPR-Cas) systems, including CRISPR-Cas9, as described in Regents of University of California v. Broad Institute, Inc. (2018) 903 F.3d 1286.


Future directions for the creation of GMOs

Humans’ ability to modify crops for improved yields and nutrients in a given environment is a keystone of agriculture. The technological advancement from selective breeding to genetic engineering has opened up a large realm of possibilities for the future of our food. As techniques for genetic engineering, such as new RNAi- and nuclease-based technologies that allow for direct modification of the genome (see this article and this article), steadily improve, our ability to create new GMOs will also grow [11]. As our scientific capabilities expand it is essential that we discuss the ethics and ideals surrounding GMOs so that we may effectively and safely use this technology in a way that is acceptable to the public.

Table 1. Summary of the FDA’s Inventory of Completed Biotechnology Consultations on Genetically Engineered Foods as of June 30th, 2015. Crops listed in order of relative abundance of genetically engineered crop consultations (corn having the most consultations). This information is available to the public:
http://www.accessdata.fda.gov/scripts/fdcc/index.cfm?set=Biocon

Chelsea Powell is a PhD student in the Chemical Biology Program at Harvard University.

This article is part of the August 2015 Special Edition, Genetically Modified Organisms and Our Food.


Pozri si video: Genetic Engineering Will Change Everything Forever CRISPR (Február 2023).