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Le moderne tecniche di editing genetico sono in grado di creare versioni geneticamente superiori degli umani?


Possiamo alterare il DNA in, diciamo, un maschio di piccola struttura e bassa massa muscolare a quelli dei bodybuilder d'élite?

Possiamo alterare la sequenza del DNA che ferma la calvizie e la caduta dei capelli? Che ne dici dei geni responsabili del metabolismo osseo, dei profili ormonali e dell'intero fondamento endocrino/tessuto duro degli esseri umani?

Possiamo alterare i geni responsabili dell'aspetto e modificarli in modo che rendano più eccitante una brutta persona?

Fondamentalmente, riassumi questo in: "L'editing genetico può creare versioni geneticamente avanzate di noi stessi?"

Più brutto più bello? Più basso più alto? Da più debole a più forte? Da più lento a più veloce? Da più stupido a più intelligente?


No, questa è ancora fantascienza. Ci sono alcuni tentativi sperimentali per correggere malattie molto semplici, monogeniche. Alcuni degli esperimenti sembrano aver aiutato il paziente, molti sono stati inefficaci e alcuni hanno ucciso il paziente o gli hanno dato il cancro. La terapia genica nell'uomo è ancora nella primissima fase sperimentale. Inoltre, i tratti di cui parli sono quasi certamente governati da più geni e le reti genetiche sono "comprese in modo incompleto", per usare un eufemismo.


Frankenstein redux: La scienza moderna sta creando un mostro?

Gli attuali esperimenti nel campo della scienza e della tecnologia potrebbero portare alla creazione di un moderno mostro di Frankenstein?

Un'imponente bestia gigantesca con la pelle ingiallita, le labbra avvizzite e gli occhi infossati, che si nascondono nell'ombra, in attesa di spremere la vita da chiunque incontri il suo cammino: questa è la creazione di un uomo che ha giocato con la scienza. Sono passati 200 anni da quando Mary Shelley ha piantato i semi che sono diventati il ​​romanzo Frankenstein, e il suo minaccioso avvertimento suona più forte che mai: non interferire con ciò che non capisci.

Abbiamo fatto molta strada dall'idea di cucire insieme parti del corpo in decomposizione e in qualche modo "zapparle" alla vita. Gli esseri viventi non sono più pensati per essere animati da &lsquoenergia animale&rsquo creata dall'anima. Eppure gli scienziati tentano ancora di ricreare la vita in forme diverse, e diversi campi si ritrovano asfaltati con il pennello di &lsquoFrankenstein.

Nessuno più della biologia sintetica. Nel 1999/44 il biologo sintetico di fama mondiale Craig Venter mise in moto la palla esclamando "Shelley avrebbe adorato questo!" quando annunciò l'intenzione di creare il primo genoma biologico sintetico. Successivamente, nel 2009, il filosofo accademico Henk van den Belt, in un articolo pubblicato in Nanoetica, si chiedeva se la biologia sintetica potesse essere accusata di "Giocare a fare il dio sulle orme di Frankenstein" tentando di manipolare la vita.

La biologia sintetica può sembrare l'esempio più ovvio, ma già negli anni '50, 44 anche un altro importante campo sperimentale è stato criticato per aver tentato di fare il dio: l'intelligenza artificiale (AI). Nel 1950'44 Isaac Asimov ha coniato il famigerato &lsquoFrankenstein complex&rsquo nel suo romanzo &lsquoI, Robot&rsquo, con una delle prime predizioni di un mostro robotico di Frankenstein. Diversi altri autori e registi cinematografici mainstream da allora hanno seguito l'esempio.

Allora perché siamo ancora ossessionati da Frankenstein? Perché anche con l'etica più rigorosa e i più alti standard di cura, le cose possono, e fanno, andare storte. Con i progressi della scienza e della tecnologia annunciati ogni giorno, il potenziale di un disastro sembra più vicino che mai.

Quanto dovremmo preoccuparci dei campi scientifici che tentano di creare nuova vita? C'è qualche reale possibilità che qualcuno possa creare una versione moderna della Creatura che tanto affliggeva l'esistenza di Victor Frankenstein? Fermiamoci a considerare cosa potrebbe accadere se le cose andassero storte.

Biologia sintetica

Questo campo ha probabilmente ricevuto il peso maggiore dei confronti di Frankenstein nel corso degli anni. Ci sono state innumerevoli storie nei media sui moderni esperimenti di Frankenstein e sugli scienziati che tentano di creare e manipolare artificialmente organismi viventi. Quanto è giustificato questo confronto, e dovremmo davvero aver paura?

Nel complesso, la biologia sintetica riguarda l'ingegneria delle scienze naturali per renderla migliore o più utile. In effetti, molti professionisti in questo campo non sono scienziati della vita di formazione, ma ingegneri che hanno attraversato l'area.

Contrariamente a ciò che i media potrebbero far credere - afferma Richard Hammond - 44 capo della biologia sintetica presso i consulenti di Cambridge - 44 la comunità synbio non è costituita da scienziati pazzi nei laboratori. Piuttosto "l'intento della maggior parte delle persone che lavorano nel campo è migliorare le cose in qualche modo" commenta. &ldquoCi sono problemi molto reali e difficili nel mondo che le persone stanno cercando di risolvere.&rdquo

Per fare questo, i biologi sintetici prendono molecole naturali e le riassemblano per creare sistemi che agiscono in modo innaturale. La manipolazione degli organismi in questo modo può essere utilizzata per tutta una serie di usi, dalla diagnostica alla creazione di micro-fabbriche, 44 sotto forma di cellule "riprogrammate" che producono farmaci e altre sostanze chimiche. In passato i biologi sintetici hanno prodotto strumenti diagnostici per malattie come l'HIV e i virus dell'epatite.

Naturalmente, ci sono dei rischi nell'uso di una tecnologia di questo tipo,, ma questi non sono diversi da quelli posti da qualsiasi altro tipo di ricerca scientifica. A volte, gli esperimenti non vanno come previsto,, ma a condizione che vengano eseguiti in circostanze controllate, questo non dovrebbe essere un problema.

"Il problema è che la paura domina la conversazione", afferma Rob Carlson, direttore di Bioeconomy Capital. &ldquoCi sono molti paesi nel mondo in cui storie spaventose sulla biologia sintetica o sugli organismi geneticamente modificati oscurano completamente qualsiasi fatto che potrebbe essere disponibile.&rdquo

Una delle preoccupazioni degli scienziati è la potenziale discrepanza tra la conoscenza di come funzionano realmente i sistemi biologici e la capacità di modificarli. Le tecniche di modifica genetica di cui dispone la scienza derivano quasi tutte dalla natura, ma piccole modifiche alla biochimica hanno prodotto strumenti sempre più potenti.

Scoperto nel 2012,, il sistema Crispr-Cas9 consente l'editing di precisione di tutti i tipi di cellule - batteri e animali 44 - con pochi rischi che le modifiche si presentino nella parte sbagliata del genoma. Si è dimostrato efficace negli studi di laboratorio nell'affrontare malattie e condizioni ereditarie modificando le mutazioni genetiche nei genomi. Ciò ha incluso studi di laboratorio in cui i genomi dei topi sono stati modificati con successo per correggere le mutazioni che causano la tirosinemia ereditaria del disturbo metabolico negli esseri umani.

Tuttavia, con questa maggiore fiducia nell'abilità di editing, c'è il rischio, afferma Seth Goldstein, professore associato di informatica alla Carnegie Mellon University, che è particolarmente preoccupato per i recenti rapporti secondo cui gli scienziati in Cina hanno utilizzato Crispr-Cas9 per modificare non embrioni umani vitali per renderli resistenti all'infezione da HIV.

"La notizia che i cinesi hanno recentemente utilizzato Crispr-Cas9 per modificare un embrione umano è una delle cose più spaventose che ho letto nel recente passato,", dice. &ldquoPensiamo di saperne più di quello che sappiamo e inizieremo a selezionare per i nostri figli in base a cose che non capiamo veramente.&rdquo

Il risultato combinato di tutte queste preoccupazioni è che la ricerca sulla biologia sintetica è soggetta a enormi vincoli in termini di restrizioni e regolamenti, 44 che non solo impediscono l'ingresso di materiali pericolosi nell'ambiente, 44 ma impediscono anche che applicazioni potenzialmente salvavita entrino nel campo .

Nel 2012 i ricercatori dell'Università di Cambridge hanno annunciato di aver sviluppato biosensori da utilizzare per rilevare l'arsenico nelle acque sotterranee, una benedizione per paesi come il Bangladesh, dove l'acqua contaminata causa seri problemi alla popolazione. Il biosensore, sviluppato dal dott. Jim Ajioka e dal dott. Jim Haseloff, è economico,, non tossico e facile da usare,, ma il progetto si è bloccato perché il sensore non è approvato in Europa.

"La Commissione europea sta essenzialmente bloccando la sua introduzione perché non dispone di alcun meccanismo adeguato per affrontare questo tipo di innovazione" afferma Richard Kitney, professore di ingegneria dei sistemi biomedici presso l'Imperial College di Londra.

Progetti come questo non si scontrano solo con i blocchi governativi. "Molte ONG là fuori hanno l'atteggiamento di "questo potrebbe essere pericoloso, quindi è meglio non farlo" dice Kitney. &ldquoQuello che non fanno è prendere in considerazione il rischio di non fare nulla. Ci sono letteralmente migliaia di persone in Bangladesh che muoiono o sono gravemente sfigurate dall'assunzione di arsenico nelle acque sotterranee.&rdquo

Materia programmabile

Per il progetto di ricerca Symbrion, i ricercatori del Bristol Robotics Laboratory e altri gruppi hanno progettato robot cubici che potevano muoversi e agire individualmente ma, se programmati, avrebbero funzionato insieme, persino combinandosi in un robot più grande e più capace. L'idea è il primo passo verso la "materia programmabile".

Il ricercatore Alan Winfield'44 in robotica cognitiva presso il laboratorio afferma che i robot da 10 cm erano "assurdamente grandi" ma dimostrano cosa si potrebbe ottenere con sistemi meccanici che cooperano tra loro. &ldquoSe immaginassi di ridurre quei robot a cose di una frazione delle dimensioni di una zolletta di zucchero, e se ne avessi centinaia,, allora otterresti qualcosa che si avvicina a quella che potresti chiamare materia programmabile,", dice.

Ci sono molte potenziali applicazioni di tale tecnologia. In situazioni di disastro, sciami di robot microscopici potrebbero essere inviati in edifici crollati per prendersi cura dei sopravvissuti feriti. Rimpiccioliti ulteriormente, gli sciami potrebbero essere utilizzati per eseguire procedure mediche all'interno del corpo umano, entrando attraverso un'incisione delle dimensioni di un buco della serratura.

La miniaturizzazione, però, è il problema. "Se vuoi avere robot che sono letteralmente delle dimensioni di un granello di sabbia, certamente possono essere realizzati in questo momento" e probabilmente possono essere realizzati anche nel prossimo futuro "44" afferma Winfield.

La materia programmabile nella finzione fornisce un potenziale mostro: prendi il robot morphing T-1000 dai film di Terminator o il nanobot senziente e genocida di Michael Crichton &lsquoswarms nel suo romanzo del 2002 &lsquoPrey. Ma, Winfield crede che questo tipo di rischio sia in gran parte ipotetico. Sarebbe semplice introdurre un kill switch per far sì che i singoli robot si separino e diventino dormienti, sostiene. Ciò presuppone che il robot assemblato abbia una volontà propria.

&ldquoPrendere un intero gruppo di cellule e semplicemente gelificarle insieme non fa una cosa intelligente,&rdquo, dice. &ldquoLa materia programmabile è più simile a una spugna che a una macchina intelligente autonoma.&rdquo

Se il kill switch fallisce, il semplice fatto di morire di fame la creatura la disattiverebbe quasi sicuramente.

"La maggior parte dei robot,, inclusi quelli dei nostri progetti,, hanno una batteria,, il che significa che hanno una durata fissa,", afferma Winfield. &ldquoUna volta che l'energia si esaurisce, allora il robot smette di funzionare.&rdquo
In ogni caso, Winfield sostiene, la situazione si porrebbe solo se qualcuno dovesse progettare un sistema di robot autoassemblanti che si replicassero. Ciò aggiungerebbe ancora più complessità a qualcosa che è già difficile da miniaturizzare.

Il più vicino che potremmo ottenere anche a medio termine è una sonda robot inviata su Marte o su qualche altro pianeta insieme a una stampante 3D e una materia prima che le consentirebbe di ripararsi sul campo. Questa è l'essenza del concetto di esplorazione interstellare di John von Neumann: ogni robot spinge gli altri ad avventurarsi oltre. La capacità di rendere autosufficiente un gruppo di macchine è ancora lontana. La chiave sarà assicurarsi che non si replichino in una minaccia.

Intelligenza artificiale

Elon Musk è il sostenitore di diverse ambiziose iniziative tecnologiche: non solo auto elettriche, ma anche veicoli spaziali e un tubo da viaggio supersonico. Tuttavia è preoccupato per la prospettiva di un mostro tecnologico: l'IA. Ha scritto su Twitter nel 2014: "Spero di non essere solo il boot loader biologico per la superintelligenza digitale". Sfortunatamente, è sempre più probabile.&rdquo

Stephen Hawking ha paure simili. In un'intervista con la BBC nel 2014/44 ha affermato che lo sviluppo completo dell'IA "potrebbe segnare la fine della razza umana". Sebbene le forme primitive di intelligenza artificiale sviluppate finora si siano già dimostrate molto utili, Hawking afferma di temere le conseguenze della creazione di qualcosa che possa eguagliare o superare gli umani. Nessuno degli esempi che abbiamo oggi si avvicina nemmeno lontanamente a essere in grado di farlo.

Ci sono molti esempi di tentativi di creare l'intelligenza artificiale dal programma per computer AlphaGo di Google che gioca a Go, al chatbot Twitter per adolescenti di Microsoft Tay, ma questi non sono davvero all'altezza della vera "intelligenza" del tipo di cui sono preoccupati Hawking e Musk. AlphaGo ha capacità limitate al di fuori di giocare a Go'44 e le abilità di Tay si limitano a rigurgitare i tweet di altri utenti di Twitter.

Ma cosa potrebbe succedere se una macchina diventasse veramente intelligente, forse anche senziente?

Una delle preoccupazioni è che una macchina del genere possa provocare una "singolarità tecnologica", un evento ipotetico in cui l'IA diventa capace di costruire autonomamente macchine sempre più intelligenti e potenti. Sembra spaventoso, ma molte persone che lavorano nel campo della robotica sostengono che la vera intelligenza artificiale, come quella che potrebbe portare a una situazione del genere, è ancora molto lontana, se davvero potrà mai essere realizzata.

Gli interessi di ricerca del professor Robert Sparrow alla Monash University includono l'etica applicata. Sottolinea che la maggior parte degli argomenti a favore del raggiungimento della senzienza delle macchine hanno a che fare con il confronto dei neuroni nel cervello con i transistor sui chip. La realtà, dice, è molto più complicata.

&ldquoSe guardi a cosa fa ticchettare gli esseri umani quando cerchiamo di ripararli, quando qualcuno va da uno psichiatra quando sono malati di mente,, siamo completamente all'oscuro di come funziona il cervello, e i nostri trattamenti sono ridicolmente primitivi,&rdquo lui dice. &ldquoSe qualcuno mi dicesse che costruiranno un robot senziente nei prossimi 20 anni, sarei molto sorpreso.&rdquo

Anche Noel Sharkey, informatico e co-direttore della Foundation for Responsible Robotics, è scettico. "Come scienziato non potrei mai dire mai" dice quando riflette sulla questione se raggiungeremo mai la senzienza delle macchine. &ldquoIo non penso che abbiamo alcun controllo sulla senzienza. Sembra essere una cosa abbastanza diversa da un programma in esecuzione su una macchina non vivente.&rdquo

Tuttavia, Sparrow ammette che la possibilità di un robot senziente è molto preoccupante.

"Penso che potenzialmente sia immensamente pericoloso" dice. &ldquoAlcune delle persone che credono che siamo sul punto di creare la coscienza della macchina credono che questo renderà gli esseri umani obsoleti&44 che saremo presto superati dalle nostre macchine.&rdquo

Essere costretti alla sottomissione da una razza di esseri superiori è una prospettiva inquietante e sorprendentemente simile alle paure di Victor Frankenstein. Nel romanzo, Victor si rifiuta di fare un compagno per la sua Creatura per paura che i loro figli possano soppiantare la razza umana, descrivendo i bambini come "razza di diavoli" che potrebbero rendere l'esistenza stessa della specie umana una condizione precaria e pieno di terrore.&rdquo

&ldquoSe stai cercando un Frankenstein contemporaneo, è l'intelligenza artificiale,&rdquo, dice Sparrow. &ldquoEcco dove la gente pensa che un giorno ci sarà la possibilità che faremo qualcosa che si guarderà indietro a noi, o forse deciderà anche di spazzarci via tutti.&rdquo

In passato, Elon Musk ha chiesto una supervisione normativa sulla ricerca sull'intelligenza artificiale per assicurarsi che nessuno facesse nulla di "molto sciocco". Questo è esattamente ciò che Noel Sharkey e altri della Foundation for Responsible Robotics stanno tentando di implementare, partendo da un livello molto più semplice rispetto alla ricerca della vera IA. "Dobbiamo stare molto attenti al controllo che cediamo alle macchine e garantire sempre la supervisione umana" dice Sharkey.

&ldquoNon ci vorrebbero macchine super-intelligenti per conquistare il mondo. La naturale stupidità degli umani potrebbe concedere troppo controllo a macchine stupide, dice. &ldquoMa io credo nell'umanità e nella nostra capacità di mantenere il controllo, a condizione che iniziamo a mettere in atto buone politiche ora, riunendo tutte le parti interessate per discutere del bene comune.&rdquo

L'avvertimento di Shelley

Nel più recente adattamento cinematografico del romanzo di Mary Shelley, l'assistente di Victor Frankenstein, Igor tenta di rassicurare una conoscente spaventata con le parole: "Ogni giorno la scienza e la tecnologia cambiano il modo in cui viviamo le nostre vite". Eppure evita di dichiarare come i cambiamenti potrebbe influenzare l'umanità.

Nel momento in cui Shelley scrisse Frankenstein'44 l'Illuminismo - un periodo di rapidi progressi nella scienza e nella tecnologia - stava volgendo al termine. Il suo romanzo ha sottolineato il problema di vedere ogni progresso come inevitabilmente un potere per il bene. Victor si rende conto solo troppo tardi di ciò che stava cercando di ottenere: &ldquoL'avevo desiderato con un ardore che superava di gran lunga la moderazione, ma ora che avevo finito, la bellezza del sogno svaniva, e l'orrore e il disgusto senza fiato mi riempivano il cuore.&rdquo

La biologia sintetica dell'intelligenza artificiale e la materia programmabile hanno tutte il potenziale per cambiare le nostre vite, ma possono contenere l'essenza di mostri che nessuno voleva creare. La differenza rispetto al romanzo è che le persone pensano a come potrebbe andare storto e come prevenirlo. Fai solo attenzione a coloro che affermano che i risultati saranno naturalmente belli.

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GM 2.0? 'L'editing genetico' produce OGM che devono essere regolamentati come OGM

C'è stato molto nelle notizie di recente sull'etica dell'editing genetico negli esseri umani.

Ma, ancora in gran parte inosservato, la Commissione europea sta valutando se l'editing genetico di piante e animali, ad esempio in agricoltura, sia esentato dalla regolamentazione o addirittura non rientri nell'ambito del diritto dell'UE che disciplina gli organismi geneticamente modificati (OGM).

In altre parole, se i prodotti dell'editing genetico debbano essere etichettati e regolamentati come OGM, o autorizzati a entrare nella catena alimentare non testati e non etichettati.

Se credi alle affermazioni dei sostenitori, l'editing genetico non è altro che il "ritocco" del DNA nelle piante e negli animali - niente di cui preoccuparsi.

Ma la realtà è che l'editing genetico è semplicemente GM 2.0, con molte delle stesse preoccupazioni e problemi delle colture GM che gli europei hanno già rifiutato.

Che cos'è l'editing genetico?

L'editing genetico è una forma di ingegneria genetica. Copre una gamma di nuove tecniche di laboratorio che, proprio come le vecchie tecniche di ingegneria genetica, possono modificare il materiale genetico (di solito il DNA) di un organismo vivente, ad esempio una pianta o un animale, senza riprodursi.

Per molti aspetti, sono simili all'ingegneria genetica "tradizionale" che conosciamo. La differenza è che queste tecniche possono modificare il DNA della pianta o dell'animale in una posizione specifica "mirata", rispetto all'inserimento di geni in posizioni casuali caratteristiche delle tecniche precedenti.

Molte di queste tecniche possono essere utilizzate per inserire i geni di una specie non correlata in una pianta o in un animale come fa l'ingegneria genetica tradizionale ei prodotti risultanti, con i loro nuovi geni, sarebbero considerati OGM. Ma non tutte le applicazioni dell'editing genetico comportano l'inserimento di nuovi geni.

Il dibattito attuale riguarda le applicazioni dell'editing genetico che, invece di inserire geni, riscrivono i geni utilizzando una sorta di 'macchina da scrivere del DNA'. La domanda è se piante e animali con geni "modificati" (senza nuovi geni inseriti) debbano essere regolamentati come OGM.

I prodotti dell'editing genetico con geni riscritti che potrebbero essere importati, coltivati ​​o coltivati ​​in Europa nel prossimo futuro, incluso il Regno Unito, includono una colza tollerante agli erbicidi, prodotta con una tecnica nota come mutagenesi diretta da oligonucleotidi (ODM), e bovini senza corna, sviluppati attraverso una tecnica nota come 'CRISPR'.

CRISPR sta diventando ben noto negli ambienti scientifici in quanto metodo particolarmente efficiente di editing genetico.

I rischi dell'editing genetico?

Con le attuali colture GM commerciali, una delle maggiori preoccupazioni è che possono derivare, e sono risultati, effetti imprevisti dal processo di ingegneria genetica, e questi possono influenzare la sicurezza alimentare e ambientale. Questi effetti possono includere livelli alterati di tossine o composti nutrizionali e cambiamenti nella chimica delle proteine, che potrebbero produrre nuovi allergeni.

Ecco perché l'UE ha stabilito regolamenti per gli organismi geneticamente modificati, imponendo loro di sottoporsi a una valutazione del rischio ambientale e sanitario prima che vengano coltivati ​​o allevati commercialmente o entrino nella catena alimentare. Tuttavia, permangono dubbi sull'efficacia di tali valutazioni.

L'ingegneria genetica "tradizionale" implica l'inserimento casuale di geni (o sequenze genetiche) nel genoma di un organismo. I sostenitori ci dicono che l'editing genetico è molto più preciso delle tecniche di ingegneria genetica con cui abbiamo familiarità. Ma cosa si intende esattamente per "preciso" qui?

Le tecniche di modifica genetica possono forse essere più precise al livello e al punto in cui il DNA è alterato, ma come questo DNA alterato possa influenzare le interazioni con altri geni e processi all'interno della cellula è in gran parte sconosciuto. È importante sottolineare che queste interazioni gene-gene all'interno della cellula si riflettono nell'organismo nel suo insieme.

Gli effetti del DNA alterato sulla salubrità come alimento e sul modo in cui l'organismo interagisce con l'ambiente sono lungi dall'essere conosciuti con precisione. Pertanto, sebbene l'editing genetico possa essere più preciso nella posizione prevista in cui il DNA viene modificato, esiste ancora il potenziale per effetti imprevisti e imprevedibili.

Tali effetti potrebbero avere implicazioni per la sicurezza di alimenti, mangimi e ambiente se aumentano i livelli di composti tossici, riducono i livelli di composti nutrizionali o addirittura producono nuovi allergeni.

Alterazioni genetiche "fuori bersaglio"

Proprio come l'ingegneria genetica tradizionale, le tecniche di modifica genetica possono causare alterazioni indesiderate nel DNA. Ad esempio, diverse tecniche di modifica genetica utilizzano le cosiddette "forbici molecolari" per tagliare il DNA come parte del processo di modifica.

Queste forbici molecolari a volte hanno i cosiddetti effetti "fuori bersaglio". Ciò significa che il DNA viene tagliato in luoghi non previsti così come nei luoghi previsti, causando accidentalmente ulteriori alterazioni genetiche.

Anche altre tecniche di editing genetico come l'ODM potrebbero modificare il DNA nel posto sbagliato. Inoltre, il gene appena modificato potrebbe interagire con altri geni in modi diversi, influenzando la composizione e la produzione delle proteine, la chimica e il metabolismo.

Molte delle tecniche di modifica genetica sono così nuove che non è ancora possibile valutare appieno il potenziale e le conseguenze di cambiamenti non intenzionali. È importante sottolineare che solo perché gli organismi modificati geneticamente non contengono DNA estraneo, questo non li rende sicuri.

Inoltre, vi sono prove crescenti di effetti "fuori bersaglio". Il cambiamento previsto (ad es. tolleranza a un erbicida o bestiame senza corna) può essere chiaro da vedere, ma i cambiamenti non intenzionali non sono immediatamente evidenti e certamente non evidenti se non vengono cercati. È un caso di "non guardare, non troverai".

La legge è chiara: l'editing genetico è ancora ingegneria genetica

La questione attualmente dibattuta nell'UE è se anche piccole "modifica", cioè modifiche, inserimenti o delezioni, di segmenti di DNA senza l'inserimento di nuovi geni debbano essere considerate come produttori di un OGM, o non rientrino nell'ambito di applicazione diritto europeo.

Al centro di questo dibattito c'è la questione di quale sia la distinzione tra l'allevamento convenzionale che prevede l'accoppiamento e gli OGM. Sia nel diritto comunitario (Direttiva 2001/18) (Cfr. l'articolo 2, paragrafo 2 e gli allegati di seguito) e l'accordo delle Nazioni Unite sugli OGM - il Protocollo di Cartagena, stipulato nell'ambito della Convenzione sulla diversità biologica - Gli OGM comportano nuove disposizioni di materiale genetico che non si trovano in natura e alterazioni del materiale genetico apportate direttamente senza accoppiamento.

La direttiva contiene allegati che definiscono esattamente quali tecniche di alterazione genetica rientrano o meno nella definizione (riprodotto integralmente di seguito). Tuttavia, l'editing genetico semplicemente non viene menzionato: la tecnologia non esisteva nel 2001 quando è stata scritta la legge. Ciò significa che dobbiamo fare affidamento sulla definizione iniziale:

"'Organismo geneticamente modificato (OGM)' indica un organismo, ad eccezione degli esseri umani, il cui materiale genetico è stato alterato in un modo che non avviene naturalmente per accoppiamento e/o ricombinazione naturale"

Allo stesso modo, il Protocollo di Cartagena, adottato nel 2000, non elenca specificamente l'editing genetico come una tecnologia inclusa nella sua definizione (versione completa sotto). Tuttavia la tecnologia, ancora una volta, è racchiusa nel semplice significato delle parole:

"'Organismo vivente modificato' indica qualsiasi organismo vivente che possiede una nuova combinazione di materiale genetico ottenuto attraverso l'uso della moderna biotecnologia. Per "biotecnologia moderna" si intende l'applicazione di: a. Tecniche di acido nucleico in vitro, tra cui . "

In termini di direttiva, è esatto dire che negli organismi geneticamente modificati "il materiale genetico è stato alterato in un modo che non si verifica naturalmente dall'accoppiamento e/o dalla ricombinazione naturale".

In termini di Protocollo di Cartagena, è esatto dire che un organismo modificato geneticamente "possiede una nuova combinazione di materiale genetico ottenuto attraverso il . applicazione di . Tecniche di acido nucleico in vitro".

Quindi di fatto - nonostante le astruse argomentazioni legali dispiegate dai sostenitori di GM - la legge è perfettamente chiara sulla questione. Secondo le definizioni dell'UE e di Cartagena, l'editing genetico produce OGM.

Pertanto, per rimuovere o esentare l'editing genetico dalla regolamentazione, come desiderano i sostenitori degli OGM, l'UE dovrebbe modificare la direttiva esistente. Se si tentasse di interpretare la Direttiva come auspicano i sostenitori degli OGM, la decisione verrebbe sicuramente impugnata presso la Corte Europea, ad esempio da uno dei tanti Paesi dell'UE contrari all'uso degli OGM in agricoltura - dove a nostro avviso dovrebbe essere bocciata.

Ha importanza se l'editing genetico non è classificato come tecnica geneticamente modificata?

Se le colture e gli animali sviluppati mediante tecniche di modifica genetica sono ufficialmente considerati non OGM o esentati dalle leggi UE sugli OGM, allora entreranno nella catena alimentare e nell'ambiente completamente non regolamentati e non etichettati.

Ciò significa che non vi sarebbe alcuna valutazione della sicurezza alimentare o ambientale, nessun obbligo di rilevare eventuali alterazioni indesiderate del DNA degli organismi o delle sue conseguenze e nessuna valutazione delle implicazioni del carattere prodotto dall'editing genetico (ad es. tolleranza agli erbicidi).

Gli alimenti modificati geneticamente non dovrebbero essere etichettati. I consumatori europei hanno detto clamorosamente "No!" alle colture GM, ma non ci sarebbe modo per i consumatori e gli agricoltori di evitare colture e animali geneticamente modificati se non fossero classificati (e quindi etichettati) come OGM.

È importante sottolineare che, sebbene l'editing genetico possa essere promosso in quanto causa solo piccoli cambiamenti nel DNA, può essere utilizzato ripetutamente per ottenere cambiamenti sostanziali in uno o anche più geni. Ciò solleva la preoccupazione che le alterazioni possano comportare l'introduzione, ad esempio, di percorsi chimici completamente nuovi all'interno di una pianta o di un animale con un alto potenziale di effetti imprevisti.

Tali organismi finirebbero nel nostro ambiente e nei nostri piatti della cena completamente non regolamentati se le tecniche di modifica genetica non fossero contemplate dalle normative sugli OGM.

Le leggi sugli OGM dell'UE sono state ideate per proteggere dal rischio di organismi sviluppati dall'alterazione diretta del materiale genetico utilizzando le moderne biotecnologie (ad es. in vitro tecniche) che entrano nell'ambiente e nella catena alimentare.

È chiaro che le colture e gli animali modificati geneticamente devono essere valutati come OGM allo stesso modo delle attuali colture GM. Altrimenti i cittadini dell'UE saranno inconsapevolmente esposti ai rischi dell'ingegneria genetica senza test o etichettatura, così come l'ambiente, la biodiversità e l'agricoltura.

La dottoressa Janet Cotter gestisce una società di consulenza ambientale, Logos Environmental. In precedenza è stata Senior Scientist con Greenpeace International per 15 anni.

La dottoressa Ricarda Steinbrecher è un biologo, genetista e co-direttore di EcoNexus. Ha lavorato sugli OGM dal 1995, in particolare sui processi guidati dalle Nazioni Unite sulla biosicurezza, la valutazione del rischio degli organismi geneticamente modificati e la biologia sintetica. È membro fondatore della Rete Europea di Scienziati per la Responsabilità Sociale e Ambientale e lavora con la società civile e gruppi di piccoli agricoltori in tutto il mondo.

Rapporti aggiuntivi di L'Ecologo.

Ulteriori letture

Protocollo di Cartagena - uso dei termini

g) "organismo vivente modificato": qualsiasi organismo vivente che possiede una nuova combinazione di materiale genetico ottenuto mediante l'uso della moderna biotecnologia

(h) "organismo vivente": qualsiasi entità biologica in grado di trasferire o replicare materiale genetico, inclusi organismi sterili, virus e viroidi

i) "Biotecnologia moderna": l'applicazione di:
un. Tecniche di acido nucleico in vitro, compreso acido desossiribonucleico ricombinante (DNA) e iniezione diretta di acido nucleico in cellule o organelli, o
B. Fusione di cellule oltre la famiglia tassonomica, che superano le naturali barriere fisiologiche riproduttive o di ricombinazione e che non sono tecniche utilizzate nell'allevamento e selezione tradizionali

Direttiva 2011/18, articolo 2, paragrafo 2 e allegati

"Organismo geneticamente modificato (OGM)": un organismo, ad eccezione degli esseri umani, il cui materiale genetico è stato alterato in un modo che non avviene naturalmente per accoppiamento e/o ricombinazione naturale

Nei termini di questa definizione:

(a) la modificazione genetica avviene almeno mediante l'uso delle tecniche elencate nell'allegato I A, parte 1

b) si ritiene che le tecniche elencate nell'allegato I A, parte 2, non comportino modificazioni genetiche

TECNICHE DI CUI ALL'ARTICOLO 2, PARAGRAFO 2

Le tecniche di modificazione genetica di cui all'articolo 2, paragrafo 2, lettera a), sono tra l'altro:

(1) tecniche di acido nucleico ricombinante che comportano la formazione di nuove combinazioni di materiale genetico mediante l'inserimento di molecole di acido nucleico prodotte con qualsiasi mezzo al di fuori di un organismo, in qualsiasi virus, plasmide batterico o altro sistema vettore e la loro incorporazione in un organismo ospite in cui non si verificano naturalmente ma in cui sono in grado di continuare a propagarsi

(2) tecniche che comportano l'introduzione diretta in un organismo di materiale ereditabile preparato al di fuori dell'organismo, comprese microiniezione, macroiniezione e microincapsulazione

(3) fusione cellulare (compresa la fusione di protoplasti) o tecniche di ibridazione in cui si formano cellule vive con nuove combinazioni di materiale genetico ereditabile mediante la fusione di due o più cellule mediante metodi che non si verificano in natura.

Le tecniche di cui all'articolo 2, paragrafo 2, lettera b), che non sono considerate come causa di modificazione genetica, a condizione che non comportino l'uso di molecole di acido nucleico ricombinante o di organismi geneticamente modificati realizzati con tecniche/metodi diversi da quelli esclusi Allegato IB:

(2) processi naturali come: coniugazione, trasduzione, trasformazione,

TECNICHE DI CUI ALL'ARTICOLO 3

Tecniche/metodi di modificazione genetica che producono organismi da escludere dalla direttiva, a condizione che non comportino l'uso di molecole di acido nucleico ricombinante o di organismi geneticamente modificati diversi da quelli prodotti da una o più delle tecniche/metodi elencati di seguito sono :

(2) fusione cellulare (compresa la fusione di protoplasti) di cellule vegetali di organismi che possono scambiare materiale genetico attraverso metodi di allevamento tradizionali.


L'editing genetico ha spazzato via una popolazione di zanzare nei test di laboratorio

La zanzara portatrice di malaria Anopheles gambiaei giorni possono essere contati. Gli scienziati hanno ideato un gene drive che ha spazzato via le popolazioni di zanzare nei test di laboratorio.

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26 ottobre 2018 alle 8:28

L'editing genetico può portare all'estinzione una specie di zanzara portatrice della malaria.

Questi nuovi risultati provengono da uno studio di laboratorio su piccola scala. I ricercatori hanno utilizzato uno strumento di ingegneria genetica per apportare modifiche alle specie chiamate Anopheles gambiae (Ah-NOF-eh-lees GAM-bee-aye). Di conseguenza, le zanzare hanno smesso di produrre prole in 8-12 generazioni. I ricercatori hanno riferito questo 24 settembre in Biotecnologie naturali. Se la scoperta reggerà in studi più ampi, questo strumento potrebbe essere il primo in grado di eliminare una specie di zanzara portatrice di malattie.

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Spiegatore: come funziona CRISPR

"Questo è un grande giorno", dice James Bull. È un biologo evoluzionista dell'Università del Texas ad Austin. Non è stato coinvolto nello studio. “Eccoci qui con una tecnologia che potrebbe cambiare radicalmente la salute pubblica per il mondo intero”. È perché A. gambiae è la principale zanzara che diffonde la malaria in Africa. La malattia uccide più di 400.000 persone ogni anno in tutto il mondo, secondo l'Organizzazione mondiale della sanità. Molti di coloro che muoiono sono bambini.

I ricercatori hanno cambiato i geni delle zanzare con a gene drive. Le unità genetiche utilizzano le "forbici" molecolari note come CRISPR/Cas9 per copiare e incollare se stesse nel DNA di un organismo in posizioni precise. Sono progettati per infrangere le regole dell'ereditarietà. Possono diffondere rapidamente una modifica genetica a tutta la prole.

Il nuovo gene drive rompe un gene della zanzara chiamato doppio sesso. Le zanzare femmine che ereditano due copie del gene rotto si sviluppano come i maschi. Non sono in grado di mordere o deporre le uova. Non essere in grado di mordere significa che non possono diffondere il parassita della malaria. I maschi e le femmine che ereditano solo una copia del gene alterato si sviluppano normalmente e sono fertili. I maschi non mordono, indipendentemente dal fatto che abbiano o meno il gene drive.

Geni che cambiano

In ciascuna delle due gabbie, i ricercatori hanno collocato 300 femmine e 150 maschi normali A. gambiae zanzare. Quindi hanno aggiunto 150 maschi portatori del gene drive. In ogni generazione, dal 95 percento a oltre il 99 percento della prole ha ereditato il gene drive. Normalmente, solo il 50% della prole eredita un gene.

Nel giro di sette generazioni, tutte le zanzare in una gabbia hanno portato il gene drive. Nessun uovo è stato prodotto nella generazione successiva. La popolazione si estinse. Nell'altra gabbia, ci sono volute 11 generazioni perché il gene drive si diffondesse a tutte le zanzare e distruggesse la popolazione. Gli insetti in quella gabbia non hanno prodotto prole nella generazione 12.

Altri studi sulle unità genetiche hanno effettuato simulazioni al computer per prevedere quanto tempo impiegherebbe le unità a diffondersi in una popolazione. Questa è la prima volta che l'approccio ha successo nelle vere zanzare.

Anche altri tipi di gene drive sono stati trasmessi alla prole a tassi elevati. Ma in quegli esperimenti, sono emersi cambiamenti o mutazioni del DNA che distruggono il sito di taglio per CRISPR/Cas9. Ciò ha permesso alle zanzare portatrici della mutazione di resistere alla pulsione.

Anche alcune zanzare nel nuovo studio hanno sviluppato mutazioni. Tuttavia, "non è stata osservata alcuna resistenza", afferma il coautore dello studio Andrea Crisanti. È un genetista medico in Inghilterra presso l'Imperial College di Londra. Quelle mutazioni hanno rotto il doppio sesso gene. Le femmine con questi geni rotti erano sterili e non potevano trasmettere le mutazioni alla generazione successiva.

Tutti gli insetti hanno qualche versione di doppio sesso. "Riteniamo che questo gene possa rappresentare [una vulnerabilità] per lo sviluppo di nuove misure di controllo dei parassiti", afferma Crisanti.

A. gambiae gli piace mordere le persone. Questo lo rende bravo a diffondere la malaria da persona a persona. Il gene drive ora solleva la prospettiva di provocare deliberatamente l'estinzione di questa specie.

"Se si dispone di una tecnologia in grado di sradicare quella [zanzara], non sarebbe etico non utilizzarla", afferma Omar Akbari. È un genetista presso l'Università della California, San Diego. Non era coinvolto nel lavoro. Ma Akbari pensa che sia improbabile che il gene drive funzioni bene in natura come ha fatto in laboratorio. Questo perché la resistenza è destinata a spuntare ad un certo punto.

Nessuno sa cosa accadrà all'ambiente se tutte le zanzare muoiono. Potrebbero esserci problemi per le specie che mangiano le zanzare, per esempio. Inoltre, non è noto se il gene drive possa essere trasmesso ad altre specie. E se un "cattivo stile James Bond" usasse un gene drive simile per attaccare le api o altri insetti utili, dice Philipp Messer. È un genetista della popolazione alla Cornell University di Ithaca, N.Y. “Gli esseri umani troveranno sempre modi per abusare [della tecnologia]. E in questo caso, è così facile. È questo che mi preoccupa".

Parole Potenti

biologia Lo studio degli esseri viventi. Gli scienziati che li studiano sono conosciuti come biologi.

Cas9 Un enzima che i genetisti stanno ora usando per aiutare a modificare i geni. Può tagliare il DNA, permettendogli di riparare i geni rotti, unirne di nuovi o disabilitare alcuni geni. Cas9 viene condotto nel luogo in cui dovrebbe effettuare i tagli dai CRISPR, un tipo di guide genetiche. L'enzima Cas9 proveniva da batteri. Quando i virus invadono un batterio, questo enzima può sminuzzare il DNA dei germi, rendendolo innocuo.

coautore Uno di un gruppo (due o più persone) che insieme aveva preparato un lavoro scritto, come un libro, una relazione o un documento di ricerca.Non tutti i coautori possono aver contribuito allo stesso modo.

CRISPR Un'abbreviazione &mdash pronunciato più nitido &mdash per il termine &ldquoclustered brevi ripetizioni palindromiche regolarmente interspaziate.&rdquo Questi sono pezzi di RNA, una molecola che trasporta informazioni. Sono copiati dal materiale genetico dei virus che infettano i batteri. Quando un batterio incontra un virus a cui era stato precedentemente esposto, produce una copia RNA del CRISPR che contiene le informazioni genetiche di quel virus. L'RNA guida quindi un enzima, chiamato Cas9, per tagliare il virus e renderlo innocuo. Gli scienziati stanno ora costruendo le proprie versioni degli RNA CRISPR. Questi RNA prodotti in laboratorio guidano l'enzima a tagliare geni specifici in altri organismi. Gli scienziati li usano, come una forbice genetica, per modificare &mdash o alterare &mdash geni specifici in modo che possano poi studiare come funziona il gene, riparare i danni ai geni rotti, inserire nuovi geni o disabilitare quelli dannosi.

sviluppare Emergere o nascere, naturalmente o attraverso l'intervento umano, come la produzione. (in biologia) Crescere come organismo dal concepimento fino all'età adulta, spesso subendo cambiamenti nella chimica, nelle dimensioni e talvolta anche nella forma.

disgregare (n. interruzione) Scomporre qualcosa interrompere il normale funzionamento di qualcosa o mettere in disordine la normale organizzazione (o ordine) di qualcosa.

DNA (abbreviazione di acido desossiribonucleico) Una molecola lunga, a doppio filamento e a forma di spirale all'interno della maggior parte delle cellule viventi che trasporta istruzioni genetiche. È costruito su una spina dorsale di fosforo, ossigeno e atomi di carbonio. In tutti gli esseri viventi, dalle piante e animali ai microbi, queste istruzioni dicono alle cellule quali molecole produrre.

ecologia Una branca della biologia che si occupa delle relazioni degli organismi tra loro e con il loro ambiente fisico. Uno scienziato che lavora in questo campo si chiama ecologista.

uovo La cellula riproduttiva non fecondata prodotta dalle femmine.

ingegneria Il campo di ricerca che utilizza la matematica e la scienza per risolvere problemi pratici.

sradicare Eliminare o spazzare via deliberatamente, come una popolazione di parassiti (ratti o scarafaggi, per esempio) che abita in un determinato sito.

evolutivo Un aggettivo che si riferisce ai cambiamenti che si verificano all'interno di una specie nel tempo mentre si adatta al suo ambiente. Tali cambiamenti evolutivi di solito riflettono la variazione genetica e la selezione naturale, che lasciano un nuovo tipo di organismo più adatto al suo ambiente rispetto ai suoi antenati. Il tipo più recente non è necessariamente più "avanzato", ma solo più adatto alle condizioni in cui si è sviluppato.

biologo evoluzionista Qualcuno che studia i processi di adattamento che hanno portato alla diversità della vita sulla Terra. Questi scienziati possono studiare molti argomenti diversi, tra cui la microbiologia e la genetica degli organismi viventi, il modo in cui le specie cambiano per adattarsi e i reperti fossili (per valutare come le varie specie antiche sono correlate tra loro e ai parenti moderni).

estinzione La perdita permanente di una specie, famiglia o gruppo più ampio di organismi.

fertile Abbastanza vecchio e in grado di riprodursi.

gene (agg. genetico) Un segmento di DNA che codifica, o contiene istruzioni, per la produzione di una proteina da parte di una cellula. La prole eredita i geni dai genitori. I geni influenzano l'aspetto e il comportamento di un organismo.

gene drive Una tecnica per introdurre nuovi frammenti di DNA nei geni per cambiarne la funzione. A differenza di altre tecniche di ingegneria genetica, le unità genetiche si autopropagano. Ciò significa che fanno più di se stessi, diventando parte di ogni gene bersaglio inalterato che incontrano. Di conseguenza, vengono trasmessi a oltre il 50 percento della prole di un animale alterato, "guidando" rapidamente nelle popolazioni.

modifica genetica L'introduzione deliberata di modifiche ai geni da parte dei ricercatori.

generazione Un gruppo di individui (in qualsiasi specie) nati all'incirca nello stesso periodo o considerati come un unico gruppo. I tuoi genitori appartengono a una generazione della tua famiglia, per esempio, ei tuoi nonni a un'altra. Allo stesso modo, tu e tutti entro pochi anni della tua età in tutto il pianeta sono indicati come appartenenti a una particolare generazione di umani. Il termine è talvolta esteso anche alle classi annuali di altri animali o ai tipi di oggetti inanimati (come l'elettronica o le automobili).

Ingegneria genetica La manipolazione diretta del genoma di un organismo. In questo processo, i geni possono essere rimossi, disabilitati in modo che non funzionino più o aggiunti dopo essere stati prelevati da altri organismi. L'ingegneria genetica può essere utilizzata per creare organismi che producono medicinali o colture che crescono meglio in condizioni difficili come clima secco, temperature calde o terreni salati.

insetto Un tipo di artropode che da adulto avrà sei zampe segmentate e tre parti del corpo: testa, torace e addome. Ci sono centinaia di migliaia di insetti, tra cui api, scarafaggi, mosche e falene.

malaria Una malattia causata da un parassita che invade i globuli rossi. Il parassita è trasmesso dalle zanzare, soprattutto nelle regioni tropicali e subtropicali.

mutazione (v. mutare) Alcuni cambiamenti che si verificano in un gene nel DNA di un organismo. Alcune mutazioni si verificano naturalmente. Altri possono essere innescati da fattori esterni, come inquinamento, radiazioni, medicinali o qualcosa nella dieta. Un gene con questo cambiamento è indicato come mutante.

organismo Qualsiasi cosa vivente, da elefanti e piante a batteri e altri tipi di vita unicellulare.

parassita Un organismo che ottiene benefici da un'altra specie, chiamata ospite, ma non fornisce alcun beneficio a quell'ospite. Esempi classici di parassiti includono zecche, pulci e tenie.

popolazione (in biologia) Un gruppo di individui della stessa specie che vive nella stessa area.

resistenza (come nella resistenza ai farmaci) La riduzione dell'efficacia di un farmaco per curare una malattia, di solito un'infezione microbica. (come nella resistenza alle malattie) La capacità di un organismo di combattere le malattie.

simulazione (v. simulare) Un'analisi, spesso effettuata utilizzando un computer, di alcune condizioni, funzioni o aspetto di un sistema fisico. Un programma per computer farebbe ciò utilizzando operazioni matematiche che possono descrivere il sistema e come potrebbe cambiare nel tempo o in risposta a diverse situazioni previste.

specie Un gruppo di organismi simili in grado di produrre prole in grado di sopravvivere e riprodursi.

sterile Un aggettivo che significa privo di vita &mdash o almeno di germi. (in biologia) Un organismo che è fisicamente incapace di riprodursi.

tecnologia L'applicazione della conoscenza scientifica per scopi pratici, in particolare nell'industria e nei dispositivi, processi e sistemi che risultano da tali sforzi.

Organizzazione mondiale della Sanità Un'agenzia delle Nazioni Unite, istituita nel 1948, per promuovere la salute e controllare le malattie trasmissibili. Ha sede a Ginevra, Svizzera. Le Nazioni Unite si affidano all'OMS per fornire una leadership internazionale in materia di salute globale. Questa organizzazione aiuta anche a definire l'agenda di ricerca per i problemi di salute e stabilisce gli standard per gli inquinanti e altre cose che potrebbero rappresentare un rischio per la salute. L'OMS inoltre rivede regolarmente i dati per stabilire politiche per il mantenimento della salute e un ambiente sano.

Citazioni

A proposito di Tina Hesman Saey

Tina Hesman Saey è la scrittrice senior dello staff e riferisce sulla biologia molecolare. Ha un dottorato di ricerca. in genetica molecolare presso la Washington University di St. Louis e un master in giornalismo scientifico presso la Boston University.

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I pro ei contro dell'ingegneria genetica degli esseri umani

Oggi c'è molta paura e ansia intorno alla prospettiva di modificare geneticamente gli esseri umani. Eppure sembra che questo diventerà sempre più comune nei prossimi decenni.

Nell'ultimo anno ho avuto l'opportunità di parlare con i membri delle comunità scientifiche e imprenditoriali che lavorano sull'ingegneria genetica. Ho discusso con loro su come questa tecnologia potrebbe evolversi e quali sono alcuni dei potenziali benefici e rischi per la società. In questo post, condividerò ciò che ho imparato, nel caso in cui altri lo trovino interessante.

Perché dovremmo preoccuparci dell'ingegneria genetica?

Potrebbe aiutare a eliminare centinaia di malattie. Potrebbe eliminare molte forme di dolore e ansia. Potrebbe aumentare l'intelligenza e la longevità. Potrebbe cambiare la scala della felicità e della produttività umana di molti ordini di grandezza. Ci sono solo una manciata di aree di ricerca nel mondo con questo potenziale.

Riducendo lo zoom, l'ingegneria genetica potrebbe essere vista come un evento storico alla pari con l'esplosione del Cambriano nel modo in cui ha cambiato il ritmo dell'evoluzione. Quando la maggior parte delle persone pensa all'evoluzione, pensa all'evoluzione biologica attraverso la selezione naturale, ma questa è solo una forma. Nel tempo, sarà probabilmente sostituito da altre forme di evoluzione che agiscono molto più rapidamente. Quali sono alcuni di questi? I candidati nella mia mente sono (1) l'intelligenza artificiale, o vita sintetica, che si riproduce e muta a un ritmo rapido (2) la vita biologica, con l'ingegneria genetica utilizzata per adottare un approccio più direttivo, e (3) qualche ibrido fuso del Due. Invece di aspettare centinaia di migliaia di anni prima che si manifestino mutazioni benefiche (come con la selezione naturale), potremmo iniziare a vedere cambiamenti benefici ogni anno.

Sembra tutto abbastanza inverosimile, non credo che accadrà presto nel prossimo futuro.

È importante districare se pensiamo qualcosa volere accadere da se lo pensiamo dovrebbe accadere. Molte persone sono a disagio con l'idea che ciò accada, e questo influenza la loro previsione di quanto sia probabile che accada.

Considera dove siamo oggi:

  • Gli esseri umani hanno ingegnerizzato geneticamente organismi per migliaia di anni utilizzando l'allevamento selettivo (al contrario della selezione naturale).
  • A partire dagli anni '70, gli esseri umani hanno iniziato a modificare direttamente il DNA di piante e animali, creando alimenti OGM, ecc.
  • Oggi, mezzo milione di bambini nascono ogni anno con la fecondazione in vitro (FIV). Sempre più spesso, ciò include il sequenziamento degli embrioni per lo screening delle malattie e il portare a termine l'embrione più vitale (una forma di ingegneria genetica, senza apportare modifiche).
  • Nel 2018, He Jiankui ha creato i primi bambini geneticamente modificati in Cina.
  • Nel 2019 sono iniziati numerosi studi clinici approvati dalla FDA per le terapie geniche.

Quindi l'ingegneria genetica sta già accadendo sugli esseri umani oggi e non vedo alcun motivo per cui dovrebbe fermarsi.

Con la creazione di CRISPR e tecniche simili, abbiamo assistito a un'esplosione nella ricerca sull'esecuzione di modifiche reali al DNA. Consiglio di leggere il libro di Jennifer Doudna e Samuel Sternberg, A Crack In Creation, per un'ottima panoramica di questo argomento.

Sono in corso molte ricerche, ma in realtà la modifica del DNA umano non sarà consentita. Non pensi davvero che le persone dovrebbero avere bambini firmati, vero?

Se ha il potenziale per sradicare molte malattie e ridurre al minimo la sofferenza umana, penso che dovremmo continuare a studiarlo, con la cautela e la prudenza che merita.

Alcuni diranno che ogni bambino ha il diritto di rimanere geneticamente non modificato, e altri diranno che ogni bambino ha il diritto di nascere libero da malattie prevenibili. Prendiamo molte decisioni per conto dei bambini per cercare di aiutarli ad avere una vita migliore, e non vedo perché questa dovrebbe essere un'eccezione.

Molti nuovi trattamenti medici hanno problemi etici simili mentre vengono sviluppati. In genere, i nuovi farmaci vengono testati sui topi, quindi sui malati terminali, quindi su gruppi di persone lentamente più ampi. Passano attraverso le prove della FDA per sicurezza ed efficacia. C'è un percorso ben consolidato per testare nuove terapie. L'ingegneria genetica può avere più potenziale (sia in bene che in male) rispetto alla maggior parte dei nuovi trattamenti medici, ma questo non significa che un processo simile non possa essere seguito.

Anche l'American National Academy of Sciences e la National Academy of Medicine hanno fornito un supporto qualificato all'editing del genoma umano nel 2017 "una volta trovate le risposte ai problemi di sicurezza ed efficienza... ma solo per condizioni gravi sotto stretto controllo".

Per quanto riguarda i "bambini firmati", le persone usano questo termine per indicare tratti come l'altezza o il colore degli occhi che non sono legati alla salute. Penso che alcuni genitori vorranno scegliere attributi come questi, ma non è da qui che deriveranno la maggior parte dei potenziali benefici. Ne parlerò più in basso.

Infine, non saranno solo i bambini. Anche gli adulti saranno geneticamente modificati ad un certo punto.

Non lo so. Sembra sbagliato "giocare a fare il dio" e trasferirsi in questo territorio.

Pensa alla chirurgia. Trecento anni fa, deve essere sembrato abbastanza strano "giocare a fare il dio" e aprire un corpo umano. La chirurgia era anche un processo incredibilmente rischioso e rozzo (il braccio o la gamba di qualcuno potrebbe essere amputato su un campo di battaglia nel tentativo di salvargli la vita, per esempio). Nel tempo, la chirurgia è diventata molto più sicura e abbiamo iniziato a usarla in situazioni meno pericolose per la vita. Oggi le persone si sottopongono a interventi di chirurgia puramente elettiva o estetica.

La stessa cosa sarà probabilmente vera con l'ingegneria genetica. Potrebbe iniziare ad essere utilizzato solo in situazioni terribili in cui le persone non hanno altre opzioni, ma alla fine potrebbe diventare abbastanza sicuro in cui le persone si modificano geneticamente per ragioni puramente estetiche (ad esempio, per cambiare il colore dei capelli). A mio avviso, non c'è nulla di intrinsecamente sbagliato nelle persone che vogliono cambiare, migliorare o guarire il proprio corpo, anche se alcuni usi sono più urgenti di altri. E tutti dovrebbero fare questa scelta per se stessi (non mi presumo di fare la scelta per loro).

Non conosceremo gli effetti a lungo termine sulle persone per molti decenni. Di certo non vorrei essere uno dei primi a farlo!

C'è un malinteso che le prime modifiche apportate negli esseri umani saranno totalmente imprevedibili. Ci sono alcuni geni che hanno una persona su dieci sulla terra, che in qualche modo li rende più sani. Sarà più sicuro di quanto molti pensino di introdurre questo gene in qualcuno che non lo ha, poiché può essere ampiamente studiato nella popolazione esistente. La maggior parte dei nuovi farmaci viene introdotta nel mercato con solo centinaia o migliaia di persone che l'hanno presa durante i periodi di prova, e questo è un livello sufficiente per dimostrare la sicurezza. Quindi un gene che un miliardo di persone nel mondo ha già potrebbe essere potenzialmente molto più sicuro di qualsiasi nuovo farmaco che sia mai arrivato sul mercato.

Inoltre, le nuove terapie sono spesso testate su malati terminali che non hanno altre opzioni, quindi le persone sane probabilmente non sarebbero il mercato iniziale.

Ciò non significa che non possano esserci altri rischi nella procedura, ma l'idea che una modifica a un genoma umano avrebbe risultati del tutto imprevedibili è falsa.

Molte condizioni non sono controllate da uno o due geni. Quindi non sarà così semplice come dici tu per sradicare la malattia.

Questo è vero. Le malattie esistono in uno spettro che va dall'avere un singolo gene responsabile all'avere molte migliaia di varianti di rischio che aumentano o diminuiscono la suscettibilità ai fattori ambientali. Un numero crescente di ricerche sta passando dalla scoperta di queste cause monogeniche (singolo gene) di malattie alla scoperta delle cause di malattie più complesse (poligeniche). I risultati stanno migliorando rapidamente come conseguenza di set di dati più grandi, sequenziamento più economico e uso dell'apprendimento automatico.

Anche in un mondo in cui erano possibili solo semplici modifiche genetiche, molte sofferenze umane potevano essere eliminate. Ad esempio, Verve sta sviluppando terapie geniche per ridurre le malattie cardiache, una delle principali cause di morte nel mondo, con modifiche relativamente piccole. Ma altre condizioni, come la depressione o il diabete, non sembrano essere causate da un singolo gene, o anche da una manciata di geni.

Fortunatamente, l'apprendimento automatico (e tecniche come l'apprendimento profondo) sono adatti per risolvere problemi complessi e multivariati come il punteggio di rischio poligenico e l'apprendimento automatico sta migliorando a un ritmo incredibile in questo momento. Aziende come GenomicPrediction hanno iniziato a offrire punteggi di rischio poligenico ai genitori in attesa. Inoltre, i set di dati dei genomi sequenziati continuano a diventare più grandi (alcuni hanno oltre un milione di genomi sequenziati a questo punto) il che migliorerà l'accuratezza dei modelli di apprendimento automatico nel tempo.

Molte cose non sono controllate dalla genetica. Non puoi rendere gli esseri umani felici/sani solo con l'ingegneria genetica.

Anche vero. Ci sono molti fattori ambientali e di stile di vita da considerare, oltre alla genetica. Le componenti stile di vita/educazione sono sfide difficili di per sé, ma per fortuna abbiamo una certa quantità di controllo su di esse. Ad esempio, possiamo mangiare cibi più sani, fare passeggiate o fare esercizio. Ma al contrario, oggi abbiamo pochissimo controllo sulla nostra genetica.

La maggior parte delle persone dà per scontato che non potranno mai cambiare i propri geni, il che è piuttosto triste se ci pensi. È terribile essere bloccato in una situazione in cui non sei in grado di cambiarla. Immagina la persona che lotta continuamente con il proprio peso, non importa quanto si concentri su esercizio fisico e dieta, confrontandosi con persone che sembrano mangiare quello che vogliono senza guadagnare un chilo. La natura può essere molto crudele con noi e i geni possono creare un campo di gioco irregolare nella vita. L'ingegneria genetica potrebbe non essere l'intera soluzione, ma sicuramente ne sbloccherebbe una grande parte.

È un pendio scivoloso dalla prevenzione delle malattie al miglioramento, dove tracciamo il confine?

La risposta probabile è che non c'è una linea chiara e non ne disegneremo una. La finestra overton continuerà a cambiare man mano che le persone si sentiranno più a loro agio con l'ingegneria genetica.

L'ingegneria genetica inizierà concentrandosi sulla prevenzione delle malattie, perché questa è la forma socialmente più accettabile al momento. Ma, per esempio, se hai un gene che crea una bassa densità ossea (rendendoti predisposto all'osteoporosi) e lo correggi con l'ingegneria genetica, le tue ossa più forti prevengono la malattia o sono un miglioramento (che ti consente di praticare sport e sollevare cose pesanti)? La risposta è entrambe le cose. Ci sono molte linee sfocate come questa. Per me, l'obiettivo è solo quello di migliorare la condizione umana, quindi la distinzione tra prevenire risultati negativi e creare risultati positivi è meno rilevante.

Inoltre, vale la pena notare che oggi facciamo sempre cose per "migliorare" il corpo umano (indossare scarpe da corsa, indossare creme solari, lenti correttive, ecc.). E facciamo anche cose per migliorarci geneticamente oggi, come scegliere con chi avere figli o coppie che fanno lo screening della fecondazione in vitro. Il miglioramento genetico può essere spaventoso per alcune persone oggi, ma penso che questo sia principalmente solo perché è nuovo. Nel tempo, potrebbe essere considerato normale come ottenere un intervento chirurgico LASIK per correggere la vista.

Se tutti vogliono avere un certo tratto, questo non creerà meno diversità nel mondo?

Ci sono alcuni geni, come quelli che aumentano il rischio di malattie cardiache, che la maggior parte delle persone vorrà eliminare. Quindi in questo senso potrebbe esserci una minore diversità genetica.Ma non credo che questa sarà una tendenza travolgente per due motivi. Il primo è che c'è una grande varietà nelle preferenze umane (in ciò che è considerato bello, per esempio) e il secondo è che molte persone hanno il desiderio di distinguersi ed essere uniche. Se diventa economico e onnipresente diventare una definizione di bello, allora non conterrà più la stessa cache e le preferenze si evolveranno, proprio come nella moda. Quando potrai essere chi vuoi, penso che in realtà vedremo una diversità molto maggiore, non minore.

Puoi vedere un assaggio di come potrebbe apparire nei videogiochi di oggi, dove le persone possono creare il proprio avatar. Quando le persone possono essere qualsiasi personaggio vogliano, la gamma di espressione è molto più ampia che nella vita reale.

L'ingegneria genetica potrebbe anche aiutare le coppie dello stesso sesso ad avere figli geneticamente imparentati, il che sarebbe un nuovo sviluppo. E potrebbe anche portare a bambini che sono il prodotto di più di due persone. Immagina un bambino che è il prodotto di dieci, o anche cento, persone.

Infine, potremmo vedere le persone cambiare se stesse in modi che oggi non possono avvenire naturalmente (dita palmate? squame? visione notturna come un gatto?). Se saremo veramente in grado di padroneggiare l'ingegneria genetica nel prossimo secolo, ci saranno molte belle nuove forme di espressione individuale che oggi non possiamo nemmeno immaginare. L'idea stessa di cosa significhi essere umani cambierà.

Molti grandi imprenditori e artisti avevano l'ADHD, l'autismo, la depressione, la schizofrenia e altre condizioni che le persone potrebbero voler eliminare con l'ingegneria genetica. In questo mondo, queste qualità non sarebbero eliminate in nome del conformismo e dell'avversione al rischio?

Non credo. I genitori aspirano che i loro figli siano ogni sorta di cose nella vita: artisti, scienziati, politici, generali, leader religiosi, imprenditori, ecc. Questi potrebbero avere alcuni tratti genetici in comune e altri molto diversi. Se si scoprisse che la migliore possibilità di diventare un artista di successo fosse iniziare con un certo set di geni che includeva l'ADHD, sospetto che molti genitori opterebbero ancora per questo.

Probabilmente ci troveremo in un mondo con valori anomali molto più brillanti, se i genitori possono ottenere un vantaggio genetico nel crescere il prossimo Picasso o Einstein. Altri genitori opteranno per l'equilibrio. Non esiste una risposta giusta o sbagliata, solo preferenze.

Infine, solo perché vediamo esempi come quelli sopra oggi, non significa che questo debba essere il caso in futuro. Le persone brillanti sono spesso "spiky" (valori anomali in alcune aree con gravi carenze in altre), ma in un mondo in cui l'ingegneria genetica è dominata ci possono essere persone con tutti i lati positivi (e anche di più), con poco o nessuno dei lati negativi , quindi non vi è alcuna garanzia che i due debbano essere collegati.

Questo porterà all'eugenetica moderna?

Non credo. L'eugenetica storica è stata definita dal governo e dai gruppi politici che cercavano di modificare il pool genetico con la forza. Al contrario, le terapie geniche introdotte ai giorni nostri aumenteranno le scelte per gli individui che possono prendere le proprie decisioni. Quando le persone possono scegliere come vogliono modificare e guarire se stesse (e i loro figli) penso che sarà, in generale, liberatorio.

Ci sono persone nella società che potrebbero provare ad abusare di questa tecnologia (proprio come qualsiasi tecnologia), ma fintanto che è ampiamente disponibile penso che questo riduca molto il rischio. È improbabile che un paese o un gruppo politico abbia a lungo accesso esclusivo all'ingegneria genetica (è ampiamente studiato a livello globale, con molti scambi di informazioni tra i gruppi, sia formalmente che informalmente).

Un giorno, l'ingegneria genetica potrebbe persino rendere possibile creare persone più tolleranti e che accettino gli altri intorno a loro. Il tribalismo fa parte della nostra evoluzione e potrebbe avere una componente genetica. Anche i bambini mostrano questa qualità fin da piccoli. Quanto sarebbe interessante se le persone fossero in grado di cambiare geneticamente in questa dimensione? Non sappiamo ancora come farlo, ma potrebbe essere possibile in futuro.

Questo non creerà un mondo di abbienti e non abbienti? E se fosse disponibile solo per i ricchi? E se risultasse come Gattaca?

Proprio come molte tecnologie, l'ingegneria genetica sarà quasi certamente disponibile prima nei paesi sviluppati e sarà costosa. Ma questo non è unico. I telefoni cellulari, gli aeroplani e persino i servizi igienico-sanitari di base sono tutti distribuiti in modo non uniforme in tutto il mondo. La bellezza della tecnologia è che tende a ridurre i costi nel tempo, quindi alla fine raggiunge un gruppo più ampio di persone. Il cellulare una volta era uno strumento solo per i ricchi di Wall St, ed è ora disponibile anche per le persone più povere del mondo. C'è una domanda aperta sul fatto che l'ingegneria genetica seguirà una curva dei costi che è più simile alla tecnologia (più bassa nel tempo secondo la legge di Moore) o come l'assistenza sanitaria (in aumento nel tempo seguendo la legge di Eroom), ma ciò ha più a che fare con le decisioni politiche che con tecnologia stessa. Il punto principale è che i costi iniziali elevati non sono una buona ragione per impedire che l'innovazione avvenga. Se adottassimo questo approccio, probabilmente non avremmo nessuno dei miglioramenti che vediamo oggi nel mondo.

È anche vero che l'ingegneria genetica offrirà vantaggi a coloro che possono accedervi. Ciò potrebbe creare un campo di gioco meno uniforme in un certo senso, ma in altri modi potrebbe effettivamente renderlo più equo. Oggi, alcune persone vincono alla lotteria genetica alla nascita mentre altre perdono (ad esempio, essendo inclini alla depressione, a difficoltà di apprendimento, ecc.). Se un bambino potesse iniziare geneticamente in condizioni di parità, questo sembrerebbe un mondo più giusto.

Infine, la modificazione genetica può avvenire anche nell'uomo adulto. Quindi, anche se qualcuno non ha accesso ad esso alla nascita, potrebbe comunque beneficiare dell'ingegneria genetica più avanti nella vita.

Gattaca manca quest'ultimo punto, il che implica che rimarrai sempre indietro se non sei nato in un gruppo d'élite. La realtà probabilmente consentirà una maggiore mobilità sociale, con gli adulti che beneficeranno anche di nuovi trattamenti di ingegneria genetica. È comunque un film molto divertente e consiglio a chiunque sia interessato all'argomento di guardarlo.

E se le persone provassero a migliorare tratti come l'intelligenza?

Oggi nel mondo esistono molte persone intelligenti, e almeno quelle etiche non sembrano porre troppi problemi. Quindi diciamo che abbiamo raddoppiato il numero di persone intelligenti nel mondo (usando il QI o qualsiasi altra definizione di intelligente che preferisci) attraverso l'ingegneria genetica, mantenendo la percentuale di persone etiche uguale o maggiore. O allo stesso modo, potremmo raddoppiare l'intelligenza delle persone esistenti. questo sarebbe un problema?

Certamente alcune cose buone sarebbero accadute. Il ritmo del miglioramento nella società probabilmente aumenterà, ad esempio, con molte più persone intelligenti e capaci che risolvono le sfide del mondo.

Il più grande cambiamento negativo potrebbe essere che il resto di noi si senta un po' lasciato indietro o sconcertato da tutti i nuovi progressi e aree di ricerca, se non avessimo aumentato la nostra intelligenza allo stesso modo. Questo si riduce a una domanda se pensi che dovremmo valutare la crescita complessiva nella società, o il proprio posto relativo in essa, più altamente. Ogni persona dovrebbe rispondere da sé (non credo che ci sia una risposta giusta).

Quindi potrebbe essere un risultato misto, o molto buono, a seconda della tua prospettiva. (Nota a margine: questa è una bella storia breve su come potrebbe sembrare quando la società inizia ad avanzare.)

Un ultimo esperimento mentale: se le persone vogliono diventare più intelligenti, abbiamo il diritto di fermarle? Se è ottenendo un'istruzione, la maggior parte delle persone direbbe di no. Se è attraverso l'ingegneria genetica, in che modo è diverso?

I genitori dovrebbero poter scegliere i geni del loro bambino?

In generale, penso di sì, perché i genitori scelgono ogni sorta di cose che hanno un impatto maggiore sui loro figli (cosa mangiano, come vengono educati, se sono nati, ecc.) come loro tutore. Questo è un concetto ben consolidato oggi nella legge, con i tutori che prendono decisioni importanti per un bambino fino al compimento dei 18 anni (o all'età equivalente in ciascun paese). Una volta che i bambini avranno raggiunto la maggiore età, probabilmente prenderanno il controllo della loro modificazione genetica, così come possono decidere di farsi un tatuaggio.

Sarebbe un peccato se i geni che i genitori hanno scelto per i propri figli fossero fissati a tempo indeterminato nel futuro. Come ho discusso altrove, è probabile che in futuro i geni possano essere modificati nelle persone viventi, non solo negli embrioni. Quindi speriamo che i bambini non siano bloccati con le preferenze genetiche dei loro genitori per la vita.

Immagina di essere un genitore in attesa. Quanto pagheresti per avere la tranquillità che tuo figlio arriverà sano? Immagina di essere un adulto con una malattia potenzialmente letale. Quanto pagheresti per ricevere una cura che richiedesse una modifica genetica? La risposta a queste domande dice molto su come è probabile che l'ingegneria genetica venga adottata in futuro.

Oggi è ampiamente considerato inconcepibile modificare geneticamente gli esseri umani. Ma credo che entro vent'anni vedremo questo punto di vista cambiare radicalmente, al punto che sarà considerato inconcepibile non modificare geneticamente le persone in molti casi.

L'ingegneria genetica è oggi una delle aree di ricerca a più alto potenziale. Credo che dovremmo continuare a investire e che gli imprenditori dovrebbero lavorare sodo per portare nuovi prodotti sul mercato in questo spazio. Sì, ha dei rischi e dobbiamo procedere con cautela. Ma molte nuove tecnologie hanno dei rischi, anche pericolosi per la vita, e alla fine siamo in grado di usarle per avvantaggiare notevolmente il mondo. Non dovremmo lasciare che la paura impedisca i progressi in nuove promettenti aree di ricerca.

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Nati in Cina i primi bambini CRISPR geneticamente modificati al mondo

Eccolo: il momento in cui gli storici guarderanno indietro come l'alba del Homo sapiens superiore e il momento in cui noi nati naturali veniamo buttati giù un piolo nella gerarchia sociale. Per decenni, gli scrittori di fantascienza hanno predetto un futuro in cui gli esseri umani geneticamente superiori resi possibili dalle tecniche di modificazione genetica si eleveranno al di sopra di noi umili norme con la loro intelligenza e fisiologia potenziate, una maggiore resistenza alle malattie e ovviamente un bell'aspetto. La prospettiva di modificare il genoma umano è rimasta tabù, tuttavia, per ragioni etiche e morali di vecchia data. Naturalmente, la Cina facoltativa per i diritti umani li ha ignorati e si è lanciata in avanti e ha dato al mondo i suoi primi due superbambini geneticamente modificati, che li vogliamo o no. Inizia .

L'evoluzione è troppo lenta.

Questa non è la prima volta che gli scienziati cinesi hanno testato CRISPR sugli esseri umani. Già nel 2015, i ricercatori cinesi stavano già alterando i genomi degli embrioni umani in laboratori – embrioni che non sono mai stati gestati. Ora, i genetisti della Southern University of Science and Technology, a Shenzhen, hanno fatto un passo avanti con queste tecniche modificando i genomi di due embrioni che sono stati impiantati in un utero umano tramite fecondazione in vitro. Quegli embrioni ora sono due bambine felici e sane, Lulu e Nana. Gli scienziati guidati da He Jiankui hanno alterato il genoma delle ragazze in modo che in teoria fossero immuni all'HIV. Nelle dichiarazioni rilasciate questa settimana, assicura che le uniche modifiche apportate ai genomi delle ragazze riguardavano la "porta" che consentirebbe all'HIV di infettare potenzialmente le ragazze. Ma chissà quali conseguenze impreviste potrebbero derivare dal processo di editing?

La ricerca non è stata ancora sottoposta a revisione e pubblicazione tra pari, quindi molti scienziati rimangono scettici sulle affermazioni del team cinese. Jennifer Doudna, una biochimica dell'Università della California, Berkeley, che ha contribuito a sviluppare l'editing genetico CRISPR-Cas9, avverte che questo studio è una "rottura dall'approccio cauto e trasparente dell'applicazione della comunità scientifica globale di CRISPR-Cas9 per la linea germinale umana. editing" aggiungendo che lei e altri scienziati in tutto il mondo stanno ancora "lottando per capire cosa è stato fatto e anche se il processo è stato eseguito correttamente. Non lo sappiamo ancora.”

Cosa ci porterà il futuro ora che abbiamo il potenziale per alterare il genoma umano come riteniamo opportuno?

Molte nazioni hanno sperimentato l'eugenetica e altri programmi di allevamento controllato nel corso del XX secolo, ma i progressi compiuti da CRISPR e da altre tecnologie recenti hanno permesso agli scienziati di rimuovere ogni incertezza dall'equazione (in teoria) e di modificare il genoma umano gene per gene. , aprendo le porte a tutti i tipi di modifiche con conseguenze sconosciute a lungo termine.

Mentre rimuovere la possibilità per queste ragazze di contrarre l'HIV non può essere visto come una cosa negativa, questa prova è la prima ad andare oltre l'apice e iniziare a scivolare giù per le piste più scivolose. Qual è il prossimo? Rimuovere tutti i geni del cancro? Sicuro. Sradicare le malattie mentali rimuovendo i loro marcatori genetici? Vai avanti. Creare un esercito di genetica Übermensch (più simile a 超人) capace di schiacciare forze opposte geneticamente inferiori?


GM 2.0? ‘L'editing genetico’ produce OGM che devono essere regolamentati come OGM

L'agricoltore australiano Geoffrey Carracher, che è contro l'agricoltura GM, con alcuni semi di colza che sono stati contaminati in modo incrociato con semi GM di una fattoria vicina. Foto: Craig Sillitoe via Flickr (CC BY-NC-SA).

Questo è un articolo importante sulla battaglia per garantire che l'editing genetico sia trattato secondo le normative GM nell'UE. È rilevante per il synbio poiché molte delle nuove “tecniche di allevamento” in esame da parte dell'UE – come l'editing del genoma descritto nell'articolo seguente – sono sempre più viste come pratiche comuni nel campo della biologia sintetica, e contribuire alla creazione di una più ampia bioeconomia.

di Janet Cotter e Ricarda Steinbrecher (Ecologa)

L'UE sta valutando l'esclusione di piante e animali geneticamente modificati dai regolamenti sugli OGM, scrivono Janet Cotter e Ricarda Steinbrecher. Tuttavia, gli organismi geneticamente modificati rientrano chiaramente nella definizione di OGM nel diritto sia europeo che internazionale. Presentano inoltre rischi reali per l'ambiente e la salute umana e devono essere regolamentati come qualsiasi altro OGM.

C'è stato molto nelle notizie di recente sull'etica dell'editing genetico negli esseri umani.

Ma, ancora in gran parte inosservato, la Commissione europea sta valutando se l'editing genetico di piante e animali, ad esempio in agricoltura, rientri nell'ambito delle normative UE che disciplinano gli organismi geneticamente modificati (OGM).

In altre parole, se i prodotti dell'editing genetico debbano essere etichettati e regolamentati come OGM, o autorizzati a entrare nella catena alimentare non testati e non etichettati.

Se credi alle affermazioni dei proponenti, l'editing genetico non è altro che la "modifica" del DNA nelle piante e negli animali, niente di cui preoccuparsi.

Ma la realtà è che l'editing genetico è semplicemente GM 2.0, con molte delle stesse preoccupazioni e problemi delle colture GM che gli europei hanno già rifiutato.

Che cos'è l'editing genetico?

L'editing genetico è una forma di ingegneria genetica. Copre una gamma di nuove tecniche di laboratorio che, proprio come le vecchie tecniche di ingegneria genetica, possono modificare il materiale genetico (di solito il DNA) di un organismo vivente, ad esempio una pianta o un animale, senza riprodursi.

Per molti aspetti, sono simili all'ingegneria genetica ‘tradizionale’ con cui abbiamo familiarità. La differenza è che queste tecniche possono modificare il DNA della pianta o dell'animale in una posizione specifica ‘mirata’, rispetto all'inserimento di geni in posizioni casuali caratteristiche delle tecniche precedenti.

Molte di queste tecniche possono essere utilizzate per inserire i geni di una specie non correlata in una pianta o in un animale come fa l'ingegneria genetica tradizionale ei prodotti risultanti, con i loro nuovi geni, sarebbero considerati OGM. Ma non tutte le applicazioni dell'editing genetico comportano l'inserimento di nuovi geni.

L'attuale dibattito riguarda le applicazioni di editing genetico che, invece di inserire geni, riscrivono i geni utilizzando una sorta di ‘DNA typewriter’. La domanda è se piante e animali con geni ‘modificati’ (senza nuovi geni inseriti) dovrebbero essere regolamentati come OGM.

I prodotti dell'editing genetico con geni riscritti che potrebbero essere importati, coltivati ​​o coltivati ​​in Europa nel prossimo futuro, incluso il Regno Unito, includono una colza tollerante agli erbicidi, prodotta con una tecnica nota come mutagenesi diretta da oligonucleotidi (ODM), e bovini senza corna, sviluppati attraverso una tecnica nota come ‘CRISPR’.

CRISPR sta diventando ben noto negli ambienti scientifici in quanto è un metodo particolarmente efficiente di modifica genetica.

I rischi dell'editing genetico?

Con le attuali colture GM commerciali, una delle maggiori preoccupazioni è che possono derivare, e sono risultati, effetti imprevisti dal processo di ingegneria genetica, e questi possono influenzare la sicurezza alimentare e ambientale. Questi effetti possono includere livelli alterati di tossine o composti nutrizionali e cambiamenti nella chimica delle proteine, che potrebbero produrre nuovi allergeni.

Ecco perché l'UE ha stabilito regolamenti per gli organismi geneticamente modificati, imponendo loro di sottoporsi a una valutazione del rischio ambientale e sanitario prima che vengano coltivati ​​o allevati commercialmente o entrino nella catena alimentare. Tuttavia, permangono dubbi sull'efficacia di tali valutazioni.

L'ingegneria genetica ‘tradizionale’ comporta l'inserimento casuale di geni (o sequenze genetiche) nel genoma di un organismo. I sostenitori ci dicono che l'editing genetico è molto più preciso delle tecniche di ingegneria genetica con cui abbiamo familiarità. Ma cosa si intende esattamente con ‘preciso’ qui?

Le tecniche di modifica genetica possono forse essere più precise al livello e al punto in cui il DNA è alterato, ma come questo DNA alterato possa influenzare le interazioni con altri geni e processi all'interno della cellula è in gran parte sconosciuto. È importante sottolineare che queste interazioni gene-gene all'interno della cellula si riflettono nell'organismo nel suo insieme.

Gli effetti del DNA alterato sulla salubrità come alimento e sul modo in cui l'organismo interagisce con l'ambiente sono lungi dall'essere conosciuti con precisione. Pertanto, sebbene l'editing genetico possa essere più preciso nella posizione prevista in cui il DNA viene modificato, esiste ancora il potenziale per effetti imprevisti e imprevedibili.

Tali effetti potrebbero avere implicazioni per la sicurezza di alimenti, mangimi e ambiente se aumentano i livelli di composti tossici, riducono i livelli di composti nutrizionali o addirittura producono nuovi allergeni.

‘Alterazioni genetiche fuori bersaglio’

Proprio come l'ingegneria genetica tradizionale, le tecniche di modifica genetica possono causare alterazioni indesiderate nel DNA. Ad esempio, diverse tecniche di editing genetico utilizzano le cosiddette ‘forbici molecolari’ per tagliare il DNA come parte del processo di modifica.

Queste forbici molecolari a volte hanno i cosiddetti effetti ‘fuori bersaglio’. Ciò significa che il DNA viene tagliato in luoghi non previsti così come nei luoghi previsti, causando accidentalmente ulteriori alterazioni genetiche.

Anche altre tecniche di editing genetico come l'ODM potrebbero modificare il DNA nel posto sbagliato.Inoltre, il gene appena modificato potrebbe interagire con altri geni in modi diversi, influenzando la composizione e la produzione delle proteine, la chimica e il metabolismo.

Molte delle tecniche di modifica genetica sono così nuove che non è ancora possibile valutare appieno il potenziale e le conseguenze di cambiamenti non intenzionali. È importante sottolineare che solo perché gli organismi modificati geneticamente non contengono DNA estraneo, questo non li rende sicuri.

Inoltre, vi sono prove crescenti di effetti ‘fuori bersaglio’. Il cambiamento previsto (ad es. tolleranza a un erbicida o bestiame senza corna) può essere chiaro da vedere, ma i cambiamenti non intenzionali non sono immediatamente evidenti e certamente non sono evidenti se non vengono cercati. È un caso di ‘non’t guardare, non trovare’.

La legge è chiara: l'editing genetico è ancora ingegneria genetica

La questione attualmente dibattuta nell'UE è se anche piccole ‘modifiche’, cioè modifiche, inserimenti o delezioni, di segmenti di DNA senza l'inserimento di nuovi geni debbano essere considerate come produttori di un OGM, o ricadano al di fuori del portata del diritto europeo.

Al centro di questo dibattito c'è la questione di quale sia la distinzione tra l'allevamento convenzionale che prevede l'accoppiamento e gli OGM. Sia nel diritto comunitario (Direttiva 2001/18) (Cfr. l'articolo 2, paragrafo 2 e gli allegati di seguito) e l'accordo delle Nazioni Unite sugli OGM – il Protocollo di Cartagena, stipulato nell'ambito della Convenzione sulla diversità biologica – Gli OGM comportano nuove disposizioni di materiale genetico che non si trovano in natura e alterazioni del materiale genetico apportate direttamente senza accoppiamento.

La direttiva contiene allegati che definiscono esattamente quali tecniche di alterazione genetica rientrano o meno nella definizione (riprodotto integralmente di seguito). Tuttavia, l'editing genetico semplicemente non viene menzionato: la tecnologia non esisteva nel 2001 quando è stata scritta la legge. Ciò significa che dobbiamo fare affidamento sulla definizione iniziale:

“‘Organismo geneticamente modificato (OGM)’ significa un organismo, ad eccezione degli esseri umani, in cui il materiale genetico è stato alterato in un modo che non avviene naturalmente per accoppiamento e/o ricombinazione naturale”

Allo stesso modo, il Protocollo di Cartagena, adottato nel 2000, non elenca specificamente l'editing genetico come una tecnologia inclusa nella sua definizione (versione completa sotto). Tuttavia la tecnologia, ancora una volta, è racchiusa nel semplice significato delle parole:

“‘Organismo vivente modificato’ significa qualsiasi organismo vivente che possiede una nuova combinazione di materiale genetico ottenuto attraverso l'uso della moderna biotecnologia … ‘Biotecnologia moderna’ significa l'applicazione di: a. Tecniche di acido nucleico in vitro, tra cui … “

In termini di direttiva, è esatto dire che negli organismi geneticamente modificati “il materiale genetico è stato alterato in un modo che non avviene naturalmente per accoppiamento e/o ricombinazione naturale”.

In termini di Protocollo di Cartagena, è esatto dire che un organismo modificato geneticamente “ possiede una nuova combinazione di materiale genetico ottenuto attraverso il … applicazione delle … Tecniche di acido nucleico in vitro”.

Quindi di fatto –, nonostante le astruse argomentazioni legali sviluppate dai sostenitori di GM, la legge è perfettamente chiara sulla questione. Secondo le definizioni dell'UE e di Cartagena, l'editing genetico produce OGM.

Pertanto, per rimuovere o esentare l'editing genetico dalla regolamentazione, come desiderano i sostenitori degli OGM, l'UE dovrebbe modificare la direttiva esistente. Se si tentasse di interpretare la Direttiva come auspicano i sostenitori degli OGM, la decisione verrebbe sicuramente impugnata presso la Corte Europea, ad esempio da uno dei tanti Paesi UE contrari all'uso degli OGM in agricoltura – dove a nostro avviso dovrebbe colpire fuori uso.

Ha importanza se l'editing genetico non è classificato come tecnica geneticamente modificata?

Se le colture e gli animali sviluppati mediante tecniche di modifica genetica sono ufficialmente considerati non OGM o esentati dalle leggi UE sugli OGM, allora entreranno nella catena alimentare e nell'ambiente completamente non regolamentati e non etichettati.

Ciò significa che non vi sarebbe alcuna valutazione della sicurezza alimentare o ambientale, nessun obbligo di rilevare eventuali alterazioni indesiderate del DNA dell'organismo o delle sue conseguenze e nessuna valutazione delle implicazioni del carattere prodotto dall'editing genetico (ad es. tolleranza agli erbicidi).

Gli alimenti modificati geneticamente non dovrebbero essere etichettati. I consumatori europei hanno detto clamorosamente “No!” alle colture GM, ma non ci sarebbe modo per i consumatori e gli agricoltori di evitare colture e animali geneticamente modificati se non fossero classificati (e quindi etichettati) come OGM.

È importante sottolineare che, sebbene l'editing genetico possa essere promosso in quanto causa solo piccoli cambiamenti nel DNA, può essere utilizzato ripetutamente per ottenere cambiamenti sostanziali in uno o anche più geni. Ciò solleva la preoccupazione che le alterazioni possano comportare l'introduzione, ad esempio, di percorsi chimici completamente nuovi all'interno di una pianta o di un animale con un alto potenziale di effetti imprevisti.

Tali organismi finirebbero nel nostro ambiente e nei nostri piatti della cena completamente non regolamentati se le tecniche di modifica genetica non fossero contemplate dalle normative sugli OGM.

Le leggi UE sugli OGM sono state ideate per proteggere dal rischio di organismi sviluppati dall'alterazione diretta del materiale genetico utilizzando le moderne biotecnologie (ad es. in vitro tecniche) che entrano nell'ambiente e nella catena alimentare.

È chiaro che le colture e gli animali modificati geneticamente devono essere valutati come OGM allo stesso modo delle attuali colture GM. Altrimenti i cittadini dell'UE saranno inconsapevolmente esposti ai rischi dell'ingegneria genetica senza test o etichettatura, così come l'ambiente, la biodiversità e l'agricoltura.

La dottoressa Janet Cotter gestisce una società di consulenza ambientale, Logos Environmental. In precedenza è stata Senior Scientist con Greenpeace International per 15 anni.

La dottoressa Ricarda Steinbrecher è un biologo, genetista e co-direttore di EcoNexus. Ha lavorato sugli OGM dal 1995, in particolare sui processi guidati dalle Nazioni Unite sulla biosicurezza, la valutazione del rischio degli organismi geneticamente modificati e la biologia sintetica. È membro fondatore della Rete Europea di Scienziati per la Responsabilità Sociale e Ambientale e lavora con la società civile e gruppi di piccoli agricoltori in tutto il mondo.

Rapporti aggiuntivi di L'Ecologo.

Ulteriori letture

Protocollo di Cartagena – uso dei termini

(g) “Organismo vivente modificato”: qualsiasi organismo vivente che possiede una nuova combinazione di materiale genetico ottenuto mediante l'uso della moderna biotecnologia

(h) "organismo vivente" indica qualsiasi entità biologica in grado di trasferire o replicare materiale genetico, inclusi organismi sterili, virus e viroidi

(i) “Biotecnologia moderna” significa l'applicazione di:
un. Tecniche di acido nucleico in vitro, compreso acido desossiribonucleico ricombinante (DNA) e iniezione diretta di acido nucleico in cellule o organelli, o
B. Fusione di cellule oltre la famiglia tassonomica, che superano le naturali barriere fisiologiche riproduttive o di ricombinazione e che non sono tecniche utilizzate nell'allevamento e selezione tradizionali

Direttiva 2011/18, articolo 2, paragrafo 2 e allegati

“Organismo geneticamente modificato (OGM)” indica un organismo, ad eccezione degli esseri umani, in cui il materiale genetico è stato alterato in un modo che non avviene naturalmente per accoppiamento e/o ricombinazione naturale

Nei termini di questa definizione:

(a) la modificazione genetica avviene almeno mediante l'uso delle tecniche elencate nell'allegato I A, parte 1

b) si ritiene che le tecniche elencate nell'allegato I A, parte 2, non comportino modificazioni genetiche

TECNICHE DI CUI ALL'ARTICOLO 2, PARAGRAFO 2

Le tecniche di modificazione genetica di cui all'articolo 2, paragrafo 2, lettera a), sono tra l'altro:

(1) tecniche di acido nucleico ricombinante che comportano la formazione di nuove combinazioni di materiale genetico mediante l'inserimento di molecole di acido nucleico prodotte con qualsiasi mezzo al di fuori di un organismo, in qualsiasi virus, plasmide batterico o altro sistema vettore e la loro incorporazione in un organismo ospite in cui non si verificano naturalmente ma in cui sono in grado di continuare a propagarsi

(2) tecniche che comportano l'introduzione diretta in un organismo di materiale ereditabile preparato al di fuori dell'organismo, comprese microiniezione, macroiniezione e microincapsulazione

(3) fusione cellulare (compresa la fusione di protoplasti) o tecniche di ibridazione in cui si formano cellule vive con nuove combinazioni di materiale genetico ereditabile mediante la fusione di due o più cellule mediante metodi che non si verificano in natura.

Le tecniche di cui all'articolo 2, paragrafo 2, lettera b), che non sono considerate come causa di modificazione genetica, a condizione che non comportino l'uso di molecole di acido nucleico ricombinante o di organismi geneticamente modificati realizzati con tecniche/metodi diversi da quelli esclusi Allegato IB:

(2) processi naturali come: coniugazione, trasduzione, trasformazione,

TECNICHE DI CUI ALL'ARTICOLO 3

Tecniche/metodi di modificazione genetica che producono organismi da escludere dalla direttiva, a condizione che non comportino l'uso di molecole di acido nucleico ricombinante o di organismi geneticamente modificati diversi da quelli prodotti da una o più delle tecniche/metodi elencati di seguito sono :

(2) fusione cellulare (compresa la fusione di protoplasti) di cellule vegetali di organismi che possono scambiare materiale genetico attraverso metodi di allevamento tradizionali.


RILEVAMENTO DI ALTERAZIONI DEL GENOMA TRAMITE TECNOLOGIE -OMICS

Negli ultimi 15 anni sono state sviluppate varie tecnologie avanzate che consentono l'accumulo e la valutazione di set di dati su larga scala di molecole biologiche, tra cui la sequenza del DNA (il genoma), i trascritti (il trascrittoma che coinvolge l'RNA), la modifica del DNA (l'epigenoma) e , in misura minore, proteine ​​e loro modificazioni (il proteoma) e metaboliti (il metaboloma). Tali set di dati consentono analisi comparative di linee non-GE e GE in modo tale che gli effetti sull'espressione genica delle piante, sul metabolismo e sulla composizione possano essere valutati in modo più informato. L'accesso alle tecnologie consente anche l'analisi dell'entità della variazione naturale in una specie di coltura a livello di DNA, RNA, proteine, metaboliti ed epigenetici, consentendo di determinare se la variazione nelle colture geneticamente modificate rientra nell'intervallo riscontrato naturalmente e tra le cultivar. Come discusso di seguito per ciascuno dei tipi di dati -omics, le tecnologie per accedere alle molecole erano relativamente recenti a partire dal 2015 ma stavano avanzando rapidamente. Alcune tecnologie erano pronte per essere implementate per generare set di dati per la valutazione del

effetti degli eventi di ingegneria genetica durante la stesura del rapporto del comitato. Altri miglioreranno in precisione e produttività nel prossimo decennio e potrebbero un giorno essere tecnologie utili per valutare gli effetti degli eventi di ingegneria genetica. La Precision Medicine Initiative annunciata dal presidente Obama nel gennaio 2015 6 si concentra sulla comprensione di come le differenze genetiche tra gli individui e le mutazioni presenti nel cancro e nelle cellule malate (rispetto alle cellule sane) influenzino la salute umana. Un progetto analogo che utilizza diversi approcci omici nelle piante coltivate con l'ingegneria genetica e l'allevamento convenzionale potrebbe fornire miglioramenti approfonditi nella comprensione dei processi biologici vegetali che a loro volta potrebbero essere applicati alla valutazione degli effetti delle modifiche genetiche nelle piante coltivate.

Genomica

Un modo per accertare se l'ingegneria genetica ha prodotto effetti fuori bersaglio (sia attraverso la trasformazione nucleare con Agrobatterio o pistole genetiche, RNAi o tecnologie emergenti come l'editing del genoma) consiste nel confrontare il genoma della pianta GE con un esempio&mdashor riferimento&mdashgenoma della pianta madre non-GE. Il genoma di riferimento è come un progetto per la specie, rivelando la diversità allelica e identificando i geni associati al fenotipo. Conoscendo la variazione che si verifica naturalmente in una specie, è possibile confrontare il genoma ingegnerizzato con il genoma di riferimento per rivelare se l'ingegneria genetica ha causato cambiamenti, inattesi o involontari, per ottenere un contesto per valutare se i cambiamenti potrebbero avere effetti negativi. Poiché esiste una variazione intrinseca della sequenza del DNA tra le piante all'interno di una specie e persino tra cultivar, qualsiasi cambiamento geneticamente modificato dovrebbe essere confrontato con il genitore non GE e la gamma di variazione genomica naturale. Cioè, le modifiche apportate dall'ingegneria genetica devono essere collocate in un contesto appropriato.

Sfondo

Nel luglio 1995, la prima sequenza del genoma di un organismo vivente, il batterio Haemophilus influenza (1.830.137 paia di basi), è stato riportato (Fleischmann et al., 1995). Questo risultato tecnologico che cambia il paradigma è stato possibile grazie allo sviluppo di metodi automatizzati di sequenziamento del DNA, una migliore potenza di elaborazione del computer e lo sviluppo di algoritmi per ricostruire un genoma completo sulla base di sequenze di DNA frammentate e casuali. Nell'ottobre 1995, il genoma del

batterio Micoplasma genitalium è stato rilasciato (Fraser et al., 1995) questo sequenziamento e assemblaggio dell'intero genoma solidificato come metodo per ottenere sequenze genomiche. Nei due decenni successivi, sono emersi metodi di sequenziamento e assemblaggio del genoma più efficienti e meno costosi (per la revisione, vedere McPherson, 2014) e hanno permesso il sequenziamento dei genomi di centinaia di specie, così come migliaia di individui, in tutti i regni di vita. Ad esempio, dal rilascio della bozza di sequenza del genoma umano di riferimento nel 2001 (Lander et al., 2001 Venter et al., 2001), sono stati sequenziati migliaia di singoli genomi umani, inclusi progetti di sequenziamento comparativo del genoma come: un profondo catalogo della variazione umana di migliaia di individui, 7 cellule normali rispetto a cellule tumorali di un singolo individuo, famiglie con malattie genetiche ereditarie e popolazioni malate rispetto a popolazioni sane. Tali progetti si sono concentrati sulla rilevazione della diversità allelica in una specie e sull'associazione di geni con fenotipi, come la propensione a malattie specifiche.

Limitazioni negli attuali metodi di sequenziamento e assemblaggio del genoma De Novo per le piante

Gli attuali metodi per sequenziare un genoma e assemblare un genoma de novo comportano la frammentazione casuale del DNA, la generazione di letture di sequenza e la ricostruzione della sequenza originale del genoma utilizzando algoritmi di assemblaggio. Sebbene i metodi siano robusti e continuino a migliorare, è importante notare che non riescono a fornire la sequenza completa del genoma di eucarioti complessi. In effetti, anche la sequenza del genoma umano, per la quale sono stati spesi miliardi di dollari per ottenere una sequenza del genoma di riferimento di alta qualità, che ha fornito una grande quantità di informazioni utili per la comprensione della biologia umana, compreso il cancro e altre malattie, è ancora incompleta. Per le piante, il punto di riferimento per un assemblaggio del genoma di alta qualità è quello della specie modello Arabidopsis thaliana, che ha un genoma estremamente piccolo che è stato pubblicato nel 2000 (Arabidopsis Iniziativa Genoma, 2000). Più di 15 anni dopo l'uscita del A. thaliana sequenza genomica di riferimento e con la disponibilità di sequenze da più di 800 accessioni aggiuntive, 8 si stima che mancassero ancora 30-40 milioni di nucleotidi di sequenza dalla A. thaliana Assemblaggio del genoma di riferimento Col-0 (Bennett et al., 2003). La maggior parte delle sequenze mancanti sono altamente ripetitive (come i geni dell'RNA ribosomiale e le ripetizioni centromeriche), ma alcune regioni contenenti geni sono assenti a causa di problemi tecnici.

7 1000 genomi: un profondo catalogo delle variazioni genetiche umane. Disponibile su http://www.1000genomes.org/. Consultato il 12 novembre 2015.

8 1001 Genomi: un catalogo di Arabidopsis thaliana Variazione genetica. Disponibile su http://1001genomes.org/. Consultato il 12 novembre 2015.

Con l'aumento delle dimensioni del genoma e della complessità della sequenza ripetitiva, la rappresentazione completa della sequenza del genoma diventa più impegnativa. In effetti, gli assemblaggi del genoma della maggior parte delle principali specie di colture (mais, frumento, orzo e patate) sono tutti di sola qualità alla bozza e presentano lacune sostanziali (Schnable et al., 2009 Potato Genome Sequencing Consortium, 2011 International Barley Genome Sequencing, 2012 Li et al., 2014a) nessuno fornisce una rappresentazione completa e completa del genoma.

In diverse colture importanti, quando il comitato stava scrivendo il suo rapporto, erano in corso progetti equivalenti al progetto dei 10.000 genomi umani per determinare la diversità complessiva della specie documentando il "genoma pan" (Weigel e Mott, 2009). È stato sorprendente in molti di questi studi che esiste una sostanziale diversità genomica in alcune specie vegetali non solo nella composizione allelica ma anche nel contenuto genico (Lai et al., 2010 Hirsch et al., 2014 Li et al., 2014b). Pertanto, una singola sequenza genomica di "riferimento" derivata da un singolo individuo di una specie non riuscirà a rappresentare adeguatamente la composizione genetica e la diversità della popolazione complessiva e pertanto limiterà le interpretazioni dei cambiamenti diretti nel genoma (come quelli che possono essere forniti dall'emergere di metodi di modifica del genoma utilizzati per generare colture geneticamente modificate).

Risequenziamento: valutazione delle differenze tra il genoma di riferimento e quello di interrogazione

Una volta che la sequenza del DNA del genoma di una coltura è stata assemblata abbastanza bene da fungere da genoma di riferimento, il risequenziamento diventa un metodo potente ed economico per rilevare le differenze genomiche tra le accessioni correlate (individui) o le linee GE. Il risequencing comporta la generazione di letture di sequenze casuali del genoma della query (il genoma che viene confrontato con il genoma di riferimento), l'allineamento di tali letture con un genoma di riferimento e l'utilizzo di algoritmi per determinare le differenze tra la query e il riferimento. I punti di forza di questo approccio sono che è poco costoso e consente di confrontare molti genomi di query con il genoma di riferimento e quindi fornisce dati sostanziali su somiglianze e differenze tra gli individui di una specie (Figura 7-5). Tuttavia, i limiti dell'approccio possono influenzare la determinazione della differenza tra due genomi. Innanzitutto, la qualità di lettura della sequenza influenzerà l'interpretazione dei dati in quanto gli errori di lettura possono essere interpretati erroneamente come polimorfismi di sequenza. In secondo luogo, la copertura delle letture di sequenza generate può limitare l'interrogazione dell'intero genoma perché il campionamento è casuale e alcune regioni del genoma sono sottorappresentate nel pool di letture. Terzo, costruzione della libreria 9 e sequenziamento

9 Una libreria di sequenze di DNA viene creata generando frammenti casuali del genoma che rappresentano collettivamente l'intera sequenza del genoma.

FIGURA 7-5 Rilevamento di alterazioni del genoma, dell'epigenoma, del trascrittoma, del proteoma e del metaboloma in piante modificate dal genoma e geneticamente modificate.
FONTE: Illustrazione di C. R. Buell.
NOTA: Per eseguire varie valutazioni omiche di piante modificate dal genoma, sia la pianta wild-type (non modificata) che quella modificata dal genoma sono soggette a sequenziamento del genoma, caratterizzazione epigenomica, profilatura del trascrittoma, profilatura del proteoma e profilatura del metabolita. A, il sequenziamento del genoma viene eseguito sia sull'accesso wild-type che su quello modificato dal genoma e le differenze nella sequenza del DNA (G rosso) vengono rilevate con metodi bioinformatici.B, i cambiamenti nell'epigenoma sono valutati con il sequenziamento del bisolfito e l'immunoprecipitazione della cromatina con

bias influenzerà quali sequenze sono presenti nel set di dati di risequenziamento e di conseguenza disponibili per l'allineamento con il genoma di riferimento. In quarto luogo, gli algoritmi di read-alignment non riescono a rilevare tutti i polimorfismi se la query diverge troppo dal riferimento, specialmente con inserimenti e delezioni o con SNP vicini. In quinto luogo, gli allineamenti di lettura e il rilevamento del polimorfismo sono limitati alle regioni non ripetitive del genoma, quindi le regioni ripetitive nel genoma non possono essere valutate per la divergenza. Sebbene gli ostacoli rimangano, il risequencing è un metodo potente per misurare le differenze nelle sequenze del genoma tra piante di tipo selvatico (individui normali non trasformati) e piante ingegnerizzate. Con i miglioramenti previsti nella tecnologia, migliorerà la risoluzione del risequenziamento per rivelare le differenze tra due genomi.

Approcci computazionali

Quando il comitato stava scrivendo il suo rapporto, stavano emergendo alternative agli approcci di risequenziamento per identificare i polimorfismi nella sequenza del DNA tra due genomi. La base degli approcci computazionali per identificare i polimorfismi sono algoritmi che eseguono il conteggio dei k-mer (un k-mer è una sequenza nucleotidica unica di una data lunghezza) in cui i k-mer unici sono identificati in due read pool (ad esempio, wild type e mutante) e k-meri che differiscono tra i due campioni vengono quindi identificati computazionalmente. Questi k-mer vengono quindi ulteriormente analizzati per identificare la natura del polimorfismo (SNP contro inserimento o delezione) e per associare il polimorfismo a un gene e un potenziale fenotipo (Nordstrom et al., 2013 Moncunill et al., 2014). La sensibilità e la specificità di tali programmi sono paragonabili o migliori degli attuali metodi che rilevano SNP e

gli anticorpi che prendono di mira gli istoni modificati associati ai lecca-lecca della cromatina indicano residui di citosina metilata. C, il sequenziamento del trascrittoma viene utilizzato per misurare le abbondanze di espressione nelle linee wild-type (WT) e modificate dal genoma (GE) nell'esempio mostrato, l'espressione varia da 0 a 15 per i geni da A a J la varianza in tutti i geni è evidente, con solo gene F che mostra sostanziali differenze di espressione tra la linea wild-type e quella modificata dal genoma come ci si aspetterebbe in una linea knockout. D, la proteomica viene utilizzata per misurare le differenze nell'abbondanza di proteine ​​nella linea wild-type rispetto a quella modificata dal genoma tutte le proteine ​​sono ugualmente presenti nelle linee wild-type e modificate dal genoma (punti gialli), mentre la proteina F è presente solo nella linea wild-type (punto verde), come previsto da una linea a eliminazione diretta. E, i livelli dei metaboliti da A a M nelle linee wild-type e modificate dal genoma, i livelli del metabolita F sono zero in contrasto con il wild type, come ci si aspetterebbe in una linea knockout.

inserzioni/delezioni utilizzando metodi di sequenziamento del genoma e quindi avere il potenziale per identificare in modo più robusto la variazione del genoma introdotta attraverso l'ingegneria genetica. Il comitato si aspetta che il campo continui a svilupparsi rapidamente e permetta ai ricercatori di leggere il DNA genomico con maggiore sensibilità e specificità.

Utilità della trascrittomica, della proteomica e della metabolomica nella valutazione degli effetti biologici dell'ingegneria genetica

Come affermato nel rapporto 2004 del Consiglio Nazionale delle Ricerche Sicurezza degli alimenti geneticamente modificati, la comprensione della composizione del cibo a livello di RNA, proteine ​​e metaboliti è fondamentale per determinare se l'ingegneria genetica determina una differenza nell'equivalenza sostanziale rispetto ai livelli di RNA, proteine ​​e metaboliti nelle colture allevate in modo convenzionale (NRC, 2004, vedere il capitolo 5) . Sebbene il genoma fornisca il "progetto" per la cellula, la valutazione del trascrittoma, del proteoma e del metaboloma può fornire informazioni sulle conseguenze a valle dei cambiamenti del genoma che portano a un fenotipo alterato. I metodi utilizzati per valutare le trascrizioni, le proteine ​​e i metaboliti nelle piante sono descritti di seguito con il commento del comitato sui limiti della sensibilità e della specificità del rilevamento e dell'interpretazione esistenti al momento della stesura di questo rapporto. Un avvertimento nell'uso di una qualsiasi di queste tecniche è legato alla variazione biologica intrinseca indipendentemente dallo stato di ingegneria genetica. Anche con genotipi identici coltivati ​​in condizioni identiche, vi è una variazione nel trascrittoma, nel proteoma e nel metaboloma. Gli scienziati affrontano tale variazione utilizzando esperimenti replicati biologicamente e approcci multi-omici e di biologia molecolare. Oltre alla variazione biologica, la variazione allelica determina diversi livelli di trascritti, proteine ​​e metaboliti in diverse accessioni. Per fornire un contesto a qualsiasi cambiamento osservato nel trascrittoma, proteoma o metaboloma attribuibile a un evento di ingegneria genetica, la gamma più ampia di variazione nelle cultivar coltivate commercialmente di una specie di coltura può essere confrontata con quella di una linea GE per determinare se i livelli modificati sono al di fuori del regno della variazione in una coltura. Pertanto, nella valutazione delle colture geneticamente modificate, l'interpretazione deve essere nel contesto della variazione biologica e allelica intrinseca della specifica coltura. La valutazione è resa difficile anche dal fatto che gli scienziati hanno poca o nessuna conoscenza delle funzioni svolte da un numero sostanziale di geni, trascritti, proteine ​​e metaboliti in una cellula vegetale.

Trascrittomica

I progressi nelle tecnologie di sequenziamento ad alto rendimento hanno consentito lo sviluppo di metodi robusti per la misurazione quantitativa

il trascrittoma, i geni espressi in un campione. Un metodo, noto come sequenziamento dell'RNA (RNA-seq), comporta l'isolamento dell'RNA, la conversione dell'RNA in DNA, la generazione di letture di sequenze e analisi bioinformatiche per valutare i livelli di espressione, splicing alternativo e siti di inizio o terminazione trascrizionali alternativi (Wang et al., 2009 de Klerk et al., 2014). Questo metodo può essere applicato a mRNA, piccoli RNA (che includono RNA interferenti coinvolti nell'RNAi), RNA totale, RNA legato ai ribosomi e complessi RNA-proteina per ottenere una valutazione dettagliata degli RNA in una cellula. I metodi per costruire librerie RNA-seq, generare letture di sequenze, allinearsi a un genoma di riferimento e determinare le abbondanze di espressione sono abbastanza robusti anche con sequenze di genoma in bozza se forniscono una rappresentazione quasi completa dei geni nel genoma (Wang et al., 2009 de Klerk et al., 2014). I metodi statistici per determinare l'espressione differenziale tra due campioni qualsiasi, come due piante con genotipi identici in diversi stadi di sviluppo, continuano a maturare ma sono limitati dalla variazione biologica intrinseca nel trascrittoma. Infatti, la variazione tra repliche biologiche indipendenti di tessuti wild-type è ben documentata. Ad esempio, la stima dell'abbondanza dell'espressione dell'intero trascrittoma in repliche biologiche indipendenti di un dato trattamento sperimentale è considerata altamente riproducibile se i valori di correlazione di Pearson sono in genere superiori a 0,95 e si osservano valori superiori a 0,98. Tuttavia, anche con valori di correlazione di Pearson elevati, numerosi geni possono presentare un'espressione diversa tra le repliche biologiche. Pertanto, l'espressione genica differenziale nelle piante GE dovrebbe essere confrontata con la variazione osservata nell'espressione genica nelle repliche biologiche di individui non trasformati per garantire l'assenza di effetti importanti dell'evento di ingegneria genetica sul trascrittoma.

Ad oscurare qualsiasi differenza di espressione scoperta tra una pianta selvatica e una pianta ingegnerizzata è il fatto che si sa poco sull'esatta funzione di un numero sostanziale di geni, trascritti e proteine ​​per qualsiasi specie vegetale. Nel mais, quasi un terzo dei geni non ha un'annotazione funzionale significativa anche quando viene fornita un'annotazione funzionale informativa, l'annotazione è stata molto probabilmente assegnata utilizzando metodi di annotazione transitiva automatizzata che dipendono fortemente dalla somiglianza della sequenza. Pertanto, anche se vengono rilevati geni espressi in modo differenziale tra i campioni wild-type e GE, interpretarli nel contesto della salute o degli effetti sull'ecosistema può essere nella migliore delle ipotesi difficile. Ad esempio, uno studio sugli effetti dell'espressione della proteina antimicotica nel riso introdotto con l'ingegneria genetica ha mostrato cambiamenti in circa lo 0,4 percento del trascrittoma nelle linee GE (Montero et al., 2011). L'analisi del 20 percento dei cambiamenti ha indicato che il 35 percento degli effetti indesiderati potrebbe essere attribuito al processo di coltura tissutale utilizzato per la trasformazione e la rigenerazione delle piante, mentre il 15 percento sembrava essere specifico dell'evento e attribuibile alla presenza del

transgene. Circa il 50 per cento dei cambiamenti che sono stati attribuiti alla presenza del transgene erano nell'espressione di geni che potrebbero essere indotti nel riso non geneticamente modificato da ferite. È impossibile determinare se i cambiamenti nei livelli di trascrizione registrati nello studio indicano che il riso Ogm potrebbe essere peggiore, uguale o migliore della sua controparte non Ogm per quanto riguarda la sicurezza alimentare. Un modo per valutare gli effetti biologici dell'ingegneria genetica sul trascrittoma è includere nello studio una varietà di cultivar allevate convenzionalmente e determinare se l'intervallo dei livelli di espressione nella linea GE rientra nell'intervallo osservato per la coltura, ma questo metodo sarà non forniscono prove definitive della sicurezza alimentare o dell'ecosistema.

Proteomica

Diversi metodi consentono il confronto della composizione proteica e delle modifiche proteiche post-traduzionali tra i campioni (per la revisione, vedere May et al., 2011). Ad esempio, l'elettroforesi in gel con differenza bidimensionale consente il confronto quantitativo di due proteomi attraverso l'etichettatura differenziale dei campioni seguita da separazione e quantificazione (Figura 7-5 D). Nella spettrometria di massa (MS), un altro metodo per esaminare il proteoma, le proteine ​​vengono prima rotte in frammenti specifici (spesso da proteasi, che sono enzimi che catalizzano la scissione delle proteine ​​in peptidi in siti specifici) e frazionate con tecniche come la cromatografia liquida. Quindi i rapporti massa-carica dei peptidi vengono rilevati con MS. I dati MS in genere forniscono una "firma" univoca per ciascun peptide e l'identità dei peptidi viene in genere determinata utilizzando algoritmi di ricerca per confrontare le firme con i database di peptidi e proteine ​​previsti derivati ​​da dati di sequenza del genoma o del trascrittoma. L'etichettatura differenziale degli isotopi può essere utilizzata nell'approccio MS per determinare le differenze quantitative nei campioni di proteine. Una limitazione di tutte le attuali tecniche di proteomica è la sensibilità che gli studi sull'intero proteoma rilevano tipicamente solo le proteine ​​più abbondanti (Baerenfaller et al., 2008). Inoltre, i metodi di preparazione del campione devono essere modificati per rilevare diverse frazioni del proteoma (come proteine ​​solubili rispetto a quelle legate alla membrana e piccole rispetto a grandi proteine) (Baerenfaller et al., 2008). Pertanto, per fornire un'ampia valutazione del proteoma, è necessario utilizzare una serie di metodi di preparazione del campione. Infine, come con gli altri metodi -omici, l'interpretazione del significato delle differenze proteomiche è resa difficile dal fatto che gli scienziati hanno poca conoscenza di ciò che fa un gran numero di proteine ​​in una cellula vegetale.

Metabolomica

È pratica comune nella valutazione delle colture geneticamente modificate per l'approvazione normativa richiedere la profilazione mirata di specifici metaboliti o classi di metaboliti

che possono essere rilevanti per il carattere in via di sviluppo o che sono noti per essere presenti nelle specie bersaglio e potenzialmente tossici se presenti in concentrazioni eccessive. In base agli attuali requisiti normativi, l'equivalenza metabolica sostanziale viene valutata sulla base delle concentrazioni di macromolecole grossolane (ad esempio proteine ​​o fibre), di nutrienti quali amminoacidi e zuccheri e di metaboliti secondari specifici che potrebbero essere fonte di preoccupazione.

Come per la genomica, la trascrittomica e la proteomica, gli approcci noti collettivamente come metabolomica sono stati sviluppati per determinare la natura e le concentrazioni di tutti i metaboliti in un particolare organismo o tessuto. È stato affermato che tali informazioni dovrebbero essere richieste prima che una coltura geneticamente modificata superi i requisiti normativi per la commercializzazione. Tuttavia, contrariamente agli approcci genomici e trascrittomici, con i quali ora è tecnicamente facile valutare le sequenze di DNA e misurare le concentrazioni relative della maggior parte o di tutti i trascritti in un organismo rispettivamente con le attuali tecnologie di sequenziamento, la metabolomica attualmente eseguita può fornire dati utili solo su un sottoinsieme di metaboliti. Questo perché ogni metabolita è chimicamente diverso, mentre il DNA e l'RNA comprendono ordinamenti diversi di sole quattro basi nucleotidiche. I metaboliti devono essere separati, di solito con la gascromatografia o la cromatografia liquida ad alta prestazione, la loro natura e le concentrazioni vengono quindi determinate, di solito con MS. Gli spettri di massa vengono confrontati con una libreria standard di sostanze chimiche eseguite sullo stesso sistema analitico. Il problema principale per questo tipo di analisi metabolomica delle piante è il possesso nel regno vegetale di un gran numero di prodotti naturali genere-specifici o addirittura specie-specifici (vedere la sezione &ldquoConfronto tra colture geneticamente modificate e loro controparti&rdquo nel Capitolo 5 per la discussione sulle piante naturali. prodotti). Le piattaforme commerciali avanzate per la metabolomica delle piante misurano attualmente circa 200 composti identificati, solitamente all'interno del metabolismo primario, e i prodotti naturali meno ampiamente distribuiti sono scarsamente rappresentati (Clarke et al., 2013). Tuttavia, questi approcci possono differenziare un numero molto maggiore di metaboliti distinti ma non identificati ed è utile sapere se le concentrazioni di un metabolita sono specificamente influenzate in una coltura geneticamente modificata anche se l'identità del particolare metabolita non è nota. Ad esempio, con una combinazione di piattaforme di separazione accoppiate alla spettrometria di massa, è stato possibile risolvere 175 metaboliti identificati univoci e 1.460 picchi con annotazione metabolita assente o imprecisa, stimati insieme per rappresentare circa l'86 percento della diversità chimica del pomodoro (Solanum lycopersicum) come elencato in una banca dati disponibile al pubblico (Kusano et al., 2011). Sebbene tale approccio consenta di determinare se i picchi dei metaboliti sono presenti in una coltura geneticamente modificata ma non nella controparte non geneticamente modificata o viceversa, la metabolomica, in assenza di un metaboloma completamente definito per le specie bersaglio in cui la tossicità di tutti i componenti è noto, non è in grado di determinare

con la certezza che un impianto GE o non GE non contiene alcuna molecola chimicamente identificata che sia inaspettata o tossica.

Un approccio alternativo all'analisi non mirata dei metaboliti consiste nell'eseguire il fingerprinting metabolico e fare affidamento su strumenti statistici per confrontare materiali GE e non GE. Ciò non richiede necessariamente la separazione preventiva dei metaboliti e può utilizzare la spettrometria di massa a ionizzazione elettrospray a iniezione di flusso (Enot et al., 2007) o la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) (Baker et al., 2006 Ward and Beale, 2006 Kim et al. ., 2011). La spettroscopia NMR è rapida e non richiede separazione, ma dipende fortemente da approcci computazionali e statistici per interpretare gli spettri e valutare le differenze.

In generale, con poche eccezioni, gli studi metabolomici hanno concluso che i metabolomi delle piante coltivate sono influenzati più dall'ambiente che dalla genetica e che la modifica delle piante con l'ingegneria genetica in genere non determina cambiamenti fuori bersaglio nel metaboloma che rimarrebbero al di fuori del naturale variazione nella specie. Studi di riferimento sui metabolomi (che rappresentano 156 metaboliti nel grano e 185 metaboliti nel foraggio) di 50 ibridi di mais commerciale DuPont Pioneer geneticamente diversi non GE coltivati ​​in sei località del Nord America hanno rivelato che l'ambiente ha un effetto molto maggiore sul metaboloma (che colpisce 50 per cento dei metaboliti) rispetto al background genetico (che interessava solo il 2 per cento dei metaboliti) la differenza era più evidente nei campioni di foraggio che nei campioni di cereali (Asiago et al., 2012). È stato anche dimostrato che i fattori ambientali svolgono un ruolo maggiore dell'ingegneria genetica sulle concentrazioni della maggior parte dei metaboliti identificati in bt riso (Chang et al., 2012). Nella soia, la metabolomica non mirata è stata utilizzata per dimostrare gli intervalli dinamici di 169 metaboliti dai semi di un gran numero di linee di soia allevate convenzionalmente che rappresentano l'attuale diversità genetica commerciale (Clarke et al., 2013). Sono state osservate ampie variazioni nelle concentrazioni dei singoli metaboliti, ma il metaboloma di una linea GE progettata per essere resistente all'erbicida trichetone mesotrione (che prende di mira la via dei carotenoidi che porta al fotosbiancamento delle piante sensibili) non ha deviato con significatività statistica dalla variazione naturale nell'attuale diversità genetica eccetto nei cambiamenti previsti nella via dei carotenoidi mirati. Approcci metabolomici simili hanno portato alla conclusione che una Monsanto bt il mais era sostanzialmente equivalente al mais allevato convenzionalmente se coltivato nelle stesse condizioni ambientali (Vaclavik et al., 2013) e che il riso OGM fortificato con carotenoidi era più simile alla sua linea parentale che ad altre varietà di riso (Kim et al., 2013) . Questi studi suggeriscono che l'uso della metabolomica per valutare l'equivalenza sostanziale richiederà test in più posizioni e un'attenta analisi per differenziare gli effetti genetici da quelli ambientali, soprattutto perché probabilmente ci saranno effetti delle interazioni tra geni e ambiente.

Alcuni studi metabolomici e trascrittomici hanno suggerito che l'inserimento del transgene o il processo di coltura tissutale coinvolto nella rigenerazione delle piante trasformate può portare a "firme metaboliche" associate al processo stesso (Kusano et al., 2011 Montero et al., 2011). Ciò è stato riportato per i pomodori geneticamente modificati con sovrapproduzione della miracolosa proteina che modifica il gusto, sebbene sia stato sottolineato dagli autori che, come in studi comparabili con altre colture geneticamente modificate, "le differenze tra le linee transgeniche e il controllo erano piccole rispetto alle differenze osservati tra fasi di maturazione e cultivar tradizionali&rdquo (Kusano et al., 2011).

Affinché la metabolomica diventi uno strumento utile per fornire una valutazione della sicurezza avanzata di una specifica coltura geneticamente modificata, sarà necessario sviluppare una libreria chimica che contenga tutti i potenziali metaboliti presenti nella specie in tutte le possibili condizioni ambientali. È un compito arduo che potrebbe essere fattibile per alcune importanti colture di materie prime sotto gli attuali stress biotici e abiotici, ma anche questo non coprirebbe necessariamente le condizioni ambientali future. È improbabile che nel prossimo futuro vengano sviluppate librerie annotate di metaboliti per colture minori.

L'epigenoma

Sfondo

Mentre la sequenza del DNA di un gene codifica per l'mRNA che viene tradotto nella proteina corrispondente, la velocità con cui un gene nel nucleo di una cellula eucariotica viene trascritto nell'mRNA può essere fortemente influenzata dalla modificazione chimica del DNA del gene e da modificazione chimica delle proteine ​​associate al DNA. Nelle piante e in altri eucarioti, il DNA nucleare genomico può essere modificato chimicamente ed è legato a una serie di proteine ​​in un complesso di DNA e proteine ​​chiamato cromatina.Le principali proteine ​​della cromatina sono le proteine ​​istoniche, che hanno un ruolo importante nella regolazione dell'accessibilità del meccanismo trascrizionale al gene e al suo promotore (regione di regolazione) e quindi nel controllo della sintesi di mRNA e proteine. Nelle piante si trovano diversi tipi di proteine ​​istoniche, ognuna con una serie di modifiche post-traduzionali (ad esempio, acetilazione e metilazione) che possono influenzare la competenza trascrizionale di un gene. Il DNA può anche essere modificato covalentemente dalla metilazione delle citosine che influenzano la competenza trascrizionale. Collettivamente, quelle modificazioni, che influenzano l'espressione dei geni e sono ereditabili in vari periodi di tempo, sono note come segni epigenetici.

I segni epigenetici sono determinanti della competenza trascrizionale e l'alterazione dello stato epigenetico (che si verifica naturalmente ma raramente) può alterare i profili di espressione oi modelli dei geni bersaglio. Ad esempio, quando un elemento trasponibile si inserisce in o vicino a un gene, il gene può essere "tacitato"

poiché le regioni vicino a un trasposone diventano altamente metilate e soppresse dalla trascrizione a causa dell'attività del macchinario di metilazione del DNA mediato dall'RNA nativo della cellula. Diversi segni epigenetici si verificano naturalmente nelle specie di colture esempi di silenziamento genico mediato da elementi trasponibili includono la variazione allelica del gene del pomodoro 2-metil-6-fitilchinolo metiltransferasi coinvolto nella biosintesi della vitamina E (Quadrana et al., 2014) e l'imprinting come visto nell'endosperma tessuto, in cui si verifica l'inserimento differenziale di elementi trasponibili nei genitori materni e paterni (Gehring et al., 2009).

Metodi di caratterizzazione dell'epigenoma

I metodi per caratterizzare l'epigenoma sono disponibili e stanno migliorando rapidamente. Per la metilazione del DNA, la risoluzione di un singolo nucleotide ad alto rendimento può essere ottenuta attraverso il sequenziamento del bisolfito (BS-seq per la revisione, vedere Feng et al., 2011 Krueger et al., 2012). I metodi BS-seq rispecchiano quello del risequenziamento del genoma, tranne per il fatto che il DNA genomico viene prima trattato con bisolfito, che converte le citosine in uracili ma non influisce sui residui di 5-metil-citosina. Di conseguenza, le citosine non metilate saranno rilevate come timidine dopo la fase della reazione a catena della polimerasi durante la costruzione della libreria dell'epigenoma. Dopo il sequenziamento, le letture vengono allineate con una sequenza del genoma di riferimento e le citosine non metilate vengono rilevate come SNP e confrontate con una libreria parallela costruita da DNA non trattato (vedere la sezione precedente "Risequenziamento: valutazione delle differenze tra il genoma di riferimento e quello di interrogazione" Figura 7-5). Esistono limitazioni degli approcci BS-seq, come la conversione incompleta delle citosine, la degradazione del DNA e l'incapacità di valutare l'intero metiloma a causa delle limitazioni della mappatura della lettura, della profondità di sequenziamento e degli errori di sequenziamento, come descritto sopra per il risequenziamento. Un'altra limitazione è la natura dinamica della metilazione della citosina del genoma vegetale. Le piante derivate da un genitore identico che non sono state soggette ad alcuna selezione tradizionale o trasformazione GE possono avere epigenomi diversi, esempio di "deriva epigenetica" (Becker et al., 2011). Pertanto, determinare l'epigenoma di una pianta in un momento specifico non indicherà necessariamente il futuro epigenoma della progenie di quella pianta.

I segni dell'istone possono essere rilevati attraverso l'immunoprecipitazione della cromatina accoppiata con il sequenziamento ad alto rendimento (ChIP-Seq per la revisione vedere Yamaguchi et al., 2014 Zentner e Henikoff, 2014). Innanzitutto, la cromatina viene isolata in modo che le proteine ​​rimangano legate al DNA. Quindi il DNA viene tranciato e il DNA legato a specifiche proteine ​​istoniche viene rimosso selettivamente utilizzando anticorpi specifici per ciascun marchio istonico. Il DNA legato a un anticorpo viene quindi utilizzato per costruire una libreria che viene sequenziata e allineata con un genoma di riferimento e viene utilizzato un algoritmo per definire il

regioni del genoma in cui si trova il marchio dell'istone. La sensibilità e la specificità di ChIP-Seq dipendono fortemente dalla specificità degli anticorpi anti-istone, dalle limitazioni tecniche nell'allineamento delle letture della sequenza con il genoma di riferimento e dalla qualità complessiva del genoma di riferimento stesso. Inoltre, l'attuale stato di comprensione non consente una previsione robusta degli effetti di molte modificazioni epigenetiche sull'espressione genica e l'espressione genica può essere valutata in modo più completo e rapido mediante la trascrittomica.

Valutazione delle piante coltivate utilizzando le tecnologie -Omics

I metodi di valutazione -omics descritti sopra sono molto promettenti per la valutazione di nuove varietà di colture, sia GE che non GE. In un approccio normativo a più livelli (vedi capitolo 9), i metodi di valutazione -omics potrebbero svolgere un ruolo importante in un quadro normativo razionale. Ad esempio, si consideri l'introduzione di un tratto GE precedentemente approvato come a bt proteine ​​in una nuova varietà della stessa specie. Avere un profilo -omics in una nuova varietà GE che sia paragonabile al profilo di una varietà già in uso dovrebbe essere sufficiente per stabilire un'equivalenza sostanziale (Figura 7-6, Livello 1). Inoltre, le analisi -omiche che rivelano una differenza che si ritiene non abbia effetti negativi sulla salute (ad esempio, aumento del contenuto di carotenoidi) dovrebbero essere sufficienti per un'equivalenza sostanziale (Figura 7-6, Livello 2).

L'approccio sopra descritto potrebbe essere utilizzato anche tra le specie. Ad esempio, una volta stabilito che la produzione di una proteina (come a bt proteine) in una specie vegetale non comporta alcun rischio per la salute, quindi l'unico potenziale rischio per la salute di bt espressione in un'altra specie sono effetti fuori bersaglio non intenzionali. -Analisi Omics che non rivelano differenze (Figura 7-6, Livello 1) o in cui le differenze rivelate non presentano effetti negativi sulla salute (Figura 7-6, Livello 2) rispetto alla coltura OGM precedentemente deregolamentata o all'intervallo di variazione riscontrato in varietà coltivate e non OGM della stessa specie forniscono prove di una sostanziale equivalenza. Come discusso nel capitolo 5 (vedere la sezione "Metodi più recenti per la valutazione dell'equivalenza sostanziale"), ci sono stati più di 60 studi in cui sono stati utilizzati approcci omici per confrontare varietà GE e non GE, e nessuno di questi studi ha trovato differenze che erano causa di preoccupazione.

Esistono anche scenari per i quali le analisi -omics potrebbero indicare che sono giustificati ulteriori test di sicurezza, ad esempio se le analisi -omics rivelano una differenza che si ritiene abbia potenziali effetti negativi sulla salute (ad esempio, aumento dell'espressione dei geni responsabili della sintesi dei glicoalcaloidi) ( Figura 7-6, Livello 3). Un altro scenario è se le analisi -omiche rivelano un cambiamento di una proteina o di un metabolita le cui conseguenze non possono essere interpretate e sono al di fuori dell'intervallo osservato nelle varietà OGM e non OGM della coltura (Figura 7-6, Livello 4). È importante notare che uno scenario di livello 4 non è di per sé un'indicazione di un problema di sicurezza. Le funzioni

FIGURA 7-6 Proposta di strategia di valutazione delle colture su più livelli colture che utilizzano tecnologie -omics.
FONTE: Illustrazione di R. Amasino.
NOTA: È possibile seguire una serie di percorsi a livelli a seconda del risultato delle varie tecnologie -omics. Nel livello 1, non ci sono differenze tra la varietà in esame e un insieme di varietà allevate convenzionalmente che rappresentano la gamma di diversità genetica e fenotipica nella specie. Nel Livello 2, vengono rilevate differenze che sono ben note per non avere effetti negativi sulla salute o sull'ambiente previsti. Nei livelli 3 e 4 vengono rilevate differenze che possono avere potenziali effetti sulla salute o sull'ambiente e richiedono quindi ulteriori test di sicurezza.

o non sono noti gli effetti sulla salute del consumo di molti geni e dei corrispondenti RNA, proteine ​​e metaboliti nelle piante non geneticamente modificate. Inoltre, non è nota la struttura chimica di molti metaboliti nelle piante che possono essere rilevati come &ldquopeaks&rdquo in vari sistemi analitici. Sono necessarie sostanzialmente più conoscenze di base prima che i set di dati -omics possano essere completamente interpretati.

Lo stato dell'arte dei diversi approcci -omici varia considerevolmente. I progressi nell'efficienza della tecnologia di sequenziamento del DNA consentono di sequenziare un genoma o trascrittoma completo a un costo modesto rispetto alla scala dei costi normativi. La trascrittomica potrebbe svolgere un ruolo importante nella valutazione dell'equivalenza sostanziale perché è relativamente semplice generare e confrontare dati trascrittomici estesi da più repliche biologiche di una nuova varietà di colture rispetto al suo progenitore già in uso. Come notato sopra, se non si riscontrano differenze inattese, questa è una prova di sostanziale equivalenza. È possibile che due varietà con trascrittomi equivalenti abbiano una differenza nel livello di un metabolita a causa di un effetto del prodotto di un transgene sulla traduzione di un particolare mRNA o sull'attività di una particolare proteina, ma questi sono scenari improbabili.

È anche semplice e di costo relativamente basso generare dati sulla sequenza del genoma da molti individui da una nuova varietà GE o non GE per determinare quale lignaggio ha il minor numero di modifiche non target al proprio genoma. Come notato in precedenza nel capitolo, la mutagenesi, sebbene attualmente classificata come allevamento convenzionale, può comportare ampie modifiche al genoma, quindi la generazione di dati sulla sequenza del DNA sarà utile nella valutazione delle varietà prodotte con questo metodo.

Le tecniche metabolomiche e proteomiche non possono attualmente fornire un catalogo completo del metaboloma o del proteoma. Tuttavia, questi approcci -omici possono svolgere un ruolo nella valutazione. Ad esempio, un metaboloma o proteoma simile in una nuova varietà rispetto a una varietà esistente fornisce prove di sostanziale equivalenza, mentre una differenza può indicare che potrebbe essere giustificata un'ulteriore valutazione.

La prova più completa dell'equivalenza sostanziale risulterebbe da una conoscenza completa dei costituenti biochimici di una varietà di colture rispetto ad altre varietà. Come notato sopra, ciò non è possibile con le attuali tecniche per il proteoma e il metaboloma. Tuttavia, guardando al futuro, una crescente base di conoscenze sulla biochimica delle piante si tradurrà in un minor numero di analisi che si tradurranno in una situazione di livello 4 e la ricerca di base nella biochimica delle piante continuerà ad ampliare la base di conoscenze che consentirà la valutazione approfondita e razionale di nuovi La ricerca di base sulle varietà di colture amplierà anche la comprensione fondamentale dei processi biologici di base nelle piante e consentirà quindi progressi nella selezione molecolare delle piante.

RISULTATO: L'applicazione delle tecnologie -omics ha il potenziale per rivelare l'entità delle modifiche del genoma, del trascrittoma, dell'epigenoma, del proteoma e del metaboloma che sono attribuibili all'allevamento convenzionale, alla variazione somaclonale e all'ingegneria genetica. La piena realizzazione del potenziale delle tecnologie -omiche per valutare l'equivalenza sostanziale richiederebbe lo sviluppo di ampi database specie-specifici, come l'intervallo di variazione nel trascrittoma, nel proteoma e nel metaboloma in un numero di genotipi cresciuti in diverse condizioni ambientali. Sebbene non sia ancora tecnicamente possibile sviluppare database di proteoma o metaboloma specifici per specie, è possibile eseguire il sequenziamento del genoma e la caratterizzazione del trascrittoma.

RACCOMANDAZIONE: Realizzare il potenziale delle tecnologie -omiche per valutare gli effetti intenzionali e non intenzionali di nuove varietà di colture sulla salute umana e sull'ambiente e per migliorare la produzione e la qualità delle piante coltivate, una base di conoscenza più completa della biologia vegetale a livello dei sistemi ( DNA, RNA, proteine ​​e metaboliti) dovrebbero essere costruiti per la gamma di variazione inerente alle specie coltivate sia allevate convenzionalmente che geneticamente modificate.


Come ci aiuta la biotecnologia?

Le immagini satellitari chiariscono i massicci cambiamenti che l'umanità ha apportato alla superficie della Terra: foreste sgomberate, enormi dighe e bacini idrici, milioni di chilometri di strade. Se potessimo acquisire immagini di tipo satellitare del mondo microscopico, l'impatto della biotecnologia non sarebbe meno evidente. La maggior parte del cibo che mangiamo proviene da piante ingegnerizzate, che vengono modificate, tramite la tecnologia moderna o tramite la selezione artificiale più tradizionale, per crescere senza pesticidi, per richiedere meno nutrienti o per resistere al rapido cambiamento climatico. I produttori hanno sostituito gli ingredienti a base di petrolio con biomateriali in molti beni di consumo, come plastica, cosmetici e combustibili. Il tuo detersivo per il bucato? Quasi certamente contiene biotecnologie. Quindi fai quasi tutti i tuoi vestiti di cotone.

Ma forse la più grande applicazione della biotecnologia è nella salute umana. La biotecnologia è presente nelle nostre vite prima ancora di nascere, dall'assistenza alla fertilità allo screening prenatale al test di gravidanza a domicilio. Ci segue attraverso l'infanzia, con vaccinazioni e antibiotici, che hanno entrambi drasticamente migliorato l'aspettativa di vita. La biotecnologia è alla base di farmaci di successo per il trattamento del cancro e delle malattie cardiache, ed è utilizzata nella ricerca all'avanguardia per curare l'Alzheimer e invertire l'invecchiamento. Gli scienziati dietro la tecnologia chiamata CRISPR/Cas9 credono che possa essere la chiave per modificare in sicurezza il DNA per curare le malattie genetiche. E una società scommette che le liste d'attesa per il trapianto di organi possono essere eliminate coltivando organi umani in maiali chimerici.


Una piattaforma di legame al DNA che può essere personalizzata per legarsi a una specifica sequenza di DNA e introdurre un DSB in questo modo mirato.

Sequenze di DNA che possono essere traslocate all'interno del genoma dalle proteine ​​trasposasi.

Un residuo di citosina seguito direttamente da un residuo di guanina in un filamento di DNA. I residui di citosina nei siti CpG possono essere metilati direttamente dalla DNA metiltransferasi.

Oligomeri sintetici modificati in grado di inibire stericamente la traduzione di RNA specifici in modo mirato.


Guarda il video: How CRISPR Changes Human DNA Forever (Dicembre 2021).