Генетически модифицированные организмы: определение и применение.

Введение

Организмы, генетический материал которых был изменен с использованием методов генетической инженерии.

Генетически модифицированный организм (ГМО) – это любой организм, генетический материал которого был изменен методами генетической инженерии. Точное определение генетически модифицированного организма и то, что подразумевается под генетической инженерией, варьируется, однако наиболее распространенным является определение организма, измененного способом, который "не возникает естественным путем в результате скрещивания и/или естественной рекомбинации". Широкий спектр организмов был генетически модифицирован (ГМ), включая животных, растения и микроорганизмы. Генетическая модификация может включать введение новых генов или усиление, изменение или инактивацию эндогенных генов. В некоторых случаях генетическая модификация предполагает перенос генов внутри одного и того же вида, между видами (создавая трансгенные организмы) и даже между царствами. Создание генетически модифицированного организма – это многоступенчатый процесс. Генетические инженеры должны изолировать ген, который они хотят ввести в организм-реципиент, и объединить его с другими генетическими элементами, включая промоторную и терминаторную области, а также часто селективный маркер. Существует ряд методов для введения изолированного гена в геном реципиента. Недавние достижения в области технологий редактирования генома, в частности CRISPR, значительно упростили создание ГМО. Герберт Бойер и Стэнли Коэн создали первый генетически модифицированный организм в 1973 году – бактерию, устойчивую к антибиотику канамицину. Первое генетически модифицированное животное, мышь, было создано в 1974 году Рудольфом Янишем, а первое растение – в 1983 году. В 1994 году был выпущен помидор Flavr Savr, первый коммерциализированный генетически модифицированный продукт питания. Первым коммерциализированным генетически модифицированным животным стала GloFish (2003), а первым генетически модифицированным животным, одобренным для использования в пищу, стал лосось AquAdvantage в 2015 году. Бактерии – самые простые в модификации организмы и используются в исследованиях, производстве продуктов питания, промышленной очистке белков (включая лекарственные препараты), сельском хозяйстве и искусстве. Существует потенциал для их использования в экологических целях или в качестве лекарственных средств. Грибки также модифицируются с теми же целями. Вирусы играют важную роль в качестве векторов для введения генетической информации в другие организмы, что особенно актуально для генной терапии человека. Рассматриваются предложения по удалению вирулентных генов из вирусов для создания вакцин. Растения модифицируются для научных исследований, создания новых цветов, доставки вакцин и получения улучшенных сельскохозяйственных культур. Генетически модифицированные культуры являются наиболее обсуждаемыми ГМО, несмотря на то, что они обладают наибольшим потенциалом для улучшения здоровья человека и состояния окружающей среды. Животных, как правило, гораздо сложнее трансформировать, и подавляющее большинство из них все еще находится на стадии исследований. Млекопитающие – лучшие модельные организмы для человека. Сельскохозяйственных животных модифицируют с целью улучшения экономически важных признаков, таких как скорость роста, качество мяса, состав молока, устойчивость к болезням и выживаемость. Генетически модифицированные рыбы используются в научных исследованиях, в качестве домашних животных и в качестве источника пищи. Генетическая инженерия рассматривается как способ борьбы с комарами, переносчиками многих смертельных заболеваний. Хотя генная терапия человека все еще относительно нова, она используется для лечения генетических заболеваний, таких как тяжелый комбинированный иммунодефицит и врожденная амавроз Лебера. Развитие ГМО, особенно их коммерциализация, вызывает множество возражений. Многие из них связаны с ГМ-культурами и безопасностью продуктов питания, произведенных из них, а также с влиянием их выращивания на окружающую среду. Другие опасения включают объективность и строгость регулирующих органов, загрязнение негенетически модифицированных продуктов питания, контроль над поставками продовольствия, патентование жизни и использование прав интеллектуальной собственности. Хотя существует научный консенсус относительно того, что продукты питания, полученные из ГМ-культур, не представляют большей опасности для здоровья человека, чем традиционные продукты питания, безопасность ГМ-продуктов питания остается ключевым вопросом для критиков. Генный поток, воздействие на нецелевые организмы и неконтролируемое распространение являются основными экологическими проблемами. Страны приняли нормативные меры для решения этих проблем. Существуют различия в регулировании выпуска ГМО в разных странах, особенно между США и Европой. Ключевые вопросы для регулирующих органов включают необходимость маркировки ГМ-продуктов питания и статус организмов, отредактированных генами.

A genetically modified organism (GMO) is any organism whose genetic material has been altered using genetic engineering techniques. The exact definition of a genetically modified organism and what constitutes genetic engineering varies, with the most common being an organism altered in a way that "does not occur naturally by mating and/or natural recombination". A wide variety of organisms have been genetically modified (GM), including animals, plants, and microorganisms. Genetic modification can include the introduction of new genes or enhancing, altering, or knocking out endogenous genes. In some genetic modifications, genes are transferred within the same species, across species (creating transgenic organisms), and even across kingdoms. Creating a genetically modified organism is a multi step process. Genetic engineers must isolate the gene they wish to insert into the host organism and combine it with other genetic elements, including a promoter and terminator region and often a selectable marker. A number of techniques are available for inserting the isolated gene into the host genome. Recent advancements using genome editing techniques, notably CRISPR, have made the production of GMOs much simpler. Herbert Boyer and Stanley Cohen made the first genetically modified organism in 1973, a bacterium resistant to the antibiotic kanamycin. The first genetically modified animal, a mouse, was created in 1974 by Rudolf Jaenisch, and the first plant was produced in 1983. In 1994, the Flavr Savr tomato was released, the first commercialized genetically modified food. The first genetically modified animal to be commercialized was the GloFish (2003) and the first genetically modified animal to be approved for food use was the AquAdvantage salmon in 2015. Bacteria are the easiest organisms to engineer and have been used for research, food production, industrial protein purification (including drugs), agriculture, and art. There is potential to use them for environmental purposes or as medicine. Fungi have been engineered with much the same goals. Viruses play an important role as vectors for inserting genetic information into other organisms. This use is especially relevant to human gene therapy. There are proposals to remove the virulent genes from viruses to create vaccines. Plants have been engineered for scientific research, to create new colors in plants, deliver vaccines, and to create enhanced crops. Genetically modified crops are publicly the most controversial GMOs, in spite of having the most human health and environmental benefits. Animals are generally much harder to transform and the vast majority are still at the research stage. Mammals are the best model organisms for humans. Livestock is modified with the intention of improving economically important traits such as growth rate, quality of meat, milk composition, disease resistance, and survival. Genetically modified fish are used for scientific research, as pets, and as a food source. Genetic engineering has been proposed as a way to control mosquitos, a vector for many deadly diseases. Although human gene therapy is still relatively new, it has been used to treat genetic disorders such as severe combined immunodeficiency and Leber's congenital amaurosis. Many objections have been raised over the development of GMOs, particularly their commercialization. Many of these involve GM crops and whether food produced from them is safe and what impact growing them will have on the environment. Other concerns are the objectivity and rigor of regulatory authorities, contamination of non genetically modified food, control of the food supply, patenting of life, and the use of intellectual property rights. Although there is a scientific consensus that currently available food derived from GM crops poses no greater risk to human health than conventional food, GM food safety is a leading issue with critics. Gene flow, impact on non target organisms, and escape are the major environmental concerns. Countries have adopted regulatory measures to deal with these concerns. There are differences in the regulation for the release of GMOs between countries, with some of the most marked differences occurring between the US and Europe. Key issues concerning regulators include whether GM food should be labeled and the status of gene edited organisms.

Определение

Определение генетически модифицированного организма (ГМО) не является четким и значительно варьируется между странами, международными организациями и различными сообществами. В самом широком смысле, определение ГМО может включать любые организмы, чьи гены были изменены, в том числе и естественным путем. При более узком подходе, оно может охватывать всех организмов, гены которых были изменены человеком, что включает в себя все сельскохозяйственные культуры и домашний скот. В 1993 году в энциклопедии "Британника" генетическая инженерия была определена как "любой из широкого спектра техник, включая искусственное осеменение, экстракорпоральное оплодотворение (например, "дети из пробирки"), банки спермы, клонирование и манипулирование генами". Европейский Союз (ЕС) в ранних обзорах использовал аналогично широкое определение, конкретно упоминая ГМО, полученные с помощью "селекционного отбора и других методов искусственного отбора". Эти определения были оперативно скорректированы с добавлением ряда исключений в результате давления со стороны научного и аграрного сообществ, а также прогресса в науке. Впоследствии, из определения ЕС были исключены традиционная селекция, оплодотворение in vitro, индукция полиплоидии, мутационное селекционирование и методы клеточного слияния, не использующие рекомбинантные нуклеиновые кислоты или генетически модифицированные организмы в процессе. Дальнейшее развитие науки, например, открытие горизонтального переноса генов как относительно распространенного природного явления, усилило путаницу в отношении того, что считается "происходящим естественным путем", что привело к новым корректировкам и исключениям. Существуют примеры культур, которые подпадают под это определение, но обычно не рассматриваются как ГМО. Например, тритикале, зерновая культура, была полностью разработана в лаборатории в 1930 году с использованием различных методов изменения его генома. Генетически измененный организм (ГИО) можно считать более точным термином по сравнению с ГМО при описании геномов организмов, которые были непосредственно модифицированы с помощью биотехнологий. Современная биотехнология определяется как "in vitro методы работы с нуклеиновыми кислотами, включая рекомбинантную дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и прямое введение нуклеиновой кислоты в клетки или органеллы, или слияние клеток за пределами таксономического семейства". Изначально термин ГМО не часто использовался учеными для описания генетически измененных организмов, пока его использование не стало распространенным в средствах массовой информации. Министерство сельского хозяйства США (USDA) рассматривает ГМО как растения или животных с наследуемыми изменениями, внесенными с помощью генетической инженерии или традиционных методов, в то время как ГИО конкретно относится к организмам с генами, введенными, удаленными или перестроенными с использованием молекулярной биологии, в частности, методов рекомбинантной ДНК, таких как трансгенез. Определения фокусируются больше на процессе, чем на продукте, что означает, что могут существовать ГМО и не-ГМО с очень похожими генотипами и фенотипами. Это привело к тому, что ученые назвали эту категорию научно бессмысленной, утверждая, что невозможно объединить все различные типы ГМО под одним общим определением. Это также создало проблемы для органических организаций и групп, стремящихся запретить ГМО. Это также порождает проблемы с развитием новых процессов. Действующие определения были разработаны до того, как редактирование генома стало популярным, и существует некоторая путаница относительно того, подпадают ли организмы, полученные с помощью редактирования генома, под определение ГМО. ЕС решил изменить свое определение ГМО, включив в него "организмы, полученные путем мутагенеза", но исключил их из регулирования, основываясь на их "длительной истории безопасности" и том, что они "традиционно использовались в различных областях". В отличие от этого, USDA постановило, что организмы, подвергшиеся редактированию генов, не считаются ГМО.

The definition of a genetically modified organism (GMO) is not clear and varies widely between countries, international bodies, and other communities. At its broadest, the definition of a GMO can include anything that has had its genes altered, including by nature. Taking a less broad view, it can encompass every organism that has had its genes altered by humans, which would include all crops and livestock. In 1993, the Encyclopedia Britannica defined genetic engineering as "any of a wide range of techniques among them artificial insemination, in vitro fertilization (e. g., 'test tube' babies), sperm banks, cloning, and gene manipulation." The European Union (EU) included a similarly broad definition in early reviews, specifically mentioning GMOs being produced by "selective breeding and other means of artificial selection" These definitions were promptly adjusted with a number of exceptions added as the result of pressure from scientific and farming communities, as well as developments in science. The EU definition later excluded traditional breeding, in vitro fertilization, induction of polyploidy, mutation breeding, and cell fusion techniques that do not use recombinant nucleic acids or a genetically modified organism in the process. Progress in science, such as the discovery of horizontal gene transfer being a relatively common natural phenomenon, further added to the confusion on what "occurs naturally", which led to further adjustments and exceptions. There are examples of crops that fit this definition, but are not normally considered GMOs. For example, the grain crop triticale was fully developed in a laboratory in 1930 using various techniques to alter its genome. Genetically engineered organism (GEO) can be considered a more precise term compared to GMO when describing organisms' genomes that have been directly manipulated with biotechnology. Modern biotechnology is further defined as "In vitro nucleic acid techniques, including recombinant deoxyribonucleic acid (DNA) and direct injection of nucleic acid into cells or organelles, or fusion of cells beyond the taxonomic family." Originally, the term GMO was not commonly used by scientists to describe genetically engineered organisms until after usage of GMO became common in popular media. The United States Department of Agriculture (USDA) considers GMOs to be plants or animals with heritable changes introduced by genetic engineering or traditional methods, while GEO specifically refers to organisms with genes introduced, eliminated, or rearranged using molecular biology, particularly recombinant DNA techniques, such as transgenesis. The definitions focus on the process more than the product, which means there could be GMOS and non GMOs with very similar genotypes and phenotypes. This has led scientists to label it as a scientifically meaningless category, saying that it is impossible to group all the different types of GMOs under one common definition. It has also caused issues for organic institutions and groups looking to ban GMOs. It also poses problems as new processes are developed. The current definitions came in before genome editing became popular and there is some confusion as to whether they are GMOs. The EU has adjudged that they are changing their GMO definition to include "organisms obtained by mutagenesis", but has excluded them from regulation based on their "long safety record" and that they have been "conventionally been used in a number of applications". In contrast the USDA has ruled that gene edited organisms are not considered GMOs.

Производство

Создание генетически модифицированного организма (ГМО) – это многоступенчатый процесс. Генетические инженеры должны изолировать ген, который они хотят ввести в организм-хозяин. Этот ген может быть получен из клетки или синтезирован искусственно. Если выбранный ген или геном донора хорошо изучены, он может быть доступен в генетической библиотеке. Затем ген объединяют с другими генетическими элементами, включая промоторную и терминаторную области, а также селективный маркер. Существует ряд методов введения изолированного гена в геном хозяина. Бактерии можно стимулировать к поглощению чужеродной ДНК, обычно посредством теплового шока или электропорации. ДНК обычно вводится в клетки животных с помощью микроинъекции, при которой она может быть введена непосредственно в ядро через ядерную оболочку клетки, или с использованием вирусных векторов. У растений ДНК часто вводят с помощью рекомбинации, биолистики или электропорации, опосредованной *Agrobacterium*. Поскольку только одна клетка трансформируется генетическим материалом, организм необходимо регенерировать из этой единственной клетки. У растений это достигается с помощью культуры тканей. У животных необходимо убедиться, что вставленная ДНК присутствует в эмбриональных стволовых клетках. Традиционно новый генетический материал вставлялся в геном хозяина случайным образом. Методы таргетирования генов, создающие двухцепочечные разрывы и использующие естественные системы рекомбинации клеток, были разработаны для точного нацеливания на место вставки. Редактирование генома использует искусственно сконструированные нуклеазы, создающие разрывы в определенных точках. Существует четыре семейства сконструированных нуклеаз: мегануклеазы, цинковые пальцевые нуклеазы, нуклеазы, подобные эффекторным активаторам транскрипции (TALEN), и система Cas9-guideRNA (адаптированная из CRISPR). TALEN и CRISPR – два наиболее часто используемых метода, каждый из которых имеет свои преимущества. TALEN обладают большей специфичностью, в то время как CRISPR проще в проектировании и более эффективен. Процесс селекционного разведения, при котором организмы с желаемыми признаками (и, следовательно, с желаемыми генами) используются для разведения следующего поколения, а организмы, не обладающие этими признаками, не разводятся, является предшественником современной концепции генетической модификации. Различные достижения в области генетики позволили людям непосредственно изменять ДНК и, следовательно, гены организмов. В 1972 году Пол Берг создал первую рекомбинантную молекулу ДНК, объединив ДНК обезьяньего вируса с ДНК ламбда-вируса. Герберт Бойер и Стэнли Коэн создали первый генетически модифицированный организм в 1973 году. Они взяли ген из бактерии, обеспечивающий устойчивость к антибиотику канамицину, вставили его в плазмиду, а затем стимулировали другие бактерии к включению плазмиды. Бактерии, успешно включившие плазмиду, смогли выжить в присутствии канамицина. Бойер и Коэн экспрессировали другие гены в бактериях, включая гены лягушки *Xenopus laevis* в 1974 году, создав первый ГМО, экспрессирующий ген из организма другого царства. В 1974 году Рудольф Яниш создал трансгенную мышь, внедрив чужеродную ДНК в ее эмбрион, что сделало ее первым в мире трансгенным животным. Однако потребовалось еще восемь лет, прежде чем были разработаны трансгенные мыши, передающие трансген своему потомству. В 1984 году были созданы генетически модифицированные мыши, несущие клонированные онкогены, предрасполагающие их к развитию рака. Мыши с удаленными генами (называемые нокаут-мышами) были созданы в 1989 году. Первые трансгенные сельскохозяйственные животные были получены в 1985 году, а первыми животными, синтезирующими трансгенные белки в своем молоке, были мыши в 1987 году. Мыши были сконструированы для производства активатора плазминогена ткани человека, белка, участвующего в разрушении тромбов. В 1983 году первое генетически модифицированное растение было разработано Майклом В. Беваном, Ричардом Б. Флавеллом и Мэри Делл Чилтон. Они заразили табак *Agrobacterium*, трансформированным геном устойчивости к антибиотикам, и с помощью методов культуры тканей смогли вырастить новое растение, содержащее ген устойчивости. Генный пистолет был изобретен в 1987 году, что позволило трансформировать растения, невосприимчивые к заражению *Agrobacterium*. В 2000 году золотой рис, обогащенный витамином А, стал первым растением, разработанным с повышенной питательной ценностью. Инсулин, производимый бактериями под торговой маркой Humulin, был одобрен для выпуска Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов в 1982 году. В 1988 году первые человеческие антитела были произведены в растениях. В 1987 году штамм *Pseudomonas syringae* стал первым генетически модифицированным организмом, выпущенным в окружающую среду, когда поле клубники и картофеля в Калифорнии было обработано им. Первым генетически модифицированным сельскохозяйственным растением стало табачное растение, устойчивое к антибиотикам, полученное в 1982 году. Китай стал первой страной, коммерциализировавшей трансгенные растения, представив табак, устойчивый к вирусам, в 1992 году. В 1994 году Calgene получила одобрение на коммерческий выпуск помидора Flavr Savr, первого генетически модифицированного продукта питания. Также в 1994 году Европейский Союз одобрил табак, устойчивый к гербициду бромоксинил, став первым генетически модифицированным сельскохозяйственным растением, коммерциализированным в Европе. Устойчивый к насекомым картофель был одобрен для выпуска в США в 1995 году, и к 1996 году одобрение было получено для коммерческого выращивания 8 трансгенных культур и одного цветка (гвоздики) в 6 странах плюс ЕС. В 2010 году ученые из Института Крейга Вентера объявили о создании первого синтетического бактериального генома. Они назвали его Synthia, и он стал первым в мире синтетическим организмом. Первым коммерциализированным генетически модифицированным животным стала GloFish, зебра-рыбка с добавленным флуоресцентным геном, позволяющим ей светиться в темноте под ультрафиолетовым светом. Она была выпущена на рынок США в 2003 году. В 2015 году AquAdvantage salmon стал первым генетически модифицированным животным, одобренным для использования в пищу. Одобрение распространяется на рыбу, выращиваемую в Панаме и продаваемую в США.

Creating a genetically modified organism (GMO) is a multi step process. Genetic engineers must isolate the gene they wish to insert into the host organism. This gene can be taken from a cell or artificially synthesized. If the chosen gene or the donor organism's genome has been well studied it may already be accessible from a genetic library. The gene is then combined with other genetic elements, including a promoter and terminator region and a selectable marker. A number of techniques are available for inserting the isolated gene into the host genome. Bacteria can be induced to take up foreign DNA, usually by exposed heat shock or electroporation. DNA is generally inserted into animal cells using microinjection, where it can be injected through the cell's nuclear envelope directly into the nucleus, or through the use of viral vectors. In plants the DNA is often inserted using Agrobacterium mediated recombination, biolistics or electroporation. As only a single cell is transformed with genetic material, the organism must be regenerated from that single cell. In plants this is accomplished through tissue culture. In animals it is necessary to ensure that the inserted DNA is present in the embryonic stem cells. Traditionally the new genetic material was inserted randomly within the host genome. Gene targeting techniques, which creates double stranded breaks and takes advantage on the cells natural homologous recombination repair systems, have been developed to target insertion to exact locations. Genome editing uses artificially engineered nucleases that create breaks at specific points. There are four families of engineered nucleases: meganucleases, zinc finger nucleases, transcription activator like effector nucleases (TALENs), and the Cas9 guideRNA system (adapted from CRISPR). TALEN and CRISPR are the two most commonly used and each has its own advantages. TALENs have greater target specificity, while CRISPR is easier to design and more efficient. The process of selective breeding, in which organisms with desired traits (and thus with the desired genes) are used to breed the next generation and organisms lacking the trait are not bred, is a precursor to the modern concept of genetic modification. Various advancements in genetics allowed humans to directly alter the DNA and therefore genes of organisms. In 1972, Paul Berg created the first recombinant DNA molecule when he combined DNA from a monkey virus with that of the lambda virus. Herbert Boyer and Stanley Cohen made the first genetically modified organism in 1973. They took a gene from a bacterium that provided resistance to the antibiotic kanamycin, inserted it into a plasmid and then induced other bacteria to incorporate the plasmid. The bacteria that had successfully incorporated the plasmid was then able to survive in the presence of kanamycin. Boyer and Cohen expressed other genes in bacteria. This included genes from the toad Xenopus laevis in 1974, creating the first GMO expressing a gene from an organism of a different kingdom. In 1974, Rudolf Jaenisch created a transgenic mouse by introducing foreign DNA into its embryo, making it the world's first transgenic animal. However it took another eight years before transgenic mice were developed that passed the transgene to their offspring. Genetically modified mice were created in 1984 that carried cloned oncogenes, predisposing them to developing cancer. Mice with genes removed (termed a knockout mouse) were created in 1989. The first transgenic livestock were produced in 1985 and the first animal to synthesize transgenic proteins in their milk were mice in 1987. The mice were engineered to produce human tissue plasminogen activator, a protein involved in breaking down blood clots. In 1983, the first genetically engineered plant was developed by Michael W. Bevan, Richard B. Flavell and Mary Dell Chilton. They infected tobacco with Agrobacterium transformed with an antibiotic resistance gene and through tissue culture techniques were able to grow a new plant containing the resistance gene. The gene gun was invented in 1987, allowing transformation of plants not susceptible to Agrobacterium infection. In 2000, Vitamin A enriched golden rice was the first plant developed with increased nutrient value. The insulin produced by bacteria, branded Humulin, was approved for release by the Food and Drug Administration in 1982. In 1988, the first human antibodies were produced in plants. In 1987, a strain of Pseudomonas syringae became the first genetically modified organism to be released into the environment when a strawberry and potato field in California were sprayed with it. The first genetically modified crop, an antibiotic resistant tobacco plant, was produced in 1982. China was the first country to commercialize transgenic plants, introducing a virus resistant tobacco in 1992. In 1994, Calgene attained approval to commercially release the Flavr Savr tomato, the first genetically modified food. Also in 1994, the European Union approved tobacco engineered to be resistant to the herbicide bromoxynil, making it the first genetically engineered crop commercialized in Europe. An insect resistant Potato was approved for release in the US in 1995, and by 1996 approval had been granted to commercially grow 8 transgenic crops and one flower crop (carnation) in 6 countries plus the EU. In 2010, scientists at the J. Craig Venter Institute announced that they had created the first synthetic bacterial genome. They named it Synthia and it was the world's first synthetic life form. The first genetically modified animal to be commercialized was the GloFish, a Zebra fish with a fluorescent gene added that allows it to glow in the dark under ultraviolet light. It was released to the US market in 2003. In 2015, AquAdvantage salmon became the first genetically modified animal to be approved for food use. Approval is for fish raised in Panama and sold in the US.

Бактерии

Бактерии были первыми организмами, подвергнутыми генетической модификации в лабораторных условиях благодаря относительной простоте изменения их хромосом. Эта простота сделала их важным инструментом для создания других ГМО. Гены и другая генетическая информация из широкого спектра организмов могут быть добавлены в плазмиду и введены в бактерии для хранения и модификации. Бактерии недороги, их легко выращивать, они клонируются, быстро размножаются и могут храниться при температуре −80 °C практически неограниченно долго. После выделения ген может быть сохранен внутри бактерий, обеспечивая неограниченный запас для исследований. Большое количество доступных плазмид облегчает манипулирование ДНК, выделенной из бактерий. Простота их использования делает их отличным инструментом для ученых, изучающих функцию генов и эволюцию. Самые простые модельные организмы – бактерии, и большая часть наших ранних знаний о молекулярной биологии получена при изучении Escherichia coli. Ученые могут легко манипулировать и комбинировать гены внутри бактерий для создания новых или нарушенных белков и наблюдать за влиянием этого на различные молекулярные системы. Исследователи объединили гены бактерий и архей, что позволило получить представление о том, как эти две группы разошлись в прошлом. В области синтетической биологии они использовались для тестирования различных синтетических подходов, от синтеза геномов до создания новых нуклеотидов. Бактерии давно используются в производстве продуктов питания, и для этой цели в промышленных масштабах были разработаны и отобраны специальные штаммы. Их можно использовать для производства ферментов, аминокислот, ароматизаторов и других соединений, используемых в пищевой промышленности. С появлением генной инженерии в эти бактерии легко вносятся новые генетические изменения. Большинство бактерий, используемых в производстве продуктов питания, – это молочнокислые бактерии, и именно на них направлены основные исследования в области генетической инженерии бактерий, производящих продукты питания. Бактерии могут быть модифицированы для повышения эффективности, снижения образования токсичных побочных продуктов, увеличения выхода продукции, создания улучшенных соединений и удаления ненужных путей. Продукты питания, полученные из генетически модифицированных бактерий, включают альфа-амилазу, которая превращает крахмал в простые сахара, химозин, который коагулирует молочный белок для производства сыра, и пектинестеразу, которая улучшает прозрачность фруктовых соков. Большинство из них производится в США, и хотя существуют правила, разрешающие производство в Европе, по состоянию на 2015 год в Европе продукты питания, полученные из бактерий, отсутствуют. Генетически модифицированные бактерии используются для производства больших количеств белков для промышленного применения. Бактерии обычно выращивают в большом объеме, прежде чем активируется ген, кодирующий белок. Затем бактерии собирают, и желаемый белок из них очищают. Высокая стоимость экстракции и очистки привела к тому, что в промышленном масштабе производятся только высокоценные продукты. Большинство этих продуктов – человеческие белки, используемые в медицине. Многие из этих белков невозможно или трудно получить естественными методами, и они с меньшей вероятностью будут загрязнены патогенами, что делает их более безопасными. Другие производимые лекарства включают факторы свертывания крови для лечения гемофилии, гормон роста человека для лечения различных форм карликовости, интерферон для лечения некоторых видов рака, эритропоэтин для пациентов с анемией и активатор тканевого плазминогена, который растворяет тромбы. Существует интерес к разработке внеклеточной системы экспрессии внутри бактерий для снижения затрат и повышения экономической эффективности производства большего количества продуктов. Более века бактерии используются в сельском хозяйстве. Культуры инокулируются ризобиями (и в последнее время азоспириллумом) для повышения их продуктивности или для возможности выращивания за пределами их естественной среды обитания. Применение Bacillus thuringiensis (Bt) и других бактерий может помочь защитить посевы от заражения насекомыми и болезнями растений. С развитием генной инженерии этими бактериями манипулируют для повышения эффективности и расширения круга хозяев. Также добавлены маркеры для отслеживания распространения бактерий. Бактерии, которые естественным образом колонизируют определенные культуры, также были модифицированы, в некоторых случаях для экспрессии генов Bt, ответственных за устойчивость к вредителям. Штаммы Pseudomonas вызывают повреждения от заморозков, нуклеируя воду в кристаллы льда вокруг себя. Это привело к разработке бактерий «без льда», из которых были удалены гены, формирующие лед. При применении к культурам они могут конкурировать с немодифицированными бактериями и обеспечивать некоторую устойчивость к заморозкам. Другие области применения генетически модифицированных бактерий включают биоремедиацию, где бактерии используются для преобразования загрязняющих веществ в менее токсичные формы. Генная инженерия может повысить уровень ферментов, используемых для разложения токсина, или сделать бактерии более стабильными в условиях окружающей среды. Также с использованием генетически модифицированных бактерий создано биоискусство. В 1980-х годах художник Джон Дэвис и генетик Дана Бойд преобразовали германский символ женственности (ᛉ) в двоичный код, а затем в последовательность ДНК, которая была экспрессирована в Escherichia coli. Этот процесс был доведен до крайности в 2012 году, когда целая книга была закодирована на ДНК. Также были созданы картины с использованием бактерий, трансформированных флуоресцентными белками. Хотя вирусные векторы можно использовать для введения ДНК в практически любой организм, они особенно актуальны благодаря своему потенциалу в лечении заболеваний человека. Хотя в основном все еще находятся на стадии испытаний, были достигнуты определенные успехи в использовании генной терапии для замены дефектных генов. Это наиболее очевидно в излечении пациентов с тяжелым комбинированным иммунодефицитом, вызванным дефицитом аденозиндезаминазы (ADA SCID), хотя развитие лейкемии у некоторых пациентов с ADA SCID, а также смерть Джесси Гелсингера во время испытания 1999 года на долгие годы замедлили развитие этого подхода. В 2009 году был достигнут еще один прорыв, когда восьмилетний мальчик с врожденной амаврозом Лебера восстановил нормальное зрение. Лучшими векторами для долгосрочной интеграции гена в геном хозяина являются ретровирусы, но их склонность к случайной интеграции является проблематичной. Лентивирусы относятся к тому же семейству, что и ретровирусы, с преимуществом инфицирования как делящихся, так и неделящихся клеток, в то время как ретровирусы нацелены только на делящиеся клетки. Другие вирусы, которые использовались в качестве векторов, включают альфавирусы, флавивирусы, вирусы кори, рабдовирусы, вирус болезни Ньюкасла, поксвирусы и пикорнавирусы. Другой потенциальный подход – использование векторов для создания новых вакцин против заболеваний, для которых нет вакцин или вакцины не работают эффективно, таких как СПИД, малярия и туберкулез. Было показано, что они безопасны на второй фазе клинических испытаний, хотя и не так эффективны, как ожидалось изначально. Другие вакцины на основе векторов уже одобрены, и многие другие находятся в разработке. Еще одна потенциальная область применения генетически модифицированных вирусов – изменение их структуры, чтобы они могли непосредственно лечить заболевания. Это может быть достигнуто путем экспрессии защитных белков или путем непосредственного нацеливания на инфицированные клетки. В 2004 году исследователи сообщили, что генетически модифицированный вирус, использующий эгоистичное поведение раковых клеток, может предложить альтернативный способ уничтожения опухолей. С тех пор несколько исследователей разработали генетически модифицированные онколитические вирусы, которые показывают многообещающие результаты в лечении различных типов рака. В 2017 году исследователи генетически модифицировали вирус для экспрессии белков дефензина шпината. Вирус был введен в апельсиновые деревья для борьбы с цитрусовым позеленением, которое с 2005 года сократило производство апельсинов на 70%. Естественные вирусные заболевания, такие как миксоматоз и геморрагическая болезнь кроликов, использовались для контроля популяций вредителей. Со временем выжившие вредители становятся устойчивыми, что заставляет исследователей искать альтернативные методы. В лаборатории были созданы генетически модифицированные вирусы, которые делают целевых животных бесплодными посредством иммуноконтрацепции, а также вирусы, которые нацелены на стадию развития…

Bacteria were the first organisms to be genetically modified in the laboratory, due to the relative ease of modifying their chromosomes. This ease made them important tools for the creation of other GMOs. Genes and other genetic information from a wide range of organisms can be added to a plasmid and inserted into bacteria for storage and modification. Bacteria are cheap, easy to grow, clonal, multiply quickly and can be stored at −80 °C almost indefinitely. Once a gene is isolated it can be stored inside the bacteria, providing an unlimited supply for research. A large number of custom plasmids make manipulating DNA extracted from bacteria relatively easy. Their ease of use has made them great tools for scientists looking to study gene function and evolution. The simplest model organisms come from bacteria, with most of our early understanding of molecular biology coming from studying Escherichia coli. Scientists can easily manipulate and combine genes within the bacteria to create novel or disrupted proteins and observe the effect this has on various molecular systems. Researchers have combined the genes from bacteria and archaea, leading to insights on how these two diverged in the past. In the field of synthetic biology, they have been used to test various synthetic approaches, from synthesizing genomes to creating novel nucleotides. Bacteria have been used in the production of food for a long time, and specific strains have been developed and selected for that work on an industrial scale. They can be used to produce enzymes, amino acids, flavorings, and other compounds used in food production. With the advent of genetic engineering, new genetic changes can easily be introduced into these bacteria. Most food producing bacteria are lactic acid bacteria, and this is where the majority of research into genetically engineering food producing bacteria has gone. The bacteria can be modified to operate more efficiently, reduce toxic byproduct production, increase output, create improved compounds, and remove unnecessary pathways. Food products from genetically modified bacteria include alpha amylase, which converts starch to simple sugars, chymosin, which clots milk protein for cheese making, and pectinesterase, which improves fruit juice clarity. The majority are produced in the US and even though regulations are in place to allow production in Europe, as of 2015 no food products derived from bacteria are currently available there. Genetically modified bacteria are used to produce large amounts of proteins for industrial use. The bacteria are generally grown to a large volume before the gene encoding the protein is activated. The bacteria are then harvested and the desired protein purified from them. The high cost of extraction and purification has meant that only high value products have been produced at an industrial scale. The majority of these products are human proteins for use in medicine. Many of these proteins are impossible or difficult to obtain via natural methods and they are less likely to be contaminated with pathogens, making them safer. Other medicines produced include clotting factors to treat hemophilia, human growth hormone to treat various forms of dwarfism, interferon to treat some cancers, erythropoietin for anemic patients, and tissue plasminogen activator which dissolves blood clots. There is interest in developing an extracellular expression system within the bacteria to reduce costs and make the production of more products economical. For over a century, bacteria have been used in agriculture. Crops have been inoculated with Rhizobia (and more recently Azospirillum) to increase their production or to allow them to be grown outside their original habitat. Application of Bacillus thuringiensis (Bt) and other bacteria can help protect crops from insect infestation and plant diseases. With advances in genetic engineering, these bacteria have been manipulated for increased efficiency and expanded host range. Markers have also been added to aid in tracing the spread of the bacteria. The bacteria that naturally colonize certain crops have also been modified, in some cases to express the Bt genes responsible for pest resistance. Pseudomonas strains of bacteria cause frost damage by nucleating water into ice crystals around themselves. This led to the development of ice minus bacteria, which have the ice forming genes removed. When applied to crops they can compete with the non modified bacteria and confer some frost resistance. Other uses for genetically modified bacteria include bioremediation, where the bacteria are used to convert pollutants into a less toxic form. Genetic engineering can increase the levels of the enzymes used to degrade a toxin or to make the bacteria more stable under environmental conditions. Bioart has also been created using genetically modified bacteria. In the 1980s artist Jon Davis and geneticist Dana Boyd converted the Germanic symbol for femininity (ᛉ) into binary code and then into a DNA sequence, which was then expressed in Escherichia coli. This was taken a step further in 2012, when a whole book was encoded onto DNA. Paintings have also been produced using bacteria transformed with fluorescent proteins. While viral vectors can be used to insert DNA into almost any organism it is especially relevant for its potential in treating human disease. Although primarily still at trial stages, there has been some successes using gene therapy to replace defective genes. This is most evident in curing patients with severe combined immunodeficiency rising from adenosine deaminase deficiency (ADA SCID), although the development of leukemia in some ADA SCID patients along with the death of Jesse Gelsinger in a 1999 trial set back the development of this approach for many years. In 2009, another breakthrough was achieved when an eight year old boy with Leber's congenital amaurosis regained normal eyesight The best vectors for long term integration of the gene into the host genome are retroviruses, but their propensity for random integration is problematic. Lentiviruses are a part of the same family as retroviruses with the advantage of infecting both dividing and non dividing cells, whereas retroviruses only target dividing cells. Other viruses that have been used as vectors include alphaviruses, flaviviruses, measles viruses, rhabdoviruses, Newcastle disease virus, poxviruses, and picornaviruses. Another potential approach is to use vectors to create novel vaccines for diseases that have no vaccines available or the vaccines that do not work effectively, such as AIDS, malaria, and tuberculosis. It has been shown to be safe to use at phase II trials, although not as effective as initially hoped. Other vector based vaccines have already been approved and many more are being developed. Another potential use of genetically modified viruses is to alter them so they can directly treat diseases. This can be through expression of protective proteins or by directly targeting infected cells. In 2004, researchers reported that a genetically modified virus that exploits the selfish behavior of cancer cells might offer an alternative way of killing tumours. Since then, several researchers have developed genetically modified oncolytic viruses that show promise as treatments for various types of cancer. In 2017, researchers genetically modified a virus to express spinach defensin proteins. The virus was injected into orange trees to combat citrus greening disease that had reduced orange production by 70% since 2005. Natural viral diseases, such as myxomatosis and rabbit hemorrhagic disease, have been used to help control pest populations. Over time the surviving pests become resistant, leading researchers to look at alternative methods. Genetically modified viruses that make the target animals infertile through immunocontraception have been created in the laboratory as well as others that target the developmental stage of the animal. There are concerns with using this approach regarding virus containment Sometimes the same virus can be modified for contrasting purposes. Genetic modification of the myxoma virus has been proposed to conserve European wild rabbits in the Iberian peninsula and to help regulate them in Australia. To protect the Iberian species from viral diseases, the myxoma virus was genetically modified to immunize the rabbits, while in Australia the same myxoma virus was genetically modified to lower fertility in the Australian rabbit population. Outside of biology scientists have used a genetically modified virus to construct a lithium ion battery and other nanostructured materials. It is possible to engineer bacteriophages to express modified proteins on their surface and join them up in specific patterns (a technique called phage display). These structures have potential uses for energy storage and generation, biosensing and tissue regeneration with some new materials currently produced including quantum dots, liquid crystals, nanorings and nanofibres. The battery was made by engineering M13 bacteriaophages so they would coat themselves in iron phosphate and then assemble themselves along a carbon nanotube. This created a highly conductive medium for use in a cathode, allowing energy to be transferred quickly. They could be constructed at lower temperatures with non toxic chemicals, making them more environmentally friendly.

Грибки

Грибы можно использовать для многих тех же процессов, что и бактерии. Для промышленных применений дрожжи сочетают в себе преимущества бактерий как одноклеточных организмов, с которыми легко манипулировать и выращивать, с продвинутыми модификациями белков, характерными для эукариот. Их можно использовать для производства крупных сложных молекул для применения в пищевой промышленности, фармацевтике, гормональных препаратах и стероидах. Дрожжи важны для производства вина, и с 2016 года в США и Канаде были коммерциализированы два генетически модифицированных дрожжа, участвующих в ферментации вина. Один из них повышает эффективность малолактического брожения, а другой предотвращает образование опасных соединений этилкарбамата в процессе ферментации. Грибы, будучи наиболее распространенными патогенами насекомых, представляют собой привлекательные биопестициды. В отличие от бактерий и вирусов, они обладают преимуществом заражения насекомых при одном лишь контакте, хотя по эффективности уступают химическим пестицидам. Генная инженерия может повысить вирулентность, обычно путем добавления более вирулентных белков, увеличения скорости заражения или повышения устойчивости спор. Многие переносчики заболеваний восприимчивы к энтомопатогенным грибам. Привлекательной целью для биологического контроля являются комары – переносчики ряда смертельных заболеваний, включая малярию, желтую лихорадку и лихорадку денге. Комары могут быстро эволюционировать, поэтому необходимо найти баланс между их уничтожением до того, как плазмодий, который они переносят, станет инфекционным заболеванием, и не допустить развития у них устойчивости к грибам. Путем генетической модификации грибов, таких как Metarhizium anisopliae и Beauveria bassiana, для замедления развития инфекционности комаров, снижается селективное давление, способствующее развитию устойчивости. Другая стратегия – добавление в грибы белков, блокирующих передачу малярии. Agaricus bisporus, обычный белый шампиньон, был отредактирован с помощью генной инженерии для устойчивости к потемнению, что увеличивает срок его хранения. В процессе использовался CRISPR для выключения гена, кодирующего полифенолоксидазу. Поскольку в организм не была введена никакая чужеродная ДНК, он не подлежал регулированию в рамках существующих нормативных актов по ГМО и, таким образом, стал первым организмом, отредактированным с помощью CRISPR, одобренным для выпуска. Это обострило дискуссии о том, следует ли считать организмы, отредактированные генами, генетически модифицированными организмами и как их следует регулировать.

Fungi can be used for many of the same processes as bacteria. For industrial applications, yeasts combine the bacterial advantages of being a single celled organism that is easy to manipulate and grow with the advanced protein modifications found in eukaryotes. They can be used to produce large complex molecules for use in food, pharmaceuticals, hormones, and steroids. Yeast is important for wine production and as of 2016 two genetically modified yeasts involved in the fermentation of wine have been commercialized in the United States and Canada. One has increased malolactic fermentation efficiency, while the other prevents the production of dangerous ethyl carbamate compounds during fermentation. Fungi, being the most common pathogens of insects, make attractive biopesticides. Unlike bacteria and viruses they have the advantage of infecting the insects by contact alone, although they are out competed in efficiency by chemical pesticides. Genetic engineering can improve virulence, usually by adding more virulent proteins, increasing infection rate or enhancing spore persistence. Many of the disease carrying vectors are susceptible to entomopathogenic fungi. An attractive target for biological control are mosquitos, vectors for a range of deadly diseases, including malaria, yellow fever and dengue fever. Mosquitos can evolve quickly so it becomes a balancing act of killing them before the Plasmodium they carry becomes the infectious disease, but not so fast that they become resistant to the fungi. By genetically engineering fungi like Metarhizium anisopliae and Beauveria bassiana to delay the development of mosquito infectiousness the selection pressure to evolve resistance is reduced. Another strategy is to add proteins to the fungi that block transmission of malaria

Agaricus bisporus the common white button mushroom, has been gene edited to resist browning, giving it a longer shelf life. The process used CRISPR to knock out a gene that encodes polyphenol oxidase. As it didn't introduce any foreign DNA into the organism it was not deemed to be regulated under existing GMO frameworks and as such is the first CRISPR edited organism to be approved for release. This has intensified debates as to whether gene edited organisms should be considered genetically modified organisms and how they should be regulated.

Растения

Растения были подвергнуты генной инженерии для научных исследований, для создания новых цветов, доставки вакцин и получения улучшенных сельскохозяйственных культур. Многие растения обладают плюрипотентностью, то есть одиночная клетка из зрелого растения может быть выделена и, при подходящих условиях, развиться в новое растение. Эта способность может быть использована генетическими инженерами: путем отбора клеток, успешно трансформированных во взрослом растении, можно вырастить новое растение, содержащее трансген в каждой клетке посредством процесса, известного как культура тканей. Значительная часть прогресса в области генной инженерии была достигнута благодаря экспериментам с табаком. Ключевые достижения в культуре тканей и клеточных механизмах растений для широкого спектра видов произошли от систем, разработанных на табаке. Табак был первым растением, подвергнутым изменению с использованием генной инженерии, и считается модельной системой не только для генной инженерии, но и для многих других областей. Следовательно, инструменты и процедуры трансгенеза хорошо отработаны, что делает табак одним из самых простых в трансформации растений. Другой важной модельной системой, актуальной для генной инженерии, является Arabidopsis thaliana. Его небольшой геном и короткий жизненный цикл облегчают манипуляции, и он содержит множество гомологов важных сельскохозяйственных видов. Это было первое растение, геном которого был секвенирован, существует множество онлайн-ресурсов, и его можно трансформировать, просто погрузив цветок в раствор, содержащий трансформированную Agrobacterium. В исследованиях растения создаются для изучения функций определенных генов. Самый простой способ – удалить ген и посмотреть, какой фенотип развивается по сравнению с диким типом. Любые различия, вероятно, являются результатом отсутствующего гена. В отличие от мутагенеза, генная инженерия позволяет целенаправленно удалять гены, не нарушая работу других генов в организме. Другие способы тестирования гена – слегка изменить его, а затем вернуть в растение и посмотреть, сохраняет ли он тот же эффект на фенотип. Другие стратегии включают присоединение гена к сильному промотору и наблюдение за тем, что происходит при его сверхэкспрессии, или принудительное экспрессирование гена в другом месте или на разных стадиях развития. Первые коммерциализированные генетически модифицированные декоративные растения имели измененный цвет. Гвоздики были выпущены в 1997 году, а самый популярный генетически модифицированный организм – голубая роза (фактически лавандовая или лиловая) – была создана в 2004 году. Розы продаются в Японии, Соединенных Штатах и Канаде. Другие генетически модифицированные декоративные растения включают хризантемы и петунии. Предлагалось генетически модифицировать некоторые виды растений, находящиеся под угрозой исчезновения, чтобы сделать их устойчивыми к инвазивным растениям и болезням, таким как ашамид в Северной Америке и грибковое заболевание Ceratocystis platani в европейских платанах. В XX веке вирус кольцевой пятнистости папайи опустошил папайевые деревья на Гавайях, пока трансгенные растения папайи не приобрели устойчивость, индуцированную патогеном. Однако генетическая модификация для сохранения растений остается в основном спекулятивной. Уникальной проблемой является то, что трансгенный вид может больше не иметь достаточного сходства с исходным видом, чтобы утверждать, что исходный вид действительно сохраняется. Вместо этого трансгенный вид может быть генетически достаточно отличным, чтобы считаться новым видом, тем самым снижая ценность генетической модификации для сохранения. Существует три основные цели развития сельского хозяйства: увеличение производства, улучшение условий труда для сельскохозяйственных работников и устойчивость. ГМ-культуры способствуют улучшению урожайности за счет снижения давления вредителей, повышения питательной ценности и устойчивости к различным абиотическим стрессам. Несмотря на этот потенциал, по состоянию на 2018 год коммерциализированные культуры в основном ограничиваются товарными культурами, такими как хлопок, соя, кукуруза и рапс, и подавляющее большинство введенных признаков обеспечивают устойчивость к гербицидам или насекомым-вредителям. Внедрение фермерами было быстрым: в период с 1996 по 2013 год общая площадь земли, засеянной ГМ-культурами, увеличилась в 100 раз. Однако географическое распространение было неравномерным, с сильным ростом в Америке и частях Азии и незначительным в Европе и Африке. Большинство исследований показали, что выращивание ГМ-культур выгодно для фермеров за счет снижения использования пестицидов, а также увеличения урожайности и прибыли. Большинство ГМ-культур были модифицированы для устойчивости к определенным гербицидам, обычно на основе глифосата или глуфосината. Генетически модифицированные культуры, устойчивые к гербицидам, теперь более доступны, чем традиционно выведенные устойчивые сорта; в США 93% сои и большая часть ГМ-кукурузы устойчивы к глифосату. Большинство доступных в настоящее время генов, используемых для придания устойчивости к насекомым, происходят из бактерии Bacillus thuringiensis и кодируют дельта-эндотоксины. Некоторые используют гены, кодирующие вегетативные инсектицидные белки. Единственный ген, коммерчески используемый для защиты от насекомых, который не происходит из B. thuringiensis, – это ингибитор трипсина бобов (CpTI). CpTI был впервые одобрен для использования в хлопке в 1999 году и в настоящее время проходит испытания в рисе. Менее одного процента ГМ-культур содержат другие признаки, такие как устойчивость к вирусам, замедление старения и изменение состава растений. Предполагается производство обогащенных продуктов питания для выращивания и потребления в районах с дефицитом витамина А, дефицит которого, по оценкам, ежегодно убивает 670 000 детей в возрасте до 5 лет и вызывает дополнительные 500 000 случаев необратимой детской слепоты. Исходный золотой рис содержал 1,6 мкг/г каротиноидов, а дальнейшая разработка увеличила это количество в 23 раза. Он получил первые одобрения для использования в пищу в 2018 году. Растения и растительные клетки были подвергнуты генной инженерии для производства биофармацевтических препаратов в биореакторах, процесс, известный как фарминг. Работы проводились с ряской Lemna minor, водорослью Chlamydomonas reinhardtii и мхом Physcomitrella patens. Производимые биофармацевтические препараты включают цитокины, гормоны, антитела, ферменты и вакцины, большинство из которых накапливаются в семенах растений. Многие лекарства также содержат натуральные растительные ингредиенты, и пути их производства были генетически изменены или перенесены в другие виды растений для увеличения объема производства. Другими вариантами биореакторов являются биополимеры и биотопливо. В отличие от бактерий, растения могут модифицировать белки посттрансляционно, что позволяет им производить более сложные молекулы. Они также представляют меньший риск загрязнения. Терапевтические препараты культивировались в трансгенных клетках моркови и табака, включая лекарственное средство для лечения болезни Гоше. Производство и хранение вакцин имеет большой потенциал в трансгенных растениях. Вакцины дороги в производстве, транспортировке и введении, поэтому система, которая могла бы производить их на месте, обеспечила бы больший доступ для бедных и развивающихся регионов. Генетически модифицированные культуры были предложены как один из способов сокращения выбросов, связанных с сельским хозяйством, за счет повышения урожайности, сокращения использования пестицидов, сокращения расхода топлива тракторов и отказа от обработки почвы. Согласно исследованию 2021 года, только в ЕС широкое внедрение ГМ-культур сократило бы выбросы парниковых газов на 33 миллиона тонн эквивалента CO2, или на 7,5% от общих выбросов, связанных с сельским хозяйством.

Plants have been engineered for scientific research, to display new flower colors, deliver vaccines, and to create enhanced crops. Many plants are pluripotent, meaning that a single cell from a mature plant can be harvested and under the right conditions can develop into a new plant. This ability can be taken advantage of by genetic engineers; by selecting for cells that have been successfully transformed in an adult plant a new plant can then be grown that contains the transgene in every cell through a process known as tissue culture. Much of the advances in the field of genetic engineering has come from experimentation with tobacco. Major advances in tissue culture and plant cellular mechanisms for a wide range of plants has originated from systems developed in tobacco. It was the first plant to be altered using genetic engineering and is considered a model organism for not only genetic engineering, but a range of other fields. As such the transgenic tools and procedures are well established making tobacco one of the easiest plants to transform. Another major model organism relevant to genetic engineering is Arabidopsis thaliana. Its small genome and short life cycle makes it easy to manipulate and it contains many homologs to important crop species. It was the first plant sequenced, has a host of online resources available and can be transformed by simply dipping a flower in a transformed Agrobacterium solution. In research, plants are engineered to help discover the functions of certain genes. The simplest way to do this is to remove the gene and see what phenotype develops compared to the wild type form. Any differences are possibly the result of the missing gene. Unlike mutagenisis, genetic engineering allows targeted removal without disrupting other genes in the organism. Other ways to test a gene is to alter it slightly and then return it to the plant and see if it still has the same effect on phenotype. Other strategies include attaching the gene to a strong promoter and see what happens when it is overexpressed, forcing a gene to be expressed in a different location or at different developmental stages. The first genetically modified ornamentals commercialized altered color. Carnations were released in 1997, with the most popular genetically modified organism, a blue rose (actually lavender or mauve) created in 2004. The roses are sold in Japan, the United States, and Canada. Other genetically modified ornamentals include Chrysanthemum and Petunia. It has been proposed to genetically modify some plant species threatened by extinction to be resistant to invasive plants and diseases, such as the emerald ash borer in North American and the fungal disease, Ceratocystis platani, in European plane trees. The papaya ringspot virus devastated papaya trees in Hawaii in the twentieth century until transgenic papaya plants were given pathogen derived resistance. However, genetic modification for conservation in plants remains mainly speculative. A unique concern is that a transgenic species may no longer bear enough resemblance to the original species to truly claim that the original species is being conserved. Instead, the transgenic species may be genetically different enough to be considered a new species, thus diminishing the conservation worth of genetic modification. There are three main aims to agricultural advancement; increased production, improved conditions for agricultural workers and sustainability. GM crops contribute by improving harvests through reducing insect pressure, increasing nutrient value and tolerating different abiotic stresses. Despite this potential, as of 2018, the commercialized crops are limited mostly to cash crops like cotton, soybean, maize and canola and the vast majority of the introduced traits provide either herbicide tolerance or insect resistance. Adoption by farmers has been rapid, between 1996 and 2013, the total surface area of land cultivated with GM crops increased by a factor of 100. Geographically though the spread has been uneven, with strong growth in the Americas and parts of Asia and little in Europe and Africa. most studies have found growing GM crops to be beneficial to farmers through decreased pesticide use as well as increased crop yield and farm profit. The majority of GM crops have been modified to be resistant to selected herbicides, usually a glyphosate or glufosinate based one. Genetically modified crops engineered to resist herbicides are now more available than conventionally bred resistant varieties; in the USA 93% of soybeans and most of the GM maize grown is glyphosate tolerant. Most currently available genes used to engineer insect resistance come from the Bacillus thuringiensis bacterium and code for delta endotoxins. A few use the genes that encode for vegetative insecticidal proteins. The only gene commercially used to provide insect protection that does not originate from B. thuringiensis is the Cowpea trypsin inhibitor (CpTI). CpTI was first approved for use cotton in 1999 and is currently undergoing trials in rice. Less than one percent of GM crops contained other traits, which include providing virus resistance, delaying senescence and altering the plants composition. It is intended to produce a fortified food to be grown and consumed in areas with a shortage of dietary vitamin A, a deficiency which each year is estimated to kill 670,000 children under the age of 5 and cause an additional 500,000 cases of irreversible childhood blindness. The original golden rice produced 1.6μg/g of the carotenoids, with further development increasing this 23 times. It gained its first approvals for use as food in 2018. Plants and plant cells have been genetically engineered for production of biopharmaceuticals in bioreactors, a process known as pharming. Work has been done with duckweed Lemna minor, the algae Chlamydomonas reinhardtii and the moss Physcomitrella patens. Biopharmaceuticals produced include cytokines, hormones, antibodies, enzymes and vaccines, most of which are accumulated in the plant seeds. Many drugs also contain natural plant ingredients and the pathways that lead to their production have been genetically altered or transferred to other plant species to produce greater volume. Other options for bioreactors are biopolymers and biofuels. Unlike bacteria, plants can modify the proteins post translationally, allowing them to make more complex molecules. They also pose less risk of being contaminated. Therapeutics have been cultured in transgenic carrot and tobacco cells, including a drug treatment for Gaucher's disease. Vaccine production and storage has great potential in transgenic plants. Vaccines are expensive to produce, transport, and administer, so having a system that could produce them locally would allow greater access to poorer and developing areas. Genetically modified crops have been proposed as one of the ways to reduce farming related emissions due to higher yield, reduced use of pesticides, reduced use of tractor fuel and no tillage. According to a 2021 study, in EU alone widespread adoption of GE crops would reduce greenhouse gas emissions by 33 million tons of equivalent or 7.5% of total farming related emissions.

Животные

Подавляющее большинство генетически модифицированных животных находится на стадии исследований, и лишь небольшое их количество приближается к выходу на рынок. По состоянию на 2018 год было одобрено всего три генетически модифицированных животных, и все – в США. Коза и курица были генетически модифицированы для производства лекарственных препаратов, а лосось демонстрирует ускоренный рост. Несмотря на различия и сложности, связанные с их модификацией, конечные цели во многом схожи с целями, преследуемыми при модификации растений. ГМ-животные создаются для исследовательских целей, производства промышленных или терапевтических продуктов, использования в сельском хозяйстве или для улучшения их здоровья. Существует также рынок генетически модифицированных домашних животных.

млекопитающие

Процесс генетической инженерии млекопитающих медленный, трудоемкий и дорогостоящий. Однако новые технологии делают генетические модификации более простыми и точными. Первые трансгенные млекопитающие были получены путем введения вирусной ДНК в эмбрионы с последующей имплантацией эмбрионов самкам. Млекопитающие являются лучшими моделями для изучения заболеваний человека, что делает генетически модифицированных животных жизненно важными для открытия и разработки лекарств и методов лечения многих серьезных заболеваний. Выключение генов, ответственных за генетические расстройства человека, позволяет исследователям изучать механизмы развития болезни и тестировать потенциальные методы лечения. Генетически модифицированные мыши наиболее часто используются в биомедицинских исследованиях благодаря своей дешевизне и простоте манипулирования. Свиньи также являются хорошей моделью, поскольку имеют схожий размер тела и анатомические особенности, физиологию, патофизиологическую реакцию и диету. Нечеловеческие приматы – наиболее близкие к человеку модельные организмы, но общественное мнение об их использовании в качестве исследовательских животных менее благоприятно. В 2009 году ученые объявили об успешном переносе гена в вид приматов (мармозет) впервые. Первой исследовательской задачей для этих мармозетов была болезнь Паркинсона, но также рассматривались амиотрофический латеральный склероз и болезнь Гентингтона. Белки человека, экспрессируемые в млекопитающих, с большей вероятностью будут похожи на свои естественные аналоги, чем белки, экспрессируемые в растениях или микроорганизмах. Стабильная экспрессия была достигнута у овец, свиней, крыс и других животных. В 2009 году был одобрен первый биологический препарат для человека, произведенный из такого животного – козы. Препарат ATryn – антикоагулянт, снижающий вероятность образования тромбов во время операции или родов, который извлекается из козьего молока. Альфа-1 антитрипсин человека – еще один белок, получаемый из коз и используемый для лечения людей с его дефицитом. Другая область медицины – создание свиней с повышенной способностью к пересадке человеческих органов (ксенотрансплантация). Свиньи были генетически модифицированы таким образом, что их органы больше не могут содержать ретровирусы или имеют модификации для снижения вероятности отторжения. Химерные свиньи могут нести полностью человеческие органы. Первая трансплантация генетически модифицированного сердца свиньи человеку состоялась в 2023 году, а почки – в 2024 году. Сельскохозяйственные животные модифицируются с целью улучшения экономически важных признаков, таких как скорость роста, качество мяса, состав молока, устойчивость к болезням и выживаемость. Животные были сконструированы для более быстрого роста, лучшего здоровья и устойчивости к болезням. Модификации также улучшили продуктивность шерсти у овец и здоровье вымени коров. ГМ-свинья под названием Enviropig была создана с возможностью более эффективного переваривания растительного фосфора, чем обычные свиньи. Это может снизить загрязнение воды, поскольку они выделяют на 30–70% меньше фосфора с навозом. Молочные коровы были генетически модифицированы для производства молока, идентичного человеческому грудному молоку. Это может принести пользу матерям, которые не могут производить грудное молоко, но хотят, чтобы их дети получали грудное молоко вместо смеси. Исследователи также разработали генетически модифицированную корову, производящую молоко, не вызывающее аллергии. Ученые генетически модифицировали несколько организмов, включая некоторых млекопитающих, для включения зеленого флуоресцентного белка (GFP) в исследовательских целях. GFP и другие подобные репортерные гены позволяют легко визуализировать и локализовать продукты генетической модификации. Флуоресцентные свиньи были выведены для изучения трансплантации человеческих органов, регенерации клеток фоторецепторов сетчатки глаза и других тем. В 2011 году были созданы зеленые флуоресцентные кошки, чтобы помочь в поиске терапии для ВИЧ/СПИДа и других заболеваний, поскольку вирус кошачьей иммунодефицитности связан с ВИЧ. Существуют предложения, что генная инженерия может быть использована для возвращения животных из вымирания. Это включает в себя изменение генома близкого живущего родственника, чтобы он напоминал вымершего, и в настоящее время это пытаются сделать с странствующим голубим. Гены, связанные с шерстистым мамонтом, были добавлены в геном африканского слона, хотя ведущий исследователь утверждает, что не намерен создавать живых слонов, и восстановление всех генов и отмена многолетней генетической эволюции – задача не из легких. Более вероятно, что ученые смогут использовать эту технологию для сохранения исчезающих видов, восстанавливая утраченное разнообразие или передавая развитые генетические преимущества от адаптированных организмов тем, кто испытывает трудности.

The process of genetically engineering mammals is slow, tedious, and expensive. However, new technologies are making genetic modifications easier and more precise. The first transgenic mammals were produced by injecting viral DNA into embryos and then implanting the embryos in females. Mammals are the best models for human disease, making genetic engineered ones vital to the discovery and development of cures and treatments for many serious diseases. Knocking out genes responsible for human genetic disorders allows researchers to study the mechanism of the disease and to test possible cures. Genetically modified mice have been the most common mammals used in biomedical research, as they are cheap and easy to manipulate. Pigs are also a good target as they have a similar body size and anatomical features, physiology, pathophysiological response and diet. Nonhuman primates are the most similar model organisms to humans, but there is less public acceptance towards using them as research animals. In 2009, scientists announced that they had successfully transferred a gene into a primate species (marmosets) for the first time. Their first research target for these marmosets was Parkinson's disease, but they were also considering amyotrophic lateral sclerosis and Huntington's disease. Human proteins expressed in mammals are more likely to be similar to their natural counterparts than those expressed in plants or microorganisms. Stable expression has been accomplished in sheep, pigs, rats and other animals. In 2009, the first human biological drug produced from such an animal, a goat, was approved. The drug, ATryn, is an anticoagulant which reduces the probability of blood clots during surgery or childbirth and is extracted from the goat's milk. Human alpha 1 antitrypsin is another protein that has been produced from goats and is used in treating humans with this deficiency. Another medicinal area is in creating pigs with greater capacity for human organ transplants (xenotransplantation). Pigs have been genetically modified so that their organs can no longer carry retroviruses or have modifications to reduce the chance of rejection. Chimeric pigs could carry fully human organs. The first human transplant of a genetically modified pig heart occurred in 2023, and kidney in 2024. Livestock are modified with the intention of improving economically important traits such as growth rate, quality of meat, milk composition, disease resistance and survival. Animals have been engineered to grow faster, be healthier and resist diseases. Modifications have also improved the wool production of sheep and udder health of cows. A GM pig called Enviropig was created with the capability of digesting plant phosphorus more efficiently than conventional pigs. They could reduce water pollution since they excrete 30 to 70% less phosphorus in manure. Dairy cows have been genetically engineered to produce milk that would be the same as human breast milk. This could potentially benefit mothers who cannot produce breast milk but want their children to have breast milk rather than formula. Researchers have also developed a genetically engineered cow that produces allergy free milk. Scientists have genetically engineered several organisms, including some mammals, to include green fluorescent protein (GFP), for research purposes. GFP and other similar reporting genes allow easy visualization and localization of the products of the genetic modification. Fluorescent pigs have been bred to study human organ transplants, regenerating ocular photoreceptor cells, and other topics. In 2011, green fluorescent cats were created to help find therapies for HIV/AIDS and other diseases as feline immunodeficiency virus is related to HIV. There have been suggestions that genetic engineering could be used to bring animals back from extinction. It involves changing the genome of a close living relative to resemble the extinct one and is currently being attempted with the passenger pigeon. Genes associated with the woolly mammoth have been added to the genome of an African Elephant, although the lead researcher says he has no intention of creating live elephants and transferring all the genes and reversing years of genetic evolution is a long way from being feasible. It is more likely that scientists could use this technology to conserve endangered animals by bringing back lost diversity or transferring evolved genetic advantages from adapted organisms to those that are struggling.

Люди

Генная терапия использует генетически модифицированные вирусы для доставки генов, способных излечивать заболевания у людей. Хотя генная терапия относительно нова, она уже продемонстрировала определенные успехи. Она применялась для лечения генетических расстройств, таких как тяжелый комбинированный иммунодефицит и врожденный амавроз Лебера. Также разрабатываются методы лечения ряда других в настоящее время неизлечимых заболеваний, таких как муковисцидоз, серповидноклеточная анемия, болезнь Паркинсона, рак, диабет, сердечно-сосудистые заболевания и мышечная дистрофия. Эти методы лечения воздействуют только на соматические клетки, что означает, что любые изменения не будут передаваться по наследству. Генная терапия зародышевой линии приводит к тому, что любые изменения становятся наследственными, что вызвало обеспокоенность в научном сообществе. В 2015 году CRISPR был использован для редактирования ДНК нежизнеспособных человеческих эмбрионов. В ноябре 2018 года Хэ Цзянькуй заявил, что отредактировал геномы двух человеческих эмбрионов, пытаясь инактивировать ген CCR5, кодирующий рецептор, который ВИЧ использует для проникновения в клетки. Он сообщил, что близнецы, девочки Лулу и Нана, родились несколько недель назад и несут как функциональные копии CCR5, так и инактивированный CCR5 (мозаицизм), и остаются восприимчивыми к ВИЧ. Данная работа была широко осуждена как неэтичная, опасная и преждевременная.

Рыба

Генетически модифицированные рыбы используются в научных исследованиях, как домашние животные и как источник пищи. Аквакультура – это быстрорастущая отрасль, которая в настоящее время обеспечивает более половины мирового потребления рыбы. С помощью генной инженерии стало возможным увеличить скорость роста, снизить потребление корма, устранить аллергенные свойства, повысить устойчивость к холоду и обеспечить сопротивляемость к заболеваниям. Рыб также можно использовать для обнаружения загрязнения воды или в качестве биореакторов. Несколько групп разработали рыбу-зебру для обнаружения загрязнений, присоединяя флуоресцентные белки к генам, активируемым в присутствии загрязняющих веществ. Такая рыба будет светиться и может использоваться как датчик состояния окружающей среды. GloFish – это торговая марка генетически модифицированной флуоресцентной зебра-рыбы ярко-красного, зеленого и оранжевого цветов. Изначально она была разработана одной из групп для обнаружения загрязнений, но теперь является частью торговли декоративными рыбами, став первым генетически модифицированным животным, доступным в качестве домашнего питомца, когда в 2003 году она поступила в продажу в США. ГМ-рыбы широко используются в фундаментальных исследованиях в области генетики и развития. Два вида рыб – рыба-зебра и меднохвостка – наиболее часто подвергаются модификации, поскольку у них оптически прозрачные хорионы (оболочки яйца), они быстро развиваются, а одноклеточный эмбрион легко увидеть и ввести в него трансгенную ДНК с помощью микроинъекций. Рыба-зебра является модельной системой для изучения процессов развития, регенерации, генетики, поведения, механизмов заболеваний и токсичности. Их прозрачность позволяет исследователям наблюдать стадии развития, функции кишечника и рост опухолей. Разработка трансгенных протоколов (для всего организма, клеток или тканей, меченных генными репортерами) позволила получить больше информации при изучении этих рыб. ГМ-рыба была разработана с использованием промоторов, стимулирующих избыточную выработку гормона роста для использования в аквакультуре с целью ускорения развития и потенциального снижения нагрузки на дикие популяции. Это привело к значительному увеличению скорости роста у нескольких видов, включая лосося, форель и тилапию. Компания AquaBounty Technologies, занимающаяся биотехнологиями, создала лосося (AquAdvantage Salmon), который созревает вдвое быстрее, чем дикий лосось. В 2015 году он получил одобрение регулирующих органов и стал первым нерастительным ГМО-продуктом, поступившим в коммерческое производство. С августа 2017 года ГМО-лосось продается в Канаде, а продажи в США начались в мае 2021 года.

Genetically modified fish are used for scientific research, as pets and as a food source. Aquaculture is a growing industry, currently providing over half the consumed fish worldwide. Through genetic engineering it is possible to increase growth rates, reduce food intake, remove allergenic properties, increase cold tolerance and provide disease resistance. Fish can also be used to detect aquatic pollution or function as bioreactors. Several groups have been developing zebrafish to detect pollution by attaching fluorescent proteins to genes activated by the presence of pollutants. The fish will then glow and can be used as environmental sensors. The GloFish is a brand of genetically modified fluorescent zebrafish with bright red, green, and orange fluorescent color. It was originally developed by one of the groups to detect pollution, but is now part of the ornamental fish trade, becoming the first genetically modified animal to become publicly available as a pet when in 2003 it was introduced for sale in the USA. GM fish are widely used in basic research in genetics and development. Two species of fish, zebrafish and medaka, are most commonly modified because they have optically clear chorions (membranes in the egg), rapidly develop, and the one cell embryo is easy to see and microinject with transgenic DNA. Zebrafish are model organisms for developmental processes, regeneration, genetics, behavior, disease mechanisms and toxicity testing. Their transparency allows researchers to observe developmental stages, intestinal functions and tumour growth. The generation of transgenic protocols (whole organism, cell or tissue specific, tagged with reporter genes) has increased the level of information gained by studying these fish. GM fish have been developed with promoters driving an over production of growth hormone for use in the aquaculture industry to increase the speed of development and potentially reduce fishing pressure on wild stocks. This has resulted in dramatic growth enhancement in several species, including salmon, trout and tilapia. AquaBounty Technologies, a biotechnology company, have produced a salmon (called AquAdvantage salmon) that can mature in half the time as wild salmon. It obtained regulatory approval in 2015, the first non plant GMO food to be commercialized. As of August 2017, GMO salmon is being sold in Canada. Sales in the US started in May 2021.

Инсекты

В биологических исследованиях трансгенные плодовые мухи (Drosophila melanogaster) являются модельными организмами, используемыми для изучения влияния генетических изменений на развитие. Плодовые мухи часто предпочитают другим животным из-за их короткого жизненного цикла и невысоких требований к содержанию. У них также относительно простой геном по сравнению со многими позвоночными, обычно с одной копией каждого гена, что облегчает фенотипический анализ. Дрозофилу использовали для изучения генетики и наследственности, эмбрионального развития, обучения, поведения и старения. Открытие транспозонов, в частности p-элемента, в дрозофиле предоставило ранний метод введения трансгенов в их геном, хотя впоследствии его заменили более современные методы редактирования генов. В связи со значимостью для здоровья человека, ученые ищут способы борьбы с комарами посредством генной инженерии. В лаборатории были созданы комары, устойчивые к малярии, путем введения гена, снижающего развитие малярийного паразита, а затем с использованием хоминговых эндонуклеаз для быстрого распространения этого гена в популяции самцов (известного как генный драйв). Этот подход был развит дальше, используя генный драйв для распространения летального гена. В ходе испытаний популяции комаров Aedes aegypti, основных переносчиков лихорадки денге и вируса Зика, сократились на 80–90%. Другими привлекательными объектами для борьбы являются мотыльки. Каждый год в мире мотылька-огновка наносит ущерб на сумму от 4 до 5 миллиардов долларов США. Этот подход аналогичен методу стерилизации, испытанному на комарах, когда самцы модифицируются геном, препятствующим созреванию самок. Полевые испытания были проведены в 2017 году. В этом случае штамм розового хлопкового червя, стерилизованный радиацией, был генетически модифицирован для экспрессии красного флуоресцентного белка, что облегчает мониторинг его распространения исследователями. Шелкопряд, личиночная стадия Bombyx mori, является экономически важным насекомым в шелководстве. Ученые разрабатывают стратегии для улучшения качества и количества шелка. Существует также потенциал использования шелкопрядильного аппарата для производства других ценных белков. Белки, разработанные для экспрессии шелкопрядами, включают: альбумин сыворотки человека, α-цепь коллагена человека, мышиные моноклональные антитела и N-гликаназу. Были созданы шелкопряды, производящие паучий шелк, более прочный, но чрезвычайно сложный в сборе, и даже новые виды шелка.

In biological research, transgenic fruit flies (Drosophila melanogaster) are model organisms used to study the effects of genetic changes on development. Fruit flies are often preferred over other animals due to their short life cycle and low maintenance requirements. They also have a relatively simple genome compared to many vertebrates, with typically only one copy of each gene, making phenotypic analysis easy. Drosophila have been used to study genetics and inheritance, embryonic development, learning, behavior, and aging. The discovery of transposons, in particular the p element, in Drosophila provided an early method to add transgenes to their genome, although this has been taken over by more modern gene editing techniques. Due to their significance to human health, scientists are looking at ways to control mosquitoes through genetic engineering. Malaria resistant mosquitoes have been developed in the laboratory by inserting a gene that reduces the development of the malaria parasite and then use homing endonucleases to rapidly spread that gene throughout the male population (known as a gene drive). This approach has been taken further by using the gene drive to spread a lethal gene. In trials the populations of Aedes aegypti mosquitoes, the single most important carrier of dengue fever and Zika virus, were reduced by between 80% and by 90%. Other insect pests that make attractive targets are moths. Diamondback moths cause US$4 to $5 billion of damage each year worldwide. The approach is similar to the sterile technique tested on mosquitoes, where males are transformed with a gene that prevents any females born from reaching maturity. They underwent field trials in 2017. In this case a strain of pink bollworm that were sterilized with radiation were genetically engineered to express a red fluorescent protein making it easier for researchers to monitor them. Silkworm, the larvae stage of Bombyx mori, is an economically important insect in sericulture. Scientists are developing strategies to enhance silk quality and quantity. There is also potential to use the silk producing machinery to make other valuable proteins. Proteins currently developed to be expressed by silkworms include; human serum albumin, human collagen α chain, mouse monoclonal antibody and N glycanase. Silkworms have been created that produce spider silk, a stronger but extremely difficult to harvest silk, and even novel silks.

Другое

Были разработаны системы для создания трансгенных организмов у широкого спектра других животных. Курицы были генетически модифицированы для различных целей, включая изучение развития эмбрионов, предотвращение передачи птичьего гриппа и получение эволюционных данных с использованием обратной инженерии для воссоздания фенотипов, напоминающих динозавров. ГМ-курица, производящая препарат Канума – фермент для лечения редкого заболевания – получила одобрение регулирующих органов США в 2015 году. Генетически модифицированные лягушки, в частности *Xenopus laevis* и *Xenopus tropicalis*, используются в исследованиях биологии развития. ГМ-лягушек также можно использовать как датчики загрязнения, особенно для химических веществ, нарушающих эндокринную систему. Рассматриваются предложения по использованию генной инженерии для контроля популяции тростниковых жаб в Австралии. Нематода *Caenorhabditis elegans* является одним из основных модельных организмов для изучения молекулярной биологии. РНК-интерференция (РНКi) была открыта у *C. elegans* и может быть индуцирована путем кормления бактериями, модифицированными для экспрессии двухцепочечной РНК. Относительно легко получать стабильные трансгенные нематоды, и вместе с РНКi они являются основными инструментами для изучения их генов. Наиболее часто трансгенные нематоды используются для изучения экспрессии и локализации генов путем присоединения репортерных генов. Трансгены также можно комбинировать с методами РНКi для восстановления фенотипов, изучения функции генов, визуализации развития клеток в реальном времени или контроля экспрессии в различных тканях или на разных стадиях развития, а также в токсикологии, при изучении заболеваний и для обнаружения загрязняющих веществ в окружающей среде. Ген, ответственный за альбинизм у морских огурцов, был обнаружен и использован для создания белых морских огурцов – редкого деликатеса. Эта технология также открывает возможности для изучения генов, ответственных за некоторые необычные особенности огурцов, такие как зимняя спячка летом, выведение кишок и растворение тела после смерти. Плоские черви обладают способностью к регенерации из одной клетки. До 2017 года не существовало эффективного способа их трансформации, что затрудняло исследования. С помощью микроинъекций и радиации ученые создали первых генетически модифицированных плоских червей. Щетинковый червь, морской кольчатый червь, также был модифицирован и представляет интерес благодаря синхронизации его репродуктивного цикла с лунными фазами, способности к регенерации и медленному темпу эволюции. Книдарии, такие как гидра и морская анемония *Nematostella vectensis*, являются привлекательными модельными организмами для изучения эволюции иммунитета и определенных процессов развития. Среди других генетически модифицированных животных – улитки, гекконы, черепахи, раки, устрицы, креветки, моллюски, морские гребешки и губки.

Systems have been developed to create transgenic organisms in a wide variety of other animals. Chickens have been genetically modified for a variety of purposes. This includes studying embryo development, preventing the transmission of bird flu and providing evolutionary insights using reverse engineering to recreate dinosaur like phenotypes. A GM chicken that produces the drug Kanuma, an enzyme that treats a rare condition, in its egg passed US regulatory approval in 2015. Genetically modified frogs, in particular Xenopus laevis and Xenopus tropicalis, are used in developmental biology research. GM frogs can also be used as pollution sensors, especially for endocrine disrupting chemicals. There are proposals to use genetic engineering to control cane toads in Australia. The nematode Caenorhabditis elegans is one of the major model organisms for researching molecular biology. RNA interference (RNAi) was discovered in C. elegans and could be induced by simply feeding them bacteria modified to express double stranded RNA. It is also relatively easy to produce stable transgenic nematodes and this along with RNAi are the major tools used in studying their genes. The most common use of transgenic nematodes has been studying gene expression and localization by attaching reporter genes. Transgenes can also be combined with RNAi techniques to rescue phenotypes, study gene function, image cell development in real time or control expression for different tissues or developmental stages. toxicology, diseases, and to detect environmental pollutants. The gene responsible for albinism in sea cucumbers has been found and used to engineer white sea cucumbers, a rare delicacy. The technology also opens the way to investigate the genes responsible for some of the cucumbers more unusual traits, including hibernating in summer, eviscerating their intestines, and dissolving their bodies upon death. Flatworms have the ability to regenerate themselves from a single cell. Until 2017 there was no effective way to transform them, which hampered research. By using microinjection and radiation scientists have now created the first genetically modified flatworms. The bristle worm, a marine annelid, has been modified. It is of interest due to its reproductive cycle being synchronized with lunar phases, regeneration capacity and slow evolution rate. Cnidaria such as Hydra and the sea anemone Nematostella vectensis are attractive model organisms to study the evolution of immunity and certain developmental processes. Other animals that have been genetically modified include snails, geckos, turtles, crayfish, oysters, shrimp, clams, abalone and sponges.

Регулирование

Генетически модифицированные организмы регулируются государственными органами. Это относится как к исследованиям, так и к выпуску генетически модифицированных организмов, включая сельскохозяйственные культуры и продукты питания. Разработка нормативной базы в отношении генетической инженерии началась в 1975 году в Асиломаре, штат Калифорния. На встрече в Асиломаре был рекомендован набор руководящих принципов для осторожного использования рекомбинантных технологий и любых продуктов, полученных с их помощью. Картахенский протокол по биобезопасности был принят 29 января 2000 года и вступил в силу 11 сентября 2003 года. Это международный договор, регулирующий передачу, обращение и использование генетически модифицированных организмов. Сто пятьдесят семь стран являются участниками Протокола, и многие используют его в качестве ориентира для разработки собственных правил. В университетах и научно-исследовательских институтах обычно действует специальный комитет, ответственный за утверждение любых экспериментов, связанных с генетической инженерией. Для многих экспериментов также требуется разрешение от национального регулирующего органа или в соответствии с законодательством. Весь персонал должен быть обучен работе с ГМО, а все лаборатории должны получить одобрение от своего регулирующего органа для работы с ГМО. Законодательство, регулирующее ГМО, часто основывается на правилах и руководствах, действующих для не-ГМО версии организма, хотя и является более строгим. Существует почти универсальная система оценки относительных рисков, связанных с ГМО и другими агентами для сотрудников лаборатории и населения. Они классифицируются по одной из четырех категорий риска в зависимости от их вирулентности, тяжести заболевания, способа передачи и наличия профилактических мер или методов лечения. Существует четыре уровня биобезопасности, которым может соответствовать лаборатория, от уровня 1 (подходящего для работы с агентами, не связанными с заболеваниями) до уровня 4 (работы с угрожающими жизни агентами). Разные страны используют разную номенклатуру для описания уровней и могут предъявлять различные требования к тому, что можно делать на каждом уровне. Регулирование в каждой стране варьируется в зависимости от предполагаемого использования продуктов генетической инженерии. Например, культура, не предназначенная для употребления в пищу, обычно не рассматривается органами, ответственными за безопасность пищевых продуктов. Некоторые страны запретили выпуск ГМО или ограничили их использование, а другие разрешают их с различной степенью регулирования. В 2016 году тридцать восемь стран официально запретили или ограничили выращивание ГМО, а девять (Алжир, Бутан, Кения, Кыргызстан, Мадагаскар, Перу, Россия, Венесуэла и Зимбабве) запретили их импорт. Большинство стран, которые не разрешают выращивание ГМО, разрешают исследования с использованием ГМО. Несмотря на регулирование, иногда происходили незаконные выпуски из-за слабого контроля. Хотя в ЕС одобрено выращивание лишь нескольких ГМО, ряд ГМО одобрен для импорта и переработки. Выращивание ГМО вызвало дискуссии о рынке ГМО в Европе. В зависимости от правил сосуществования стимулы для выращивания ГМ-культур различаются. Политика США в большей степени ориентирована на проверяемые научные риски и использует концепцию существенной эквивалентности, нежели на сам процесс, как в других странах. Обсуждается вопрос о том, следует ли регулировать организмы, отредактированные генами, так же, как и генетически модифицированные организмы. В США они рассматриваются как отдельные и не регулируются на тех же условиях, в то время как в Европе ГМО – это любой организм, созданный с использованием методов генетической инженерии. Один из ключевых вопросов для регулирующих органов – необходимость маркировки продуктов, содержащих ГМО. Европейская комиссия утверждает, что обязательная маркировка и отслеживаемость необходимы для обеспечения информированного выбора, предотвращения потенциальной ложной рекламы и облегчения изъятия продуктов с рынка в случае выявления неблагоприятных последствий для здоровья или окружающей среды. Американская медицинская ассоциация и Американская ассоциация содействия развитию науки считают, что при отсутствии научных доказательств вреда даже добровольная маркировка вводит в заблуждение и необоснованно вызывает тревогу у потребителей. Маркировка продуктов, содержащих ГМО, требуется в 64 странах. Маркировка может быть обязательной до определенного порогового значения содержания ГМО (которое варьируется в зависимости от страны) или добровольной. В Канаде и США маркировка продуктов питания, содержащих ГМО, является добровольной, в то время как в Европе все продукты питания (включая переработанные продукты) или корма, содержащие более 0,9% одобренных ГМО, подлежат обязательной маркировке. В 2014 году продажи продуктов, маркированных как не содержащие ГМО, выросли на 30% до 1,1 миллиарда долларов.

Genetically modified organisms are regulated by government agencies. This applies to research as well as the release of genetically modified organisms, including crops and food. The development of a regulatory framework concerning genetic engineering began in 1975, at Asilomar, California. The Asilomar meeting recommended a set of guidelines regarding the cautious use of recombinant technology and any products resulting from that technology. The Cartagena Protocol on Biosafety was adopted on 29 January 2000 and entered into force on 11 September 2003. It is an international treaty that governs the transfer, handling, and use of genetically modified organisms. One hundred and fifty seven countries are members of the Protocol and many use it as a reference point for their own regulations. Universities and research institutes generally have a special committee that is responsible for approving any experiments that involve genetic engineering. Many experiments also need permission from a national regulatory group or legislation. All staff must be trained in the use of GMOs and all laboratories must gain approval from their regulatory agency to work with GMOs. The legislation covering GMOs are often derived from regulations and guidelines in place for the non GMO version of the organism, although they are more severe. There is a near universal system for assessing the relative risks associated with GMOs and other agents to laboratory staff and the community. They are assigned to one of four risk categories based on their virulence, the severity of the disease, the mode of transmission, and the availability of preventive measures or treatments. There are four biosafety levels that a laboratory can fall into, ranging from level 1 (which is suitable for working with agents not associated with disease) to level 4 (working with life threatening agents). Different countries use different nomenclature to describe the levels and can have different requirements for what can be done at each level. Regulation varies in a given country depending on the intended use of the products of the genetic engineering. For example, a crop not intended for food use is generally not reviewed by authorities responsible for food safety. Some nations have banned the release of GMOs or restricted their use, and others permit them with widely differing degrees of regulation. In 2016, thirty eight countries officially ban or prohibit the cultivation of GMOs and nine (Algeria, Bhutan, Kenya, Kyrgyzstan, Madagascar, Peru, Russia, Venezuela and Zimbabwe) ban their importation. Most countries that do not allow GMO cultivation do permit research using GMOs. Despite regulation, illegal releases have sometimes occurred, due to weakness of enforcement. While only a few GMOs have been approved for cultivation in the EU a number of GMOs have been approved for import and processing. The cultivation of GMOs has triggered a debate about the market for GMOs in Europe. Depending on the coexistence regulations, incentives for cultivation of GM crops differ. The US policy does not focus on the process as much as other countries, looks at verifiable scientific risks and uses the concept of substantial equivalence. Whether gene edited organisms should be regulated the same as genetically modified organism is debated. USA regulations sees them as separate and does not regulate them under the same conditions, while in Europe a GMO is any organism created using genetic engineering techniques. One of the key issues concerning regulators is whether GM products should be labeled. The European Commission says that mandatory labeling and traceability are needed to allow for informed choice, avoid potential false advertising and facilitate the withdrawal of products if adverse effects on health or the environment are discovered. The American Medical Association and the American Association for the Advancement of Science say that absent scientific evidence of harm even voluntary labeling is misleading and will falsely alarm consumers. Labeling of GMO products in the marketplace is required in 64 countries. Labeling can be mandatory up to a threshold GM content level (which varies between countries) or voluntary. In Canada and the US labeling of GM food is voluntary, while in Europe all food (including processed food) or feed which contains greater than 0.9% of approved GMOs must be labeled. In 2014, sales of products that had been labeled as non GMO grew 30 percent to $1.1 billion.

Противоречия

Существует полемика вокруг ГМО, особенно в отношении их распространения за пределами лабораторных условий. В споре участвуют потребители, производители, биотехнологические компании, государственные регулирующие органы, неправительственные организации и ученые. Многие из этих опасений связаны с ГМ-культурами и безопасностью продуктов питания, произведенных из них, а также с тем, какое воздействие их выращивание окажет на окружающую среду. Эти противоречия привели к судебным разбирательствам, международным торговым спорам и протестам, а также к ужесточению регулирования коммерческой продукции в некоторых странах. Большинство опасений связано с влиянием ГМО на здоровье и окружающую среду. К ним относятся вопросы о возможности возникновения аллергических реакций, о возможности переноса трансгенов в клетки человека и о попадании в пищевые продукты генов, не одобренных для употребления в пищу. Однако, в последующие десятилетия было зафиксировано несколько подобных случаев. Перенос генов между ГМ-культурами и совместимыми растениями, в сочетании с увеличением использования гербицидов широкого спектра действия, может повысить риск появления популяций сорняков, устойчивых к гербицидам. Дискуссии о масштабах и последствиях переноса генов усилились в 2001 году, когда было опубликовано исследование, обнаружившее трансгены в местном сорте кукурузы в Мексике – центре разнообразия этой культуры. Установлено, что перенос генов от ГМ-культур к другим организмам, как правило, ниже, чем происходит в естественных условиях. Для решения некоторых из этих проблем, некоторые ГМО были разработаны с характеристиками, помогающими контролировать их распространение. Чтобы предотвратить случайное скрещивание генетически модифицированного лосося с диким лососем, вся рыба, выращиваемая для пищевых целей, является самками, триплоидами, 99% из них репродуктивно стерильны и выращиваются в районах, где сбежавший лосось не смог бы выжить.