유전공학
Genetic engineering| 시리즈의 일부 |
| 유전공학 |
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| 유전자 조작 생물 |
| 역사와 규정 |
| 과정 |
| 적용들 |
| 논쟁 |
유전자 변형 또는 유전자 조작이라고도 불리는 유전공학은 기술을 이용하여 유기체의 유전자를 변형하고 조작하는 것이다.그것은 개량되거나 새로운 유기체를 생산하기 위해 종의 경계를 넘어 유전자의 전달을 포함하여 세포의 유전자 구성을 바꾸는 데 사용되는 일련의 기술이다.새로운 DNA는 유전자 재조합 DNA법을 사용하여 해당 유전물질을 분리 및 복제하거나 DNA를 인공적으로 합성함으로써 얻을 수 있다.구조물은 보통 이 DNA를 숙주 유기체에 삽입하기 위해 만들어지고 사용된다.최초의 재조합 DNA 분자는 1972년 폴 버그에 의해 원숭이 바이러스 SV40의 DNA와 람다 바이러스의 결합으로 만들어졌다.유전자를 삽입하는 것뿐만 아니라, 그 과정은 유전자를 제거하거나 "녹아웃"하는데 사용될 수 있다.새로운 DNA는 무작위로 삽입되거나 [1]게놈의 특정 부분을 대상으로 할 수 있다.
유전자 공학을 통해 생성된 유기체는 유전자 변형(GM)된 것으로 간주되며, 그 결과 생성된 유기체는 유전자 변형 유기체(GMO)이다.최초의 GMO는 1973년 허버트 보이어와 스탠리 코헨에 의해 생성된 박테리아였다.루돌프 재니쉬는 1974년 생쥐에 외래 DNA를 삽입하면서 최초의 유전자 조작 동물을 만들었다.유전자 공학에 초점을 맞춘 최초의 회사, Genentech는 1976년에 설립되어 인간 단백질 생산을 시작했다.1978년 유전자 조작 인간 인슐린이 생산됐고 1982년 인슐린을 생산하는 박테리아가 상용화됐다.유전자 조작 식품은 1994년부터 플라브르 사브르 토마토의 출시와 함께 판매되고 있다.Flavr Savr는 유통기한이 길도록 설계되었지만, 현재 대부분의 GM 작물은 곤충과 제초제에 대한 내성을 높이기 위해 수정되었습니다.애완동물로 설계된 최초의 GMO인 GloFish는 2003년 12월 미국에서 판매되었다.2016년에는 성장호르몬으로 변형된 연어가 판매되었다.
유전공학은 연구, 의학, 산업생명공학, 농업 등 다양한 분야에서 응용되고 있다.연구에서 GMO는 기능 상실, 기능 향상, 추적 및 발현 실험을 통해 유전자 기능과 발현을 연구하는 데 사용된다.특정 조건에 책임이 있는 유전자를 제거함으로써 인간 질병의 동물 모델 유기체를 만드는 것이 가능하다.유전자 공학은 호르몬, 백신, 그리고 다른 약물을 생산할 뿐만 아니라 유전자 치료를 통해 유전병을 치료할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.약을 생산하기 위해 사용되는 것과 같은 기술은 세탁 세제, 치즈, 그리고 다른 제품들을 위한 효소를 생산하는 것과 같은 산업적인 응용을 할 수 있다.
상업화된 유전자 변형 작물의 증가는 많은 다른 나라의 농부들에게 경제적 이익을 제공했지만, 또한 이 기술을 둘러싼 대부분의 논란의 원인이 되었다.이것은 초기 사용부터 존재해 왔습니다.첫 번째 현장 실험은 반GM 운동가들에 의해 파괴되었습니다.비록 현재 유전자 조작 작물에서 유래한 식품이 기존의 식품보다 인간의 건강에 더 큰 위험을 끼치지 않는다는 과학적 합의가 있지만, 유전자 조작 식품 안전은 비평가들에게 주요한 관심사이다.유전자 흐름, 비표적 유기체에 대한 영향, 식량 공급 통제 및 지적 재산권 문제도 잠재적인 문제로 제기되었다.이러한 우려는 1975년에 시작된 규제 프레임워크의 개발로 이어졌다.그것은 2000년에 채택된 바이오 안전에 관한 국제 조약인 카르타헤나 의정서를 이끌어냈다.개별 국가는 GMO에 관한 자체 규제 시스템을 개발했으며, 미국과 유럽 간에 가장 큰 차이가 발생하고 있다.
개요
유전공학은 DNA를 제거하거나 도입하거나 기존 유전물질을 그대로 변형시켜 유기체의 유전자 구조를 바꾸는 과정이다.여러 번 교배한 후 원하는 표현형을 가진 유기체를 선택하는 전통적인 동식물 사육과 달리, 유전공학은 한 유기체에서 직접 유전자를 가져와 다른 유기체로 전달한다.이것은 훨씬 더 빠르고, 어떤 유기체의 유전자를 삽입하는데 사용될 수 있고 다른 바람직하지 않은 유전자가 첨가되는 것을 [4]막습니다.
유전자 공학은 결함이 있는 유전자를 기능하는 [5]유전자로 대체함으로써 인간의 심각한 유전 장애를 잠재적으로 고칠 수 있다.그것은 특정 유전자의 기능을 [6]연구할 수 있게 해주는 연구에서 중요한 도구이다.약품, 백신, 그리고 다른 제품들은 그것들을 [7]생산하도록 조작된 유기체로부터 수확되었다.농작물은 수확량, 영양가, [8]환경 스트레스에 대한 내성을 증가시킴으로써 식량안보를 돕는 것이 개발되어 왔다.
DNA는 숙주 유기체에 직접 도입되거나 [9]숙주와 융합되거나 교배되는 세포에 도입될 수 있다.이는 유전성 유전물질의 새로운 조합을 형성하기 위해 재조합 핵산 기술에 의존하며, 벡터 시스템을 통해 간접적으로 또는 마이크로 주입, 매크로 주입 또는 마이크로 [10]캡슐화를 통해 해당 물질의 통합이 이루어진다.
유전자 공학은 일반적으로 유전자 변형 핵산이나 유전자 변형 유기체를 [9]사용하지 않는 전통적인 사육, 체외 수정, 다배체 유도, 돌연변이 유발 및 세포 융합 기술을 포함하지 않는다.그러나 유전자 공학의 일부 넓은 정의에는 선택적 [10]교배가 포함된다.복제와 줄기세포 연구는 유전공학으로 [11]간주되지 않지만 밀접하게 관련되어 있으며 유전공학이 [12]그 안에서 사용될 수 있다.합성 생물학은 유기체에 [13]인공 합성 물질을 도입함으로써 유전 공학을 한 단계 발전시키는 새로운 학문이다.
유전자 공학을 통해 변화된 식물, 동물, 미생물을 유전자 변형 생물 [14]또는 GMO라고 한다.다른 종의 유전 물질이 숙주에 첨가되면 그 결과 생기는 유기체를 유전자 변형 생물이라고 한다.같은 종의 유전 물질이나 숙주와 함께 자연적으로 번식할 수 있는 종을 사용한다면 그 결과 생기는 유기체는 시스제닉이라고 [15]불린다.표적 유기체로부터 유전 물질을 제거하기 위해 유전자 공학을 사용할 경우, 그 결과 발생하는 유기체를 녹아웃 [16]유기체라고 한다.유럽에서는 유전자 변형은 유전자 공학과 동의어이며, 미국이나 캐나다에서는 보다 전통적인 번식 [17][18][19]방법을 언급하기 위해 유전자 변형도 사용될 수 있다.
역사
인간은 수천 년 동안 자연 선택과 달리 선택적 교배 또는 인위적인[20]: 1 [21]: 1 선택을 통해 종의 게놈을 변화시켜 왔다.최근 돌연변이 교배는 선택적 교배를 위해 높은 빈도의 무작위 돌연변이를 생성하기 위해 화학 물질이나 방사선에 노출되는 것을 사용하고 있다.유전자 공학은 번식이나 돌연변이를 하지 않고 인간이 직접 DNA를 조작하는 기술로서 1970년대부터 존재해 왔다.1년 전에 유전에서 DNA의 역할 앨프리드 허시, 마사 Chase,[23]에 의해 2년 전 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭은 DNA분자는double-helix 구조를 갖고 있는 것을 공식화 이 용어"유전 공학"먼저 윌리엄슨에 의해 그의 과학 소설 드래곤의 섬, 1951[22]–에 게재된 – 말이 만들어졌다 비록톤그는 gene직접 유전자 조작의 랄 개념은 스탠리 G에서 기초적인 형태로 탐구되었다. 와인바움의 1936년 공상 과학 소설 프로테우스 섬.[24][25]
1972년 폴 버그는 원숭이 바이러스 SV40의 DNA와 람다 [26]바이러스의 DNA를 결합해 최초의 재조합 DNA 분자를 만들었다.1973년 허버트 보이어와 스탠리 코헨은 대장균의 [27][28]플라스미드에 항생제 내성 유전자를 삽입함으로써 최초의 트랜스제닉 유기체를 만들었다.1년 후, 루돌프 재니쉬는 외래 DNA를 배아에 도입함으로써 트랜스제닉 쥐를 만들었고, 이는 세계 최초의 트랜스제닉[29] 동물로 만들었다. 이러한 업적은 과학계에서 유전 공학으로 인한 잠재적 위험에 대한 우려를 낳았으며, 1975년 아실로마르 회의에서 처음으로 심도 있게 논의되었다.이 회의에서 제안된 주요 사항 중 하나는 기술이 [30][31]안전하다고 간주될 때까지 재조합 DNA 연구에 대한 정부의 감독을 확립해야 한다는 것이었다.
1976년 허버트 보이어와 로버트 스완슨에 의해 최초의 유전공학 회사인 제넨텍이 설립되었고, 1년 후 이 회사는 대장균에서 인간 단백질(소마토스타틴)을 생산했다.Genentech는 [32]1978년 유전자 조작 인간 인슐린의 생산을 발표했다.1980년, 다이아몬드 대 차크라바티 사건에서 미국 대법원은 유전자 변형 생명체가 [33]특허를 받을 수 있다고 판결했다.박테리아에 의해 생성된 인슐린은 1982년 [34]미국 식품의약국(FDA)에 의해 방출이 승인되었다.
1983년 생명공학 회사인 Advanced Genetic Sciences(AGS)는 서리로부터 농작물을 보호하기 위해 얼음-마이너스 변종인 Pseudomonas syrigerae에 대한 현장 시험을 미국 정부의 허가를 신청했지만, 환경 단체와 시위자들은 법적 문제로 [35]4년 동안 현장 시험을 연기했다.1987년, 캘리포니아의 딸기 밭과 감자 밭에 얼음-마이너스 균주가 [37]뿌려졌을 때, 환경에 방출된[36] 최초의 유전자 변형 유기체가 되었다.두 시험장은 시험 전날 밤 "세계 최초의 시험장이 세계 최초의 현장 추적자를 끌어들였다"[36]는 활동가들의 공격을 받았다.
1986년 프랑스와 미국에서 유전자 조작 식물에 대한 첫 번째 현장 실험이 이루어졌으며 담배 식물은 제초제에 [38]내성을 갖도록 설계되었다.중국은 [39]1992년에 바이러스 내성 담배를 도입하면서 트랜스제닉 식물을 상업화한 최초의 국가였다.1994년 Calgene은 최초의 유전자 변형 식품인 Flavr Savr를 상업적으로 출시하는 승인을 얻었다. Flavr Savr는 유통기한이 [40]더 길도록 설계되었다.1994년 유럽연합은 제초제 브로모옥실닐에 내성을 갖도록 설계된 담배를 [41]승인하여 유럽에서 최초로 유전자 공학을 통해 상업화된 작물이 되었다.1995년, BT 감자는 FDA의 승인을 받은 후 환경보호청으로부터 안전 승인을 받아 [42]미국에서 처음으로 농약 생산 작물이 되었다.2009년에는 25개국에서 11개의 유전자 변형 작물이 상업적으로 재배되었으며, 그 중 재배 지역별로 가장 큰 것은 미국, 브라질, 아르헨티나, 인도, 캐나다, 중국, 파라과이, 남아프리카 [43]공화국이었다.
2010년, J. 크레이그 벤터 연구소의 과학자들은 최초의 합성 게놈을 만들어 빈 박테리아 세포에 삽입했다.그 결과 마이코플라스마 라보토리엄이라는 이름의 박테리아는 복제하여 [44][45]단백질을 생산할 수 있었다.4년 후, 이것은 한 걸음 더 나아가 독특한 염기쌍을 포함하는 플라스미드를 복제하는 박테리아가 개발되면서 확장된 유전자 [46][47]알파벳을 사용하도록 설계된 최초의 유기체를 만들었다.2012년, 제니퍼 도우드나와 엠마뉴엘 샤펜티어는 거의 [50]모든 유기체의 게놈을 쉽고 구체적으로 바꿀 수 있는 기술인 CRISPR/[48][49]Cas9 시스템을 개발하기 위해 협력했다.
과정
GMO의 작성은 다단계 프로세스입니다.유전공학자는 먼저 어떤 유전자를 유기체에 삽입할지를 선택해야 한다.이것은 결과 유기체에 대한 목적이 무엇인지에 의해 추진되며 이전의 연구에 기초하고 있다.유전자 검사는 잠재적 유전자를 판단하기 위해 수행될 수 있고, 그리고 나서 더 많은 테스트를 통해 최적의 후보자를 확인할 수 있다.마이크로어레이, 전사체학, 게놈 염기서열 분석의 발달로 적합한 [51]유전자를 찾는 것이 훨씬 쉬워졌다.운도 한몫한다; Roundup Ready 유전자는 과학자들이 제초제의 [52]존재 하에서 번성하는 박테리아를 발견한 후에 발견되었다.
유전자 분리 및 복제
다음 단계는 후보 유전자를 분리하는 것이다.유전자를 포함한 세포가 열리고 DNA가 [53]정제된다.이 유전자는 제한 효소를 사용하여 DNA를 조각으로[54] 자르거나 유전자 부분을 [55]증폭시키기 위해 중합효소 연쇄 반응(PCR)으로 분리된다.그런 다음 겔 전기영동을 통해 이러한 세그먼트를 추출할 수 있습니다.만약 선택된 유전자나 기증자의 게놈이 잘 연구되었다면, 이미 유전자 라이브러리에서 접근할 수 있을 것이다.DNA 배열이 알려져 있지만 사용 가능한 유전자의 복사본이 없는 경우, 그것은 [56]인공적으로 합성될 수도 있다.일단 분리되면 그 유전자는 플라스미드에 결합되어 박테리아에 삽입된다.플라스미드는 박테리아가 분열할 때 복제되어 유전자의 무한한 복사를 [57]보장한다.RK2 플라스미드는 다양한 단세포 생물에서 복제할 수 있는 능력이 뛰어나 유전자 공학 도구로서 [58]적합하다.
유전자가 대상 유기체에 삽입되기 전에 다른 유전 요소와 결합되어야 합니다.여기에는 전사를 시작하고 종료하는 프로모터 및 터미네이터 영역이 포함됩니다.대부분의 경우 항생제 내성을 부여하는 선택 가능한 마커 유전자가 추가되어 연구자들은 어떤 세포가 성공적으로 변형되었는지 쉽게 판단할 수 있다.그 유전자는 또한 더 나은 발현이나 효과를 위해 이 단계에서 수정될 수 있다.이러한 조작은 제한 소화, 결합 및 분자 [59]복제와 같은 재조합 DNA 기술을 사용하여 수행됩니다.
숙주 게놈에 DNA 삽입
숙주 게놈에 유전 물질을 삽입하는 데 사용되는 많은 기술이 있다.어떤 박테리아는 자연적으로 외래 DNA를 흡수할 수 있다.이 능력은 스트레스를 통해 다른 박테리아에서 유도될 수 있으며, 이것은 DNA에 대한 세포막의 투과성을 증가시킨다; 상승된 DNA는 게놈과 통합되거나 염색체 외 DNA로 존재할 수 있다. DNA는 일반적으로 세포 핵을 통해 주입될 수 있는 미세 주입을 사용하여 동물 세포에 삽입된다. 핵으로 직접 들어가거나 바이러스 [60]벡터의 사용을 통해 포락선을 형성할 수 있습니다.
식물 게놈은 물리적 방법 또는 T-DNA 이진 벡터에 호스트된 배열을 전달하기 위해 아그로박테륨을 사용하여 엔지니어링될 수 있습니다.식물에서는 유전자 물질을 식물 세포에 자연스럽게 삽입할 [62]수 [61]있는 아그로박테륨 T-DNA 서열을 이용하여 종종 아그로박테륨 매개 변형을 사용하여 DNA를 삽입한다.다른 방법으로는 금이나 텅스텐의 입자가 DNA로 코팅된 후 어린 식물 [63]세포로 발사되는 생물학, 세포막을 플라스미드 DNA에 투과시키기 위해 전기 충격을 사용하는 전기학 등이 있다.
오직 하나의 세포만이 유전 물질로 변형되기 때문에, 유기체는 그 단일 세포에서 재생되어야 한다.식물에서 이것은 조직배양을 [64][65]통해 달성된다.동물에서는 삽입된 DNA가 배아줄기세포에 [66]존재하는지 확인하는 것이 필요하다.박테리아는 하나의 세포로 구성되어 복제적으로 번식하기 때문에 재생이 필요하지 않습니다.선택 가능한 마커는 변환된 세포와 변환되지 않은 세포를 쉽게 구별하기 위해 사용됩니다.이러한 마커들은 성숙한 트랜스제닉 [67]식물에서 선택 가능한 마커를 제거할 수 있는 많은 전략이 개발되었지만, 보통 트랜스제닉 유기체에 존재한다.
PCR, Southern Hybridation 및 DNA Sequencing을 사용하여 유기체가 새로운 [68]유전자를 가지고 있는지 확인하기 위한 추가 시험을 실시한다.이 검사들은 또한 삽입된 유전자의 염색체 위치와 복사 번호를 확인할 수 있다.유전자의 존재는 유전자가 표적 조직에서 적절한 수준으로 발현되는 것을 보장하지 않기 때문에 유전자 생성물(RNA와 단백질)을 찾고 측정하는 방법도 사용된다.여기에는 북부 교배, 정량적 RT-PCR, 웨스턴 블롯, 면역 형광, ELISA 및 표현형 [69]분석이 포함된다.
이 새로운 유전 물질은 숙주 게놈 내에 무작위로 삽입되거나 특정 위치를 대상으로 할 수 있다.유전자 타겟팅 기술은 특정 내생 유전자에 바람직한 변화를 주기 위해 상동 재조합을 사용한다.이는 식물과 동물에서 비교적 낮은 빈도로 발생하는 경향이 있으며 일반적으로 선택 가능한 마커를 사용해야 한다.유전자 표적의 빈도는 게놈 편집을 통해 크게 향상될 수 있다.게놈 편집은 유전체의 원하는 위치에 특정한 이중가닥 절단을 만드는 인공적으로 조작된 핵산 분해 효소를 사용하고, 세포의 내인성 메커니즘을 사용하여 상동 재조합과 비상동 종말 결합의 자연적 과정에 의해 유발된 절단을 복구합니다.공학적 핵산가수분해효소에는 메가핵산가수분해효소,[70][71] 아연 핑거 핵산가수분해효소,[72][73] 전사활성화제 유사 이펙터 핵산가수분해효소(TALENs)[74][75] 및 Cas9-가이드의 네 가지 종류가 있다.RNA 시스템(CRISPR에서 [76][77]채택됨).TALEN과 CRISPR은 가장 일반적으로 사용되는 두 가지이며 각각 고유한 [78]장점이 있습니다.TALEN은 타겟의 특수성이 높은 반면 CRISPR은 설계하기 쉽고 [78]효율적입니다.유전자 표적을 강화하는 것 외에,[79][80] 유전자 녹아웃을 생성하는 내생 유전자에 돌연변이를 도입하기 위해 조작된 핵산가수분해효소가 사용될 수 있다.
적용들
유전자 공학은 의학, 연구, 산업 및 농업 분야에서 응용되고 있으며 다양한 식물, 동물 및 미생물에 사용될 수 있습니다.유전자 변형된 최초의 유기체인 박테리아는 식품과 다른 [81][82]기질을 처리하는 약품이나 효소를 코드하는 새로운 유전자를 포함하는 플라스미드 DNA를 삽입할 수 있다.식물은 곤충 보호, 제초제 내성, 바이러스 내성, 영양 강화, 환경 압력에 대한 내성 및 식용 백신 [83]생산을 위해 수정되었습니다.대부분의 상용화된 유전자변형농산물은 내충성 또는 내초제 [84]작물이다.유전자 조작 동물은 연구, 모델 동물, 농산물이나 의약품 생산에 사용되어 왔다.유전자 조작 동물에는 유전자가 녹아웃된 동물, 질병에 걸리기 쉬운 동물, 추가적인 성장을 위한 호르몬, 그리고 [85]우유 속 단백질을 발현하는 능력이 포함된다.
약
유전자 공학은 약물의 제조, 인간의 상태를 모방한 모형 동물의 창조, 유전자 치료 등 의학에 많은 응용 분야를 가지고 있다.유전공학의 초기 사용 중 하나는 [32]박테리아에서 인간 인슐린을 대량 생산하는 것이었다.이 애플리케이션은 현재 인간 성장 호르몬, 모낭 자극 호르몬(불임 치료용), 인간 알부민, 모노클로널 항체, 항혈우병 인자, 백신 및 기타 많은 [86][87]약물에 적용되고 있다.생쥐 잡종(mouse hybridomas), 세포들이 함께 융합되어 모노클로널 항체를 만드는 유전 공학을 통해 인간 모노클로널 [88]항체를 만드는 데 적용되었습니다.면역력은 여전히 줄 수 있지만 감염 [89]배열은 부족한 유전자 조작 바이러스들이 개발되고 있다.
유전자 공학은 또한 인간 질병의 동물 모델을 만드는데 사용된다.유전자 조작 쥐는 가장 흔한 유전자 조작 동물 [90]모델이다.그것들은 암, 비만, 심장병, 당뇨병, 관절염, 약물 남용, 불안, 노화,[91] 파킨슨병을 연구하고 모델화하는데 사용되어 왔다.이러한 마우스 모델에 대해 잠재적인 치료법을 테스트할 수 있습니다.
유전자 치료는 일반적으로 결함이 있는 유전자를 효과적인 유전자로 대체함으로써 인간의 유전공학이다.체세포 유전자 치료를 이용한 임상 연구는 X-연계 SCID,[92] 만성 림프구성 백혈병(CLL),[93][94] 파킨슨병 [95]등 여러 질병과 함께 진행돼 왔다.2012년, 지방유전자 티파보벡은 임상용으로 [96][97]승인된 최초의 유전자 치료제가 되었다.2015년에 바이러스는 희귀한 피부병인 표피융해성 불소증을 앓고 있는 소년의 피부세포에 건강한 유전자를 삽입하여 성장시키고, 그 [98]병에 걸린 소년의 몸의 80%에 건강한 피부를 이식하는 데 사용되었다.
생식 유전자 치료는 어떠한 변화도 유전할 수 있는 결과를 가져올 것이고, 이것은 과학계의 [99][100]우려를 불러 일으켰다.2015년, CRISPR은 생존 불가능한 인간 [101][102]배아의 DNA를 편집하는 데 사용되었고, 주요 세계 학회의 과학자들은 유전적인 인간 게놈 [103]편집에 대한 모라토리엄을 요구하게 되었다.또한 이 기술이 치료뿐만 아니라 사람의 외모, 적응력, 지능, 성격 또는 [104]행동의 향상, 수정 또는 변경에 사용될 수 있다는 우려도 있다.치료와 강화의 차이 또한 [105]규명하기 어려울 수 있다.2018년 11월, He Jiankui는 인간 배아의 게놈을 편집하여 HIV가 세포에 들어가는 수용체를 코드하는 CCR5 유전자를 비활성화하려고 시도했다고 발표했다.그 작품은 비윤리적이고 위험하며 [106]시기상조라는 비난을 많이 받았다.현재 40개국에서 생식기 수정이 금지되어 있다.이런 종류의 연구를 하는 과학자들은 종종 배아가 아기로 자라도록 허락하지 않고 며칠 동안 배아가 자라도록 할 것이다.[107]
연구진은 돼지의 장기 [108]이식을 성공시키기 위해 돼지의 게놈을 인간 장기의 성장을 유도하기 위해 수정하고 있다.과학자들은 모기들이 말라리아에 면역이 되도록 모기의 게놈을 바꾸는 "유전자 운동"을 만들고 있으며,[109] 이 질병을 없애기 위해 유전자 변형된 모기들을 모기 개체군 전체에 확산시킬 방법을 찾고 있다.
조사.
유전자 공학은 유전자 기능을 [110]분석하기 위한 가장 중요한 도구 중 하나인 트랜스제닉 유기체의 창조와 함께 자연 과학자들에게 중요한 도구이다.광범위한 유기체의 유전자와 다른 유전 정보는 저장과 수정을 위해 박테리아에 삽입될 수 있으며, 그 과정에서 유전자 변형 박테리아를 만들 수 있다.박테리아는 값싸고, 성장하기 쉽고, 복제되고, 증식이 빠르고, 비교적 변형이 쉬우며, 거의 무기한 -80°C에서 저장될 수 있습니다.일단 유전자가 분리되면 연구를 위한 무제한 공급을 제공하는 박테리아 안에 [111]저장될 수 있다.
유기체는 특정 유전자의 기능을 발견하도록 유전적으로 조작된다.이것은 유전자가 발현되는 유기체의 표현형에 대한 영향일 수도 있고 유전자가 어떤 다른 유전자와 상호작용을 하는지일 수도 있다.이러한 실험에는 일반적으로 기능 상실, 기능 이득, 추적 및 표현이 포함됩니다.
- 유기체가 하나 이상의 유전자의 활동이 부족하도록 설계된 유전자 녹아웃 실험과 같은 기능 실험의 손실.단순한 녹아웃에서 원하는 유전자의 복사가 기능하지 않게 변형되었다.배아줄기세포는 이미 존재하는 기능적 복제를 대체하는 변경된 유전자를 통합한다.이 줄기세포들은 배반포에 주입되어 대리모에게 이식된다.이를 통해 실험자는 이 돌연변이에 의해 야기된 결함을 분석하여 특정 유전자의 역할을 결정할 수 있다.특히 자주 발생 생물학에 사용된다.[112]언제 이런 관심의 영역, 즉 전체 유전자에서 심지어는 모든 위치에 모든 위치에서 유전자의 점 돌연변이를 가진 도서관이 송금되면 이"돌연변이 생성 주사"라고 불린다.가장 간단한 메서드를 호출하고, 사용될 최초"주사 알라닌", 차례로 각 포지션이 비반응성 아미노산 알라닌에 변형된다.[113]
- 기능 실험의 이득, 녹아웃의 논리적 대응물.이것들은 때때로 원하는 유전자의 기능을 보다 정교하게 확립하기 위해 녹아웃 실험과 함께 수행된다.그 과정은 녹아웃 공학에서의 것과 거의 유사하지만, 그 구조가 보통 유전자의 추가적인 복제를 제공하거나 단백질의 합성을 더 자주 유도함으로써 유전자의 기능을 증가시키도록 설계되었다는 점을 제외한다.기능의 이득은 단백질이 기능에 충분한지 아닌지를 판단하기 위해 사용되지만, 특히 유전적 또는 기능적 [112]중복을 다룰 때 단백질이 항상 필요한 것은 아니다.
- 추적 실험 - 원하는 단백질의 국소화 및 상호작용에 대한 정보를 얻으려고 합니다.이것을 하는 한 가지 방법은 야생형 유전자를 '융합' 유전자로 대체하는 것이다. 이 유전자는 유전자 변형 산물을 쉽게 시각화할 수 있는 녹색 형광 단백질(GFP)과 같은 보고 요소와 함께 배열된 것이다.이것은 유용한 기술이지만, 조작은 유전자의 기능을 파괴할 수 있고, 이차적인 효과를 만들어 내고, 실험 결과에 의문을 제기할 수 있다.모노클로널 [112]항체에 결합 모티브 역할을 하는 작은 배열을 추가하는 것과 같이, 단백질의 기능을 완화시키지 않고 단백질 제품을 추적할 수 있는 보다 정교한 기술이 현재 개발되고 있다.
- 발현 연구는 특정 단백질이 어디서 언제 생산되는지를 발견하는 것을 목표로 한다.이러한 실험에서, 유전자의 프로모터로 알려진 단백질을 코드하는 DNA 이전의 DNA 배열은 GFP와 같은 리포터 유전자나 염료 생산을 촉진하는 효소로 대체된 단백질 코드 영역을 가진 유기체에 다시 도입된다.따라서 특정 단백질이 생성되는 시간과 장소를 관찰할 수 있다.발현 연구는 프로모터를 변화시켜 유전자의 적절한 발현에 중요하고 실제로 전사인자 단백질에 의해 결합되는 것을 발견함으로써 한 걸음 더 나아갈 수 있다. 이 과정은 프로모터 [114]때리기라고 알려져 있다.
산업의
유기체는 원하는 단백질을 과도하게 발현시키기 위해 효소와 같은 유용한 단백질을 코드하는 유전자로 세포를 변형시킬 수 있다.다음으로 산업발효를 이용하여 바이오리액터 설비에서 변형된 유기체를 성장시킨 후 단백질을 [115]정제함으로써 단백질의 대량으로 제조할 수 있다.일부 유전자는 박테리아에서 잘 작동하지 않기 때문에 효모, 곤충 세포 또는 포유류의 세포도 [116]사용될 수 있다.이 기술들은 인슐린, 인간 성장 호르몬, 백신과 같은 의약품, 트립토판 같은 보충제, 음식 생산의 보조제,[117] 그리고 연료를 생산하는데 사용된다.유전자 조작 박테리아가 있는 다른 응용 프로그램에는 바이오 [118]연료의 제조, 기름 유출, 탄소 및 기타 유독성[119] 폐기물의 정화 및 식수 [120]내 비소 검출과 같은 자연 순환 이외의 작업을 수행하도록 하는 것이 포함될 수 있습니다.특정 유전자 변형 미생물은 또한 그들의 환경에서 중금속을 추출하고 그것들을 더 쉽게 회복할 [121]수 있는 화합물에 통합시키는 능력 때문에 바이오미닝과 생물 개선에도 사용될 수 있다.
재료 과학에서는, 유전자 변형 바이러스가 보다 환경 친화적인 리튬 이온 배터리를 [122][123]조립하기 위한 발판으로 연구소에서 사용되어 왔다.박테리아는 또한 특정 환경 [124]조건 하에서 형광 단백질을 발현함으로써 센서 역할을 하도록 설계되었다.
농업
유전자 공학에서 가장 잘 알려져 있고 논란이 많은 응용 분야 중 하나는 유전자 변형 식품을 생산하기 위해 유전자 변형 농작물이나 유전자 변형 가축을 만들고 사용하는 것이다.작물은 생산을 증가시키고, 비생물적 스트레스에 대한 내성을 증가시키고, 식품의 구성을 바꾸거나, 새로운 [126]제품을 생산하기 위해 개발되어 왔다.
대규모로 상업적으로 출시된 최초의 작물은 병충해로부터 보호하거나 제초제에 대한 내성을 제공했습니다.곰팡이 및 바이러스 내성 작물도 개발 중이거나 [127][128]개발 중입니다.이것은 농작물의 곤충과 잡초 관리를 용이하게 하고 간접적으로 농작물 [129][130]수확량을 증가시킬 수 있다.생육을 가속화하거나 (소금, 추위 또는 가뭄 내성을 개선함으로써) 식물을 더 튼튼하게 만들어 수확량을 직접적으로 향상시키는 유전자 변형 작물도 [131]개발 중이다.2016년 연어는 성장호르몬에 의해 유전적으로 변형되어 정상적인 성인의 크기에 훨씬 [132]더 빨리 도달했다.
GMO는 영양가치를 높이거나 산업적으로 유용한 품질 또는 [131]양을 제공함으로써 생산물의 품질을 수정하는 방식으로 개발되었습니다.암플로라 감자는 산업적으로 더 유용한 녹말 혼합물을 생산한다.콩과 유채꽃은 더 많은 건강한 [133][134]기름을 생산하기 위해 유전적으로 변형되었다.최초의 상품화된 GM 식품은 숙성이 늦어져 유통기한이 [135]늘어난 토마토였다.
식물과 동물은 보통 그들이 만들지 않는 재료를 생산하도록 설계되었다.파밍은 농작물과 동물을 생물반응제로 사용하여 백신, 약물 중간체 또는 약물 자체를 생산한다. 유용한 제품은 수확으로부터 정제되어 표준 의약품 생산 과정에 [136]사용된다.소와 염소는 우유에서 약물과 다른 단백질을 발현하도록 조작되었고, 2009년 FDA는 염소 [137][138]젖에서 생산된 약을 승인했다.
기타 응용 프로그램
유전자 공학은 보존과 자연 영역 관리에 잠재적으로 응용될 수 있습니다.바이러스 벡터를 통한 유전자 이동은 [139]질병으로부터 멸종위기에 처한 동물군을 예방접종할 뿐만 아니라 침입종을 통제하는 수단으로 제안되어 왔다.트랜스제닉 나무는 야생 개체군의 [140]병원균에 대한 저항력을 부여하는 방법으로 제안되어 왔다.기후 변화와 다른 섭동의 결과로 유기체의 부적응의 위험이 증가하는 가운데, 유전자 조정을 통한 원활한 적응은 멸종 위험을 [141]줄이는 하나의 해결책이 될 수 있다.보존에 있어서의 유전공학의 응용은 지금까지 대부분 이론적이고 아직 실용화되지 않았다.
유전자 공학 또한 미생물 [142]예술을 만드는데 사용되고 있다.일부 박테리아는 흑백 [143]사진을 만들기 위해 유전적으로 조작되었다.라벤더 컬러의 카네이션,[144] 푸른 장미,[145] 빛나는[146][147] 물고기 등의 참신성 아이템도 유전자 공학을 통해 생산되고 있다.
규정
유전자 공학의 규제는 정부가 GMO의 개발과 출시와 관련된 위험을 평가하고 관리하기 위해 취하는 접근법에 관한 것이다.규제 프레임워크의 개발은 1975년 [148]캘리포니아의 아실로마에서 시작되었다.Asilomar 회의는 재조합 [30]기술의 사용에 관한 일련의 자발적인 가이드라인을 권고했다.기술이 발전함에 따라,[149] 미국은 과학기술청에 위원회를 설립하였고, 이 위원회는 USDA, FDA [150]및 EPA에 GM 식품의 규제 승인을 위임하였다.2000년 [152]1월 29일 GMO의 [151]이전, 취급, 사용을 규제하는 국제조약인 바이오 안전성에 관한 카르타헤나 의정서가 채택됐다.이 의정서의 회원국은 157개국이며, 많은 국가들이 이 의정서를 자국 [153]규제의 기준점으로 사용하고 있다.
유전자 변형 식품의 법적, 규제적 지위는 국가에 따라 다르며, 일부 국가는 금지하거나 제한하고 있고,[154][155][156][157] 다른 국가는 규제 수준이 크게 다른 음식을 허용하고 있다.일부 국가는 허가를 받아 GM 식품의 수입을 허용하지만, GM 제품이 아직 생산되지 않았음에도 불구하고 GM 식품의 재배를 허용하지 않거나(러시아, 노르웨이, 이스라엘), 재배에 대한 규정을 가지고 있다(일본, 한국).GMO 재배를 허용하지 않는 대부분의 국가는 연구를 [158]허용한다.미국과 유럽 사이에 가장 현저한 차이점 중 일부는 발생한다.미국의 정책은 (프로세스가 아닌) 제품에 초점을 맞추고 검증 가능한 과학적 위험만을 검토하며 실질적인 [159]동등성의 개념을 사용합니다.반면 유럽연합은 [160]아마도 세계에서 가장 엄격한 GMO 규제를 가지고 있을 것이다.모든 GMO는 조사 식품과 함께 "새로운 식품"으로 간주되며, 유럽 식품 안전국의 광범위한 사례별 식품 평가를 받는다.인가 기준은 "안전", "선택의 자유", "라벨링" 및 "추적 가능성"[161]의 네 가지 범주로 분류된다.GMO를 재배하는 다른 나라의 규제 수준은 유럽과 미국 사이에 있다.
| 지역 | 규제 기관 | 메모들 |
|---|---|---|
| 미국 | USDA, FDA 및 EPA[150] | |
| 유럽 | 유럽 식품 안전국[161] | |
| 캐나다 | 캐나다 보건 및 캐나다 식품 검사청[162][163] | 원산지[164][165] 방법에 관계없이 새로운 기능을 갖춘 규제 제품 |
| 아프리카 | 동아프리카 공동시장[166] | 최종 결정은 각 [166]개별 국가에 달려 있다. |
| 중국 | 농업유전자공학생물안전국[167] | |
| 인도 | 유전자 조작 및 유전자 공학 승인 위원회[168], 기관 바이오 안전성 위원회 | |
| 아르헨티나 | 국가농업생명공학자문위원회(환경영향), 국가보건농업품질원(식품안전), 국가농업지향([169]무역효과) | 농림축산어업식품부 [169]사무국의 최종 결정 |
| 브라질 | 국가생물안전기술위원회(환경 및 식품안전) 및 각료회의(상업 및 경제적 문제)[169] | |
| 호주. | 유전자 기술 규제 기관(모든 GM 제품 오버오버), 치료용품 관리국(GM 의약품), 호주 뉴질랜드 식품 표준 식품(GM 식품).[170][171] | 각 주 정부는 출시로 시장과 무역에 미치는 영향을 평가하고 승인된 유전자 변형 [171]제품을 관리하기 위한 추가 법률을 적용할 수 있습니다. |
규제당국에 관한 주요 이슈 중 하나는 GM 제품에 라벨을 붙여야 하는지 여부이다.유럽위원회는 정보에 입각한 선