GENETIČKI EDITOVANI ORGANIZMI – CRISPR/Cas9 KAO NOVO ORUĐE U PROIZVODNJI HRANE
Tatjana Marinković1, PhD; Dragan Marinković2, PhD; Veljko Samardžić3, MSc
Visoka škola strukovnih studija Užice, Srbija, tatjana.marinkovic@hotmail.com
Univerzitet u Beogradu, Fakultet za specijalnu edukaciju i rehabilitaciju, Beograd, Srbija dragan.marinkovic@hotmail.com
Visoka strukovna škola za preduzetništvo, Beograd, Srbija vsamardzic75@gmail.com
Sažetak: Malo naučnih tema je pokrenulo toliko kontroverzi kao genetski modifikovani organizmi, ili GMO. Dobijeni tehnikom rekombinantne DNK, GMO sadrže gene drugih organizama da bi stekli novu određenu osobinu, poput otpornosti na bolesti ili pesticide. Međutim, iako se GMO tehnologija još uvek smatra "novom" i nedovoljno razjašnjenom, nedavno otkriće alata za editovanje gena CRISPR/Cas9, sa sposobnošću da iseca i lepi gene, štaviše, da to uradi u in vivo uslovima, predstavlja potpuno novi, obećavajući pristup proizvodnji useva sa poželjnim genetskim osobinama. Postoji razlika između "genetski modifikovanih organizama" (GMO) generisanih transgenim unošenjem stranih DNK sekvenci i "useva sa editovanim genomima" (genetically edited crops, GEC) generisanih preciznom uređivanjem urođenog genoma organizma. U ovom radu ćemo dati pregled primena CRISPR/Cas9, kao i koristi i glavna pitanja u vezi sa korišćenjem genetski uređenih organizama u proizvodnji hrane i lekovima.
1. UVOD
Od početka civilizacije, čovek je primenjivao selekciju prilikom upotrebe biljaka i životinja za sopstvene potrebe. Već sa prvim ukrštanjem između superiornih biljaka sa drugim kompatibilnim biljkama kako bi postigao produktivnije ili biljke otporne patogen, na primer, organizma čovek je ostvario prvo gentsko inženjerstvo. Kada se shvatilo da geni određuju kvalitativne ili kvantitativne osobine koje su odgajivači želeli, pojavila se namera da se ti geni mutiraju posebno. Stoga se, kao dodatak tradicionalnom selektivnom uzgoju biljaka, tokom poslednjih 60 godina koristila mutageneza upotrebom hemijskih jedinjenja ili primena zračenja, praćena skriningom mutacijske populacije na željene osobine. Važno je primetiti da su tradicionalne tehnike uzgoja biljaka, uključujući konvencionalnu mutagenezu, translokacioni uzgoj i međugeneracijska ukrštanja, po sebi veoma nespecifične. Kao što se događa, veliki deo genoma umesto jednog gena prenosi se ukrštanjem, ili hiljade nukleotida mutiraju umesto jednog željenog[1].
Rezultati postignuti 1973. upotrebom restrikcionih enzima, odnosno bakterijskih nukleaze, koje tačno prepoznaju i seku DNK lanac, pri čemu se takvi fragmenti mogu ponovo povezati, tj. rekombinovati, dali su potpuno novi pristup modifikaciji živih organizama. Od svog prvog uvođenja 1970-ih, genetski modifikovani organizmi (GMO) privlače veliku pažnju kako naučnika, tako i šire javnosti. Stvaranje živih organizama sa željenim karakteristikama tehnologijom rekombinantne DNK, činilo se da je od velikog značaja i donelo korist u širokim oblastima ljudskih aktivnosti, uključujući nauku, proizvodnju širokog spektra molekula za medicinske i ekonomske svrhe. Međutim, kada je u pitanju proizvodnja hrane, došlo je do mnogih rasprava i polemika. Jedan deo društva, uglavnom proizvođači semena iz SAD i Južne Amerike, su lako prihvatili GM biljke, dok se čak i više od 30 godina nakon prvog komercijalno dostupnog postrojenja, evropske zemlje i dalje opiru širokoj primeni GM biljaka u proizvodnji hrane.[2], [3] Zakonodavni regulatorni okviri koji imaju za cilj zaštitu biološke sigurnosti ljudi i životne sredine doveli su do značajnih barijera za široko usvajanje novih GM svojstava[4].
Međutim, iako se GMO tehnologija još uvek smatra "novom" i nedovoljno razjašnjenom, nedavno otkriće alata za editovanje gena CRISPR/Cas9, sa sposobnošću da iseca i lepi gene, štaviše, da to uradi u in vivo uslovima, predstavlja potpuno novi, obećavajući pristup proizvodnji useva sa poželjnim genetskim osobinama. Postoji razlika između "genetski modifikovanih organizama" (GMO) generisanih transgenim unošenjem stranih DNK sekvenci i "useva sa editovanim genomima" (genetically edited crops, GEC) generisanih preciznom uređivanjem urođenog genoma organizma.
Razvijeno je nekoliko novih tehnika za gajenje biljaka (new plant breeding techniques, NPBTs) koje omogućavaju precizno izvođenje modifikacija genoma u biljkama. Jasno je da je nova, napredna tehnika za editovanje genoma postavila pitanje da li su rezultirajuće biljke i njihovi proizvodi obuhvaćeni GMO zakonodavstvom.
Ovde ćemo dati i pregled nove tehnike uzgoja biljaka koja uključuje editovanje genoma i prodiskutovati kako kako se NPBTs uklapa u trenutno GMO zakonodavstvo.
2. ALATI ZA EDITOVANJE GENOMA
Alati za uređivanje genoma predstavljaju napredne biotehnološke tehnike koje omogućavaju precizno i efikasno ciljano modifikovanje genoma organizma[5]. Editovanje genoma odnedavno se nalazi u centru pažnje usled razvoja clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/Cas sistema koji omogućavaju jednostavno i lako ciljano editovanje gena[6]. CRISPR/Cas sistem koristi tipične nukleaze specifične za sekvencu (sequence-specific nucleases, SSN) koje se mogu indukovati da prepoznaju specifične sekvence DNK i da generišu dvolančane prekide (double-stranded breaks, DSB). Ovo su mehanizmi koji putem CRISPR/Cas sistema bakterijama i arheama pružaju adaptivni imunitet protiv virusa i plazmida, prigušivanjem invazivnih nukleinskih kiselina[6]. Endogeni “repair” sistemi biljaka zatim fiksiraju DSB ili spajanjem nehomolognih krajeva, što može dovesti do umetanja ili brisanja nukleotida, uzrokujući deleciju gena, ili homolognom rekombinacijom (HR), što može prouzrokovati zamenu i inserciju gena[7].
Figure 1. CRISPR/Cas sistem: Cas9 vezuje i precizno seče genomsku DNK uz pomoć “guide” RNK, omogućavajući koristan inžewering genoma (preuzeto iz[8])
Pored CRISPR/Ccas sistema, još nekoliko sistema specifičnih nukleaza su opisane: meganucleases (MNs), zincfinger nucleases (ZFNs), transcription activatorlike effector nucleases (TALENs)[9].
Izmena genoma korišćenjem tehnologije editovanja genoma nema opasnosti koja može nastati usled nekontrolisane integracije rekombinantne DNK u genom, što se dešava prilikom klasične genetske modifikacije biljaka. Slučajna integracija transgena može rezultirati prekidom ili dereguliranjem gena biljke domaćina, a to može dovesti do stvaranja nepredvidivih promena u genomu domaćina. Rizici koji su uključeni značajno su manji od onih povezanih sa GM usevima jer većina izmena menja samo nekoliko nukleotida, proizvodeći promene koje su prilično slične onima koje prirodno nalazimo u populaciji[10].
Moglo bi se reći da alati za uređivanje gena deluju poput biološke “find/replace” funkcije za izrezivanje gena i spajanje novih. Ova tehnika je vrlo obećavajuća za razvoj terapeutskih prostupa lečenja genetskih bolesti. Nedavno je He Jiankui sa južnog Univerziteta za nauku i tehnologiju u Shenzhenu tvrdio da je izmenio embrione za sedam parova tokom tretmana neplodnosti, pri čemu je do sada zabeležena jedna trudnoća, a cilj nije bio da se izleči ili spreči nasledna bolest, već da se pokuša steći odlika koju prirodno ima malo ljudi: sposobnost da se odupre mogućoj budućoj infekciji HIV-om. Ovaj rezultat stvorio je ogroman otpor u naučnoj zajednici, pošto je takva vrsta editovanja gena zabranjena u većini zemalja jer je tehnologija još uvek eksperimentalna i promene DNK mogu preći na buduće generacije, sa nepredviđenim nuspojavama, kako je komentarisano u časopisu Guardian.
"Ako je tačno, ovaj eksperiment je monstruozan", rekao je Julian Savulescu, profesor praktične etike na Univerzitetu Okford. "Embrioni su bili zdravi. Nema poznatih bolesti. Sama izmena gena je eksperimentalna i još uvek je povezana sa mutacijama gena koje nisu ciljani, a koje mogu da uzrokuju genetske probleme u ranom i kasnijem životu, uključujući razvoj raka."[11]
Međutim, kada je u pitanju proizvodnja useva, alati za editovanje gena izgledaju prihvatljivije, u poređenju sa GMO jer se genetske promene nastale ovim metodama ne razlikuju od onih koje se prirodno dešavaju. Za razliku od "klasičnih" GMO-a koji sadrže DNK iz drugih organizama, u kombinacijama koje se ne bi našle u prirodi, editing gena dovodi do rezultata sličnih onima dobijenim konvencionalnim metodama uzgoja, samo uz značajno veći nivo efikasnosti i preciznosti.[5], [10]
3. GECS VS. GMOS, PRAVNA PERSPEKTIVA
Od prvog opisa transgeneze 1970-ih, i od prvih terenskih ispitivanja u EU, prošlo je više od 20 godina istraživanja i regulacije genetski modifikovanih biljaka. Savet Evropskih zajednica usvojio je 1990. Direktivu 90/219/EEC (za upotrebu GMO u zatvorenom režimu) i Direktivu 90/220/EEC (za namerno oslobađanje GMO-a) za zaštitu zdravlja ljudi i životinja i životne sredine.[11] 1996. godine komercijalna sadnja GM biljaka započela je sa oko 1,7 miliona hektara širom sveta, da bi se ta površina useva 100 puta povećala do 2012. Nasuprot tome, ukupna površina uzgoja GM biljaka u Evropi bila je svega 129.000 hektara u 2012. godini, zbog snažnih društvenih i političkih protivljenja agro-prehrambenoj biotehnologiji.[12], [13] Svi GMO proizvedeni transgenim postupcima su u EU regulisani Direktivom 2001/18/EC za uzgoj i Uredbom 1829/2003 za genetsku modifikaciju (GM) hrane ili hrane za životinje[14].
Da ponovimo još jednom, tehnologije za editovanje gena ne uvode strane DNK u genom, već samo modifikuju postojeće gene. Nedavno je u časopisu Nature Genetics Huang J. izneo razlike između genetski editovanih kultura i genetski modifikovanih kultura, i predlozio neke osnovne smernice za pravno regulisanje GEC-a.[15]
Kao što je jasno istaknuto, "mora se uspostaviti razlika, posebno u javnoj sferi, između "genetski modifikovanih organizama" (GMO) generisanih transgeničkim uvođenjem stranih DNK sekvenci i "genetski editovanih kultura" (GEC) generisanih preciznim uređivanjem nativnog genoma organizma."[15].
Ono što je važno, autori komentara predlažu da reguliramo proizvod, a ne tehnologiju koja se koristi za njegovo stvaranje.
4. ZAKLJUČAK
Broj tehnologija koje se koriste za genetičko poboljšanja useva svakodnevno se povećava. Razvijene tehnike tranzijentnog prenosa i ekspresije gena, kao i savremeni koncepti poput sintetičke genomike ili reverznog uzgoja, potpomognuti sofisticiranim analitičkim tehnikama visoke efikasnosti, pružaju set vrhunskih alata za brzo i precizno menjanje genomske sekvence biljaka. Pomoću ovih tehnika potencijalni štetni efekti su još manje verovatni nego kod konvencionalnih transgenih biljaka ili biljaka koje su rezultat konvencionalnog uzgoja.
Iako nove tehnologije genetske modifikacije smanjuju ekološke i zdravstvene rizike genetskih manipulacija, još uvek je neophodno kontrolisati ih. Međutim, postoji mišljenje da u slučaju hrane dobijene genetskim editovanjem genetičku manipulaciju treba u potpunosti osloboditi proizvodnju - brojni naučnici smatraju da bi GEC trebalo da podleže istom postupku registracije kao i tradicionalno uzgajene sorte useva, ali ne bi trebalo da ih podvrgavaju dodatnom nadzoru vlade, što bi moglo biti nepotrebno restriktivno, kažu oni.
Kako se komentariše u časopisu Nature Genetics, "potencijalne koristi GEC-a ne bi trebalo ometati kao rezultat dezinformacija, pa su obelodanjivanje i obrazovanje najbolji načini za promovisanje zdravih politika".
REFERENCE
[1] F. Hartung and J. Schiemann, “Precise plant breeding using new genome editing techniques: Opportunities, safety and regulation in the EU,” Plant J., vol. 78, no. 5, pp. 742–752, 2014. [2] M. D. Marinkovic, Tatjana, Principi savremene biotehnologije. Visoka zdravstveno-sanitarna skola strukovnih studija “Visan,” 2012. [3] “368902499-Genetically-Modified-Food-Consumer-Protection-and-Trade-Regulations-Tatjana-Marinković-Kristina-Vojvodić-Dragan-Marinković.pdf.” . [4] J. R. Prado et al., “Genetically Engineered Crops: From Idea to Product,” Annu. Rev. Plant Biol., vol. 65, no. 1, pp. 769–790, Apr. 2014. [5] Y. Zhang, K. Massel, I. D. Godwin, and C. Gao, “Applications and potential of genome editing in crop improvement,” Genome Biol., vol. 19, no. 1, p. 210, Dec. 2018. [6] M. Jinek, K. Chylinski, I. Fonfara, M. Hauer, J. A. Doudna, and E. Charpentier, “A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity.,” Science, vol. 337, no. 6096, pp. 816–21, Aug. 2012. [7] L. S. Symington and J. Gautier, “Double-Strand Break End Resection and Repair Pathway Choice,” Annu. Rev. Genet., vol. 45, no. 1, pp. 247–271, Dec. 2011. [8] L. Trudel, M. Frenette, and S. Moineau, “CRISPR–Cas in the laboratory classroom,” Nat. Microbiol., vol. 2, no. 3, p. 17018, Mar. 2017. [9] T. Sovová, G. Kerins, K. Demnerová, and J. Ovesná, “Genome Editing with Engineered Nucleases in Economically Important Animals and Plants: State of the Art in the Research Pipeline.,” Curr. Issues Mol. Biol., vol. 21, pp. 41–62, 2017. [10] D. F. Voytas and C. Gao, “Precision Genome Engineering and Agriculture: Opportunities and Regulatory Challenges,” PLoS Biol., vol. 12, no. 6, p. e1001877, Jun. 2014. [11] “World’s first gene-edited babies created in China, claims scientist | Science | The Guardian.” [Online]. Available: https://www.theguardian.com/science/2018/nov/26/worlds-first-gene-edited-babies-created-in-china-claims-scientist. [Accessed: 23-Apr-2019]. [12] “Executive Summary: Global Status of Commercialized Biotech/GM Crops: 2012 - ISAAA Brief 44-2012 | ISAAA.org.” [Online]. Available: http://www.isaaa.org/resources/publications/briefs/44/executivesummary/default.asp. [Accessed: 23-Apr-2019]. [13] Y. Devos, W. Craig, and J. Schiemann, “Transgenic Crops transgenic crop , Risk Assessment transgenic crop breeding risk assessment and Regulatory Framework in the European Union transgenic crop breeding regulatory framework in the European Union,” in Encyclopedia of Sustainability Science and Technology, New York, NY: Springer New York, 2012, pp. 10765–10796. [14] “EUR-Lex - 32003R1829 - EN - EUR-Lex.” [Online]. Available: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/en/ALL/?uri=CELEX:32003R1829. [Accessed: 23-Apr-2019]. [15] S. Huang, D. Weigel, R. N. Beachy, and J. Li, “A proposed regulatory framework for genome-edited crops.,” Nat. Genet., vol. 48, no. 2, pp. 109–11, Feb. 2016.
complete its World Trade Organisation (WTO) accession by adopting an amended law on genetically modified organisms and complete remaining bilateral market access negotiations;...
"Mi ćemo morati da pokrenemo jedan drugi dijalog nekada, zato što te priče o genetski modifikovanoj hrani, a svaki dan jedemo GM hranu, a pravimo se da smo nekakvi najveći zaštitnici..."
Komentara: 0