Εφαρμογές της διαγένεσης στη φαρμακευτική βιομηχανία και την αγροτική παραγωγή. G. Patrinos

Transcript

1 Εφαρμογές της διαγένεσης στη φαρμακευτική βιομηχανία και την αγροτική παραγωγή

2 Συνοπτική παράθεση εφαρμογών 1. Γενετική παρέμβαση στο γάλα, κρέας και αυγά. 2. Τροποποίηση των ρυθμών αύξησης και άλλων φυσιολογικών διεργασιών. 3. Ανθεκτικότητα σε ασθένειες. 4. Αυξημένη αναπαραγωγική απόδοση. 5. Βελτίωση της ποιότητας μαλλιού. 6. Παραγωγή συνθετικών ινών. 7. Διαγονιδιακές καλλιέργειες φυτών.

3 Γενετική παρέμβαση στο γάλα Αλλαγή στη γενική σύσταση του γάλακτος με την: 1. Προσθήκη νέων πρωτεϊνών ή άλλων θρεπτικών ουσιών, π.χ. α. αυξητικοί παράγοντες (EGF, TGF-α), β. ορμόνες, γ. αντισώματα για προστασία από ζωονόσους (π.χ. μαστίτιδα) ή ανθρώπινες ασθένειες.

4 Γενετική παρέμβαση στο γάλα 2. Αλλαγή της σχετικής συγκέντρωσης των συστατικών του γάλακτος, όπως παραγωγή γάλακτος καλύτερης θρεπτικής ή υψηλότερης θερμιδικής αξίας, π.χ. αύξηση συγκέντρωσης λακτόζης στο γάλα χοιριδίων => καλύτερη απορρόφηση υδατανθράκων από το νεογνό => μεγαλύτερη ανάπτυξη. Διαγονίδιο α-λακταλβουμίνης της αγελάδας 3. Παραγωγή μεγαλύτερης ποσότητας γάλακτος, π.χ. 2-4lt/ημέρα.

5 Οφέλη στο ζώο και τον τελικό αποδέκτη Άμεσα οφέλη στο διαγονιδιακό ζώο: 1. Αύξηση ορίου ζωής. 2. Γρηγορότερη ανάπτυξη νεογνών. 3. Μείωση συχνότητας ζωονόσων και της σοβαρότητάς τους. Οφέλη στον τελικό αποδέκτη: 1. Λήψη θρεπτικών στοιχείων ή θεραπευτικών ουσιών. 2. Καλύτερη ποιότητα γαλακτοκομικών προϊόντων, όπως γευστικότερο ή μαλακότερο τυρί (με αφαίρεση φωσφορικών ομάδων από την β-κασεΐνη).

6 Οφέλη στην αγροτική παραγωγή Από την καλύτερη ανάπτυξη του ζώου: 1. Αύξηση στο τελικό βάρος του ζώου μετά τον απογαλακτισμό. 2. Μείωσητουαπαιτούμενουχρόνουμέχριτοζώοναφτάσει στο επιθυμητό βάρος. 3. Μείωση του συνολικού αριθμού σιτίσεων μέχρι το ζώο να προωθηθεί στην αγορά. Από τη βελτιωμένη σύσταση του γάλακτος: 1. Μείωση χρόνου παραγωγής γαλακτοκομικών προϊόντων (αύξηση β-κασεΐνης => μείωση χρόνου πήξης του γάλακτος). 2. Παραγωγή διαιτητικών προϊόντων. 3. Βιομηχανικά οφέλη, π.χ. αύξηση κ-κασεΐνης => σταθερότερο θερμικά γάλα => αποθήκευση για μεγαλύτερο χρόνο.

7 Παραγωγή θεραπευτικών προϊόντων στο γάλα διαγονιδιακών αγελάδων ή κουνελιών Τα διαγονίδια περιλαμβάνουν την κωδική περιοχή της ανθρώπινης θεραπευτικής πρωτεΐνης, όπως C1 αναστολέας, κολλαγόνο, λακτοφερρίνη, κάτω από τον έλεγχο του υποκινητή της αs1-κασεΐνης της αγελάδας. ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ - Γρήγορη παραγωγή της πρωτεΐνης και σε μεγάλες ποσότητες. - Εύκολος καθαρισμός της εν λόγω πρωτεΐνης. - Χαμηλότερη τιμή του θεραπευτικού προϊόντος.

8 Γενετική βελτιώση του κρέατος ή των αυγών 1. Προσθήκη ορμονών ή αυξητικών παραγόντων, π.χ. για την αύξηση του βάρους εμπορεύσιμων ειδών ψαριών ή ζώων. 2. Εμπλουτισμός κρέατος με θεραπευτικές ουσίες, π.χ. κατανάλωση ψαριών με ω-3 λιπαρά οξέα από τον άνθρωπο => μείωση κινδύνου εμφάνισης στεφανιαίας νόσου. 3. Παραγωγή καλύτερης ποιότητας κρέατος με λιγότερο λίπος, π.χ. με τη χρήση του ογκογονιδίου ski του κοτόπουλου στους χοίρους. 4. Παραγωγή μεγαλύτερων και περισσότερων αυγών ή αυγών με μεγαλύτερη θρεπτική αξία, με συνδυασμό γονιδιακής στόχευσης και διαγονιδιακής τεχνολογίας αντίστοιχα.

9 Τροποποίηση των ρυθμών ανάπτυξης και άλλων φυσιολογικών διεργασιών 1. Μεταβολή επιπέδων έκφρασης αυξητικών παραγόντων και των αντίστοιχων υποδοχέων με γονιδιακή στόχευση ή με τη χρήση γονιδίων άλλων ειδών, π.χ. εισαγωγή διαγονιδίου της αυξητικής ορμόνης του σολωμού => σολωμοί 5-11 φορές μεγαλύτεροι από τους σολωμούς άγριου τύπου. 2. Τροποποίηση ρυθμών αναπαραγωγής: Επιτυχής και συνεχής αναπαραγωγή με τη γενετική καταπολέμηση της ανορεξίας, της κακής διατροφής, ή με το συντονισμό της αναπαραγωγικής περιόδου (γενετική ρύθμιση του βιολογικού ρολογιού). 3. Συνεχής παραγωγή αυγών.

10 Παρέμβαση σε μεταβολικές διεργασίες Τροποποίηση του μεταβολισμού και της απορρόφησης θρεπτικών ουσιών: 1. Με αλλαγή της ενζυμικής σύστασης του πεπτικού σωλήνα. 2. Με εισαγωγή νέων πεπτικών ενζύμων. 3. Με μείωση επιπέδων χοληστερόλης με γονιδιακή στόχευση των αντίστοιχων ενζύμων που συμμετέχουν στην βιοσύνθεση λίπους ήχοληστερόλης, π.χ. υδροξυλάση της 7-α-χοληστερόλης, ήτων υποδοχέων τους, π.χ. LDLR, λεπτίνη. 4. Με εισαγωγή κυτταρινολυτικών ενζύμων στην σύσταση του πεπτικού σωλήνα=> καλύτερη πέψη υλικών του κυτταρικού τοιχώματος από ορισμένα είδη πουλερικών.

11 Ανθεκτικότητα σε ασθένειες Εισαγωγή ή τροποποίηση γονιδίων με γονιδιακή στόχευση του συμπλέγματος ιστοσυμβατότητας (MHC), με σκοπό τη δημιουργία ζώων ανθεκτικότερων σε ασθένειες. 1. Παραγωγή διαγονιδιακών χοιριδίων με το γονίδιο Μx1 => ανθεκτικότητα ζώων στον ιό influenza. 2. Παραγωγή βοοειδών ανθεκτικών στη βρουκέλλωση με πυρηνική μεταφορά από ανθεκτικά ζώα. Μελλοντικοί στόχοι 1. Ανθεκτικότητα σε ιούς και βακτήρια. 2. Ανθεκτικότητα στα παράσιτα, π.χ. τρυπανοσώματα. 3. Αντιμετώπιση γενετικών νόσων (γονιδιακή θεραπεία!) 4. Επαγόμενη ανοσία.

12 Επαγόμενη ανοσία Δημιουργία διαγονιδακού ζώου με γονίδιο για συγκεκριμένο αντιγόνο υπό τον έλεγχο επαγόμενου υποκινητή Σίτιση με ειδική τροφή Τροφή εμπλουτισμένη με συμπλήρωμα-ερέθισμα Παραγωγή υψηλότερου τίτλου αντισωμάτων Παραγωγή αντιγόνων

13 Αυξημένη αναπαραγωγική απόδοση Τροποποίηση αλληλουχίας γονιδίων που ενέχονται στην αναπαραγωγική απόδοση ή τον συνολικό αριθμό των απογόνων => περισσότερα ζώα ανά γενιά. 1. Δημιουργία διαγονιδιακών χοίρων με το μεταλλαγμένο γονίδιο ESR (υποδοχέας οιστρογόνων) => 1-2 περισσότερα ζώα/γενιά. 2. Δημιουργία διαγονιδιακών προβάτων με το γονίδιο FEC B, υπεύθυνο για περισσότερα ωάρια ανά ωορηξία. 3. Δημιουργία διαγονιδιακών χοίρων στους οποίους ο οίστρος ανιχνεύεται οπτικά (έντονο κόκκινο χρώμα στην κοιλιακή χώρα) => μείωση χρόνου και κόστους και αύξηση αριθμού συλλήψεων.

14 Αυξημένη αναπαραγωγική απόδοση Μελλοντικοί στόχοι Χρήση γονιδίων-αυτοκτονίας (suicide genes): 1. Για τον ακριβή έλεγχο του φύλου και του ρυθμού αναπαραγωγής, π.χ. με τη χρήση ενός ορχεο-ειδικού υποκινητή, το γονίδιοαυτοκτονίας εκφράζεται μόνο στα σπερματοζωάρια με το Υ-χρωμόσωμα => Αποκλειστική παραγωγή θηλυκών ζώων ή π.χ. έκφραση γονιδίου-αυτοκτονίας σε όλα τα σπερματοζωάρια => έλεγχος γεννήσεων. 2. Παραγωγή στείρων ζώων μόνο για παραγωγή κρέατος. 3. Προστασία οικονομικά σημαντικών στελεχών από αυθαίρετες διασταυρώσεις.

15 Βελτίωση της ποιότητας του μαλλιού 1. Δημιουργία διαγονιδιακών ζώων με βελτιωμένη ποιότητα, χρώμα και μήκος μαλλιού. 2. Παραγωγή μεγαλύτερης ποσότητας μαλλιού ή μαλλιού με ίνες αυξημένης ελαστικότητας και αντοχής. 3. Λήψη του μαλλιού από το πρόβατο χωρίς κούρεμα. 4. Παραγωγή συνθετικού μαλλιού με ίνες πολύ υψηλής αντοχής

16 Λήψη του μαλλιού από διαγονιδιακά πρόβατα χωρίς κούρεμα Δημιουργία διαγονιδιακού προβάτου με το γονίδιο EGF από ερίφιο με επαγόμενο υποκινητή Σίτιση με τροφή εμπλουτισμένη με συμπλήρωμα-ερέθισμα Αφαίρεση μαλλιού ΧΩΡΙΣ μηχανική υποστήριξη Επαγωγή αδύνατου σημείου στη βάση της τρίχας

17 Παραγωγή συνθετικών ινών πολύ υψηλής αντοχής Δημιουργία διαγονιδιακών εριφίων, με γονίδια αραχνοειδών που ελέγχουν την σύνθεση πρωτεϊνών-δομικώνμονάδωντωνιστώντους. Οι πρωτεΐνες αυτές παράγονται στο γάλα των εριφίων, από το οποίο απομονώνονται σε μεγάλες ποσότητες για τη εργοστασιακή παραγωγή ινών. Χαρακτηριστικά ινών 1. Ελαστικότητα παραπλήσια με εκείνη του συνθετικού Kevlar. 2. Δυνατότητα απορρόφησης ενέργειας μεγαλύτερη ακόμη και από το ατσάλι! Εφαρμογές 1. Παραγωγή ενδυμάτων ανώτερης ποιότητας. 2. Ιατρικές συσκευές. 3. Αεροπορική βιομηχανία και βιομηχανία αυτοκινήτων. 4. Αντιβαλλιστική προστασία, αεράμυνα.

18 Παραγωγή διαγονιδιακών καλλιεργειών ΔΙΑΓΟΝΙΔΙΑΚΗ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ Απομόνωση κυττάρων ρίζας Υποκινητής Καλλιέργεια κυττάρων ρίζας Γονίδιο Φύτευση ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΑΓΡΙΟΥ ΤΥΠΟΥ Μετασχηματισμός Θετική επιλογή μετασχηματισμένων κυττάρων Ανάπτυξη νεαρού φυτού σε καλλιέργεια Διαφοροποίηση

19 Χρησιμότητα διαγονιδιακών καλλιεργειών 1. Έλεγχοςφυτικήςπαραγωγήςκαιανάπτυξης, π.χ. υπερέκφραση του γονιδίου της φωσφορυλάσης της ADP-γλυκόζης στο σιτάρι οδηγεί σε 40% μεγαλύτερη παραγωγή. 2. Γενετική τροποποίηση για προστασία από παράσιτα, μύκητες, έντομα, κ.α. 3. Προστασία από δυσμενείς κλιματολογικές συνθήκες, π.χ. γενετικά τροποποιημένες καλλιέργεις ανθεκτικές στην ξηρασία και την αυξημένη αλατότητα του εδάφους. 4. Μετατροπή των φυτών σε βιοαντιδραστήρες για την σύνθεση χρήσιμων βιομορίων για φαρμακευτική χρήση, π.χ. παραγωγή διαγονιδιακού ρυζιού (χρυσό ρύζι) με αυξημένα επίπεδα προ-βιταμίνης Α για την αποτροπή τύφλωσης σε παιδιά.

20 Κυριότερα μειονεκτήματα και κίνδυνοι από την διαγένεση 1. Ανεπιθύμητα αποτελέσματα για το ζώο, π.χ. χρήση του γονιδίου της ανθρώπινης αυξητικής ορμόνης στους χοίρους => πρόκληση αρθρίτιδας, καρδιομεγαλίας και δερματίτιδας. 2. Μη ελεγχόμενη έκφραση του διαγονιδίου, είτε λόγω υπο-, είτε λόγω υπερ-παραγωγής της επιθυμητής πρωτεΐνης. 3. Μεταλλαγές, λόγω της τυχαίας ενσωμάτωσης του διαγονιδίου στο γονιδίωμα-δέκτη, οι οποίες επηρεάζουν αρνητικά βασικές φυσιολογικές ή μεταβολικές λειτουργίες του ζώου ή προκαλούν ασθένεις, όπως καρκίνο. 4. Αυξημένο κόστος παραγωγής διαγονιδιακών ζώων, λόγω μερικής μετάδοσης του διαγονιδίου στους απογόνους.

21 Παραγωγή διαγονιδιακών αγελάδων: Συγκριτικά στοιχεία Μικροένεση DNA σε ωοκύτταρα εμφυτεύσιμες βλαστοκύστεις 644 γεννήσεις (28%) 18 διαγονιδιακά ζώα (2,8%)

22 Ενδεικτικό κόστος παραγωγής διαγονιδιακών ζώων * Διαγονιδιακό είδος Κόστος (US$)/ζώο Ποντικός 121 Χοίρος Πρόβατο Αγελάδα *: Στοιχεία 2006

23 Κυριότερα ηθικά διλήμματα και θέματα προς συζήτηση 1. Ευζωΐα των διαγονιδιακών ζώων: Στάθμιση πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων όσον αφορά την προσδοκόμενη παραγωγικότητα και τα αναμενόμενα οφέλη για τον καταναλωτή και την κοινωνία. 2. Ασφάλεια του καταναλωτή από τα γενετικά τροποποιημένα (ΓΤ) τρόφιμα: Εμφανής σήμανση στη συσκευασία, όταν ο λόγος ΓΤ/μη-ΓΤ συστατικών είναι μεγαλύτερος από 0,9%. 3. Κατευθυνόμενη διεύρυνση της βιο-ποικιλομορφίας: Ανάγκη υιοθέτησης ασφαλιστικών δικλείδων για την αποφυγή ανεξέλεκτης δημιουργίας και αναπαραγωγής ειδών με ανεπιθύμητες-επικίνδυνες ιδιότητες. 4. Ελευθερία επιλογής για την αποδοχή ή όχι της διαγονιδιακής τεχνολογίας.