Adobe Systems Geneticky modifikované organizmy Mgr. Peter Lenárt (Nielen v potravinách) Prednáška naväzuje na prednášku o “klasických” metódach šlachtenia zvierat a rastlín. Ide o extrémne stručný prehľad problematiky, cieľom je ukázať základné princípy, nie naučiť Vás vyrábať geneticky modifikované organizmy. Na niečo take by bolo potrebné niekoľko semestrov a slúžia nato špecializované kurzy na Přf (konkrétne Bi8090 Genové inženýrství, ktoré ale naväzuje na radu iných predmetov, ako napr. Bi6400 Metody molekulární biologie). HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Geneticky modifikovaný organizmus •Organizmus, ktorého genetický materiál bol upravený pomocou metód génového inžinierstva • •Niekedy sa vyčleňujú takzvané transgénne organizmy : •Organizmy, do ktorých bola vložená genetická informácia nepríbuzného organizmu • Je to trošku umelé členenie, pretože ako ilustruje prednáška o šlachtení rastlín a zvierat, všetky metódy šlachtenie ovplyvňujú genetický material. Vo výsledku hlavný rozdiel je, že pri tvorbe geneticky modifikovaných organizmov vieme presne, ako sme ho zmenili. HD-PanelTitle-GrommetsCombined.png História a využitie HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Na počiatku genetického inžinierstva stali dva zásadné objavy (a kopa menších). 1. Objav reštrikčných endonukleáz (hlavne typu II) v baktériách – reštrikčné endonukleázy sú enzýmy, ktoré sa viažu na špecifické sekvencie DNA a následne ich štiepia (platí pre typ II, ostatné typy môžu štiepiť rôzne ďaleko od miesta, ktoré rozpoznávajú – pre účely tejto prednášky sa ale budeme baviť len o type II) So správnou reštrikčnou endonukleázou je možné “odštiepiť” časť DNA a následne ju spojiť s inou sekvenciou (pomocou DNA ligázy), vznikne tak hybridná DNA. Môžme tak spojiť DNA rôzneho pôvodu, aj z rôznych organizmov. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png 2. Objav plazmidových vektorov v baktériách. Plazmidy sú cirkulárne molekuly DNA, ktoré sa často vyskytujú v baktériách a replikujú sa nezávisle na genómovej DNA. Ich naštiepením reštrikčnými enzýmami napr (EcoRI – na obrázku) sa zlinearizujú. Do naštiepeních miest môžeme následne vložiť ďalší úsek DNA s komplementárnymi koncami (viď predchádzajúci obrázok), po následnej ligácií sa obnoví pôvodný kruhový tvar a je možné plazmid preniesť do baktérií (prípadne ak je to vhodný plazmid tak aj do kvasiniek, rastlinných alebo živočíšnych buniek). Ak takto vložíme do plazmidu gén tak po jeho prenesení do baktérií (ak to budú schopné) budú baktérie produkovať, proteín ktorý kóduje. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Prvé aplikácie •Ľudský inzulín bol prvým liečivom vyrábaným pomocou genetického inžinierstva •Úspešná výroba od roku 1978 (FDA schválila v 1982) •Nasledovala rada ďalších medicínskych aplikácií ako napr. výroba rekombinantného ľudského rastového hormónu (1981) či príprava prvých rekombinantných zvieracích vakcín (1982) HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Inzulín sa pred tým vyrábal z prasačích pankreasov a ako ilustruje obrázok nebol to veľmi efektívny proces. Navyše takto vyrobený inzulín bol zvierací a nie ľudský, čo zvyšovalo pravdepodobnosť alergickej reakcie. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Ojedinelé aplikácie? •V roku 2015 bolo okolo 400 liečiv vyrábaných pomocou DNA rekombinantných technológií Množstvo moderních liekov by principiálne nešlo vyrábať ani iným spôsobom – napríklad všetky liečivá založené na použití monoklonálnych protilátok, akými sú napríklad herceptin, avastin, alebo remicade Článok, z ktorého pochádza to číslo na slide: https://microbialcellfactories.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12934-016-0437-3 HD-PanelContent-GrommetsCombined.png GMO baktérie neprodukujú len lieky •Medzi ďalšie využitia patrí produkcia: •syrov •pracích prostriedkov •biosenzorov •papiera •textilu •piva •a ďalších • • Dala by sa tak ekologicky vyrábať napríklad aj modrá farba na jeansy. HD-PanelTitle-GrommetsCombined.png Geneticky modifikované potraviny GMO baktérie ale zväčša žiadnu kontroverziu nevyvolávajú, to čo niektorým ľudom vadí je využitie GMO potravín. Ďalej príklad jednej GMO potraviny. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Flavr Savr Rajče •Prvá geneticky modifikovaná potravina schválená FDA (1994) •Rajčata s predĺženým dozrievaním – dlhšie prežijú skladovanie a uchovávajú si prirodzenú chuť a farbu •S počiatku veľký komerčný záujem, ale pre vysoké náklady na produkciu nikdy nešlo o ziskový produkt •V roku 1997 bola v USA výroba zastavená • Normálne rajčatá v supermarketoch nechutia tak ako rajčatá zo záhradky. Je to preto, že sa často musia sklízet ešte nedozreté, aby prežili cestu do supermarketu. U Flavr Savr nebolo treba nič take robiť a preto chutili oveľa lepšie. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Flavr Savr Rajče •Rajčata produkujú enzým polygalakturonidáza, ktorý rozkladá pektín v bunečnej stene a tým spôsobuje „mäknutie rajčat“. •Do rajčat sa vložila druhá kópia génu kódujúceho polygalakturonidázu, avšak sekvencia génu bola „otočená naopak“ • Flavr Savr teda neobsahovali gény z žiadneho cudzieho organizmu. Dnes by šlo jednoducho ten gén na polygalakturonidázu “ vypnúť”, vtedy boli ale technológie genetického inžinierstva niekde inde. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png V princípe veľmi podobné tomu čo sa dialo vo Flavr Savr rajčatách. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Ako obrázok ilustruje Flavr Savr račjatá vydržia kľudne aj 45 dní na izbovej teplote bez toho, aby sa skazili. Bohužial sa už nikde komerčne neprodukujú. HD-PanelTitle-GrommetsCombined.png Miera využívania GMO plodín v poľnohospodárstve Skôr informatívne, neučte sa tie čísla naspamäť. Trendy áno. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Z počiatočných 1,7 miliónu hektárov v roku 1996 na 185,1 miliónov hektárov v roku 2016 je 110 násobné zväčšenie plochy, na ktorej sú GMO potraviny pestované. Teda paradoxne sú GMO potraviny jednou z najrýchlejšie adoptovaných technológií v dejinách poľnohospodárstva. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png V krajinách európskej únie sa však GMO plodiny prakticky nepestujú. V roku 2016 sa ešte na malých poliach pestovali v Česku a na Slovensku. To už ale od roku 2017 neplatí. Vzhľadom na európsku legislatívu je skoro nemožné predávať GMO potraviny určené pre ľudskú konzumáciu v Európskej únií. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Poradie Krajina 2016 (miliónov hektárov) 2017 (miliónov hektárov) 1 USA 72.9 75.0 2 Brazília 49.1 50.2 3 Argentina 23.8 23.6 4 Canada 11.1 13.1 5 India 10.8 11.4 6 Paraguay 3.6 3.0 7 Pakistan 2.9 3.0 8 China 2.8 2.8 9 South Africa 2.7 2.7 10 Bolívia 1.2 1.3 Zdroj: ISAAA Chcel som pridať data za 2018 ale tento rok prístup k nim spoplatnili. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Zdroj: ISAAA GMO plodiny sa dajú upraviť tak, aby boli odolné voči rôznych chorobám alebo dokázali prežiť v nepriaznivych podmienkach. Niečo take by mohlo veľmi pomôcť v Afrike. Tu je preto ukážka toho, aké typy GMO plodín sa testujú v Afrike. Ako vidieť, v dnešnej dobe sú to už len málokedy plodiny rezistentné voči herbicídom. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Zdroj: ISAAA HD-PanelContent-GrommetsCombined.png HD-PanelTitle-GrommetsCombined.png Efektívnosť GMO plodín Občas niekto tvrdí, že GMO plodiny nie sú efektívnejšie ako konvenčné plodiny. Už vzhľadom na rýchlosť, akou ich farmári po celom svete stále viac a viac využívajú, je toto málo pravdepodobné, každopádne ďalej sú presné dáta na túto tému. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Pellegrino et al., 2018 Ear = klas. Tento graf ukazuje, že GMO kukurica má vyššie výnosy a menej poškodené klasy. Poškodené klasy sú problém, pretože poškodené klasy bývajú častejšie napadnuté plesňami a tak potom, čo sú sklizené, často obsahujú mykotoxíny. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Pellegrino et al., 2018 Na tomto grafe vidieť, že GMO kukurica naozaj obsahuje podstatne menej mykotoxínov (Fumonisins a Thricotecens sú tiež typy mykotoxínov) a teda sú de facto zdravšie ako konvenčne produkovaná kukurica. “It is interesting to note that in Europe there is a relatively large number of field studies carried out in several European Union member states despite GM maize is extensively cultivated only in Spain, due to the national legislative constraints in the other countries.” HD-PanelContent-GrommetsCombined.png •Používanie geneticky modifikovanej ryže viedlo k redukcií používania herbicídov o 10.1% a insekticídov o 45.2% •Používanie GMO rastlín tiež viedlo k výraznému zníženiu produkcie skleníkových plynov, ktoré bolo len v roku 2011 ekvivalentné odstráneniu viac ako 10 miliónov áut (Brookes and Barfoot 2011) •Ekonomický prínos pestovania GMO bol len v roku 2012 18.8 miliardy dolárov •GMO tiež výrazne zdvihli svetovú produkciu sóje a kukurice (Brookes and Barfoot 2012). HD-PanelTitle-GrommetsCombined.png Bezpečnosť HD-PanelContent-GrommetsCombined.png •GMO potraviny sú najprísnejšie regulovaným typom potraviny na svete •Desiatky nezávislých vedeckých panelov vyhlásilo, že transgénne potraviny sú rovnako bezpečné, ako potraviny vyšľachtené iným spôsobom. •K tomuto záveru dospela aj desaťročná štúdia financovaná európskou komisiou (voľne dostupné pod názvom „A decade of EU-funded GMO research - European Commission“) •Patogény vyskytujúce sa v potravinách predstavujú neporovnateľne väčšie riziko ako GMO •V roku 2012 americké centrum pre kontrolu nemocí (CDC) v Atlante registrovalo vyše 128 000 prípadov hospitalizácie a 3 000 úmrtí v následku patogénov vyskytujúcich sa v potravinách. Na druhú stranu za vyše 20 rokov komerčného využitia GMO plodín v USA nebol zaregistrovaný jediný súvisiaci prípad úmrtia. Tu vlastne nie je čo riešiť, z pohľadu vedy je to jasné. GMO sú rovnako (ak nie viac) bezpečné, ako rastliny vyšlachtené iným spôsobom. HD-PanelTitle-GrommetsCombined.png Typy GM plodín HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Ciele genetických modifikácií 1.Generácia GM plodín a)Rezistencia k herbicídom b)Rezistencia voči vírusom, baktériám a hmyzím škodcom 2.Generácia GM plodín a)Zvýšenie nutričnej hodnoty b)Zlepšenie chuti, kvality a trvanlivosti potravín c)Modifikácie organizmu pre prežitie v extrémnych podmienkach d)Získanie obnoviteľných a ekologických zdrojov pre chemickú výrobu e)Zvýšenie mechanickej stability proti škodám pri transporte a skladovaní f) HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Ciele genetických modifikácií •3. Generácia GM plodín • a) nové typy rastlín 1. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png (Daniell et al,. 2005) Už antické civilizácie vedeli, že na zasolenej pôde nič nerastie. (Preto keď Rimania dobyli Kartágo zasolili pôdu v okolí, aby tam už nikdy nič nevyrástlo). Genetickými modifikáciami ale je možné vyrobiť rastliny, ktoré v zasolenej pôde nielen prežijú, ale budú aj prosperovať. Na obrázku takáto GMO mrkva. Je v stĺpčkeku “transformed”. V praxi sa zatiaľ pokiaľ viem nepestuje, ale mohla by byť užitočná pre rôzne oblasti, napríklad v Afrike. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png (Ruiz et al., 2003) PMA = phenylmercuric acetate PMA je vysoko toxická zlúčenina rtuti. V pôde, ktorá je ňou zamorená normálne nič nevyrastie. Dajú sa ale pripraviť GMO rastliny, ktoré to zvládnu. Takéto rastliny by ale neboli na jedenie, zasadli by sa do zamorenej pôdy “vytiahli” z nej PMA, následne sa vytrhali, bezpečne spracovali a my by sme získali dekontaminovanú pôdu. HD-PanelTitle-GrommetsCombined.png Príklady GMO potravín Len pár najznámejších. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Bt-kukurica •Bacillus thuringiensis produkuje protein Cry (δ-endotoxin), ktorý je selektívne škodlivý pre škodcov Lepidoptera, Diptera, Coleoptera. •Bt-insekticídy sú obľúbené medzi organickými farmármi, pretože sú to „prírodne insekticídy“ •Bt-kukurica bola vyrobená inzerciou génu cry, vďaka čomu si rastlina sama vyrába Cry proteín, čo výrazne znižuje potrebu používania insekticídov Samozrejme keď Bt-insekticídy na rastliny nasprejujete, padajú dole, takže musíte použiť oveľa vyššie dávky, ako keď si ich rastlina vyrába sama. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Bt-kukurica Kontrola Bt-kukurica Kontrola Kontrola HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Zlatá rýža •Odroda ryže geneticky upravená tak, aby produkovala veľké množstvá β-karoténu (provitamín A) •Bola vytvorená s humanitárnym zámerom: •Celosvetovo trpí ročne nedostatkom vitamínu A (VAD) 125 miliónov detí pod 5 rokov, pričom 250 – 500 tisíc detí ročne v jej následku oslepne. Viac ako polovica detí, ktoré oslepnú, do roka zomrie. •VAD tiež spôsobuje zhoršenú funkciu imunitného systému, anémiu a spomalený rast. •Zlatá ryža by dokázala tento problém vyriešiť, keďže už 60 g zlatej ryže denne (polka hrnčeka) obsahuje 60 % doporučenej dennej dávky (čínskej) pre deti vo veku 6-8 rokov. Čo je dostatočné množstvo na to, aby sa zabránilo VAD. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png VAD nieje problem rozvinutých krajín. Zlatá ryža by sa vôbec nepredávala u nás. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png “Because the two academic scientists who developed the original Golden Rice stipulated that it be made available to poor farmers for free, Syngenta, or any other corporation, does not own the intellectual property in developing countries and therefore cannot charge royalties. According to IRRI, the terms of the licenses in place in the Philippines and elsewhere ensure that Golden Rice varieties will cost no more than their conventional equivalents. This means that farmers will be able to save and replant Golden Rice seeds.” HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Niektoré organizácie majú ale so zlatou ryžou problem… HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Titulok “ táto ryža by mohla zachrániť million detí ročne … ale demonštranti veria, že geneticky modifikované potraviny sú zlé pre nás a plánetu” HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Pár rokov dozadu veľká skupina Nobelistov podpísala otvorený list Greenpeacu v ktorom ho vyzýva aby prestal bojkotovať GMO potraviny (a zlatú ryžu). Znenie listu sa dá prečítať napríklad tu “https://supportprecisionagriculture.org/nobel-laureate-gmo-letter_rjr.html” HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Dnes už spomínaný list podpísalo 155 držiteľov Nobelovej ceny (tý za Literatúru a mier medzi nich patria zriedka, inak to ale podpísal skoro každý nobelista, čo mohol). Inak povedané z pohľadu vedy je konsenzus jednoznačný, GMO sú bezpečné a majú potenciál priniesť obrovský úžitok. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Článok analýzujúci ekonomické následky nezavedenia zlatej ryže v Indií. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Autori spočítali, že len medzi rokmi 2004-2014 a v Indií malo za následok nezavedenie zlatej ryže stratu 1,4 miliónu rokov ľudského života. Odkaz na článok ak by to niekoho zaujímalo do detaliov: https://www.cambridge.org/core/journals/environment-and-development-economics/article/economic-powe r-of-the-golden-rice-opposition/F31EE0E5B6044B86B5223FF20C409158/core-reader HD-PanelContent-GrommetsCombined.png AquAdvantage® salmon •Vyvinutý v roku 1989 vložením jednej kópe opAFP-GHc2 konštruktu, ktorý obsahuje promotor zo Slimule americké (Zoarces americanus), za ktorým je umiestnený rastový hormón z Lososa čavyča (Oncorhynchus tshawytscha) •Narastie do požadovanej velkosti na predaj za 16-18 mesiacov v porovnaní s 3 rokmi, ktoré to trvá nemodifikovaným lososom •Na chov sa používaj triploidné sterilné samičky, ktoré majú navyše kvalitnejšie mäso, pretože nemusie investovať energiu na reprodukciu. •Fertilný samčekovia a samičky sú skladované v nádržiach, ktoré niesu v žiadnom kontakte s oceánom Je možné vyrobiť aj geneticky modifikované živočíchy. Kedže poptávka po lososoch je strašne veľká a ich rast normálne trvá dlho, rybolov výrazne ohrozuje populáciu divokých lososov. Toto je potenciálna cesta (hoci kontroverzná), ako lososov v prírode zachrániť. Ak budeme schopný vypestovať dosť lososov bezpečne vo vnútrozemských nádržiach, nebude sa ich musieť toľko loviť. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Možnosť genetických modifikácie zvierat je tiež vela. V Číne napríklad vyvinuli kravu produkujúcu ľudské mlieko – cieľom by bolo používať ho namiesto umelej výživy u detí žien, ktorým sa nespustila laktácia, a celkovo u detí, ktoré z nejakého dôvodu nemôžu byť kojené. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Ak si všimnete na prvom slide som písal, že tento losos bol vyvinutý už v roku 1989. Na trh sa ale dostal až v 2017. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Zhrnutie GMO •pozitíva •Principiálne rýchlejšie ako klasické metódy šľachtenia •Vieme presne, aké genetické zmeny nastali v modifikovanom organizme •Majú veľký potenciál byť ekonomickejšie, ekologickejšie a zdravšie ako alternatívy •Je nimi možné dosiahnuť aj zmeny, ktoré nie je možné vyšľachtiť „klasickými“ metódami • • negatíva •Často negatívny postoj verejnosti •Vyžadujú dobrú znalosť genetiky daného znaku •Pre neistotu úspešného zavedenia na trh sa často jedná o rizikovú investíciu • • • HD-PanelTitle-GrommetsCombined.png In vitro mäso (nie je GMO) Hudba budúcnosti, ale časom sa s tým vo vašej praxi možno stretnete. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Pestovať svalové bunky na Petriho miske je jednoduché a aj kopa výskumných skupín na kampuse to robí/zvládne. Prečo teda chovať napríklad celé kravy, keď by sme mohli narásť len mäso? Teoreticky by pestovanie mäsa in vitro mohlo byť lacnejšie, ekologickejšie a etickejšie, ako chovať celé zvieratá. Problém ale je “narásť” dostatočnú vrstvu buniek. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Ako približne by tvorba takého in vitro mäsa prebiehala. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Cena? •Prvé pokusy s tvorbou in vitro mäsa začali približne v roku 2000 •Prvý v laboratóriu vypestovaný hamburger bol verejne zjedený (počas nahrávania televíziou) v roku 2013 a jeho vypestovanie stálo 250 000 dolárov •Ceny výroby in vitro mäsa však prudko klesajú a je možné, že prvé komerčne predávané in vitro mäso sa na trhu v USA objaví už v blízkej dobe HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Zatiaľ ale stale žiadne in vitro mäso komerčne predávané nie je. Každopádne vývoj je veľký. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png (Tuomisto and Mattos, 2011) Porovnanie hypotetických nárokov pestovania in vitro mäsa s chovom zvierat. Evidentne by takýto prístup výrazne znížil náklady na plochu, ktorú produkcia mäsa vyžaduje. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png Zaujímavá stránka neexistujúce Bistra in vitro, ktorá ukazuje aké “zvláštne” veci, ktoré nie je možné spraviť z normálneho mäsa, by šli pripraviť z in vitro mäsa, Konzultovali to aj s vedcami a pri každom majú uvedené, ako ďaleko sme od realizácie niečoho takého. HD-PanelContent-GrommetsCombined.png