Genetische technologie, ook wel genetische modificatie of genetische manipulatie genoemd, is het door de mens handmatig en gericht veranderen van de genen van een organisme. Door middel van moleculaire technieken kan men stukjes DNA toevoegen, verwijderen of veranderen, met als doel bepaalde eigenschappen van een plant, dier of micro-organisme aan te passen. In tegenstelling tot klassieke veredeling, waarbij gewenst genetisch materiaal via kruising wordt overgedragen, biedt genetische technologie een veel directere en preciezere manier van ingrijpen in het erfelijk materiaal.
De ontwikkeling van gentechnologie begon in de jaren 1970. De chemicus Paul Berg creëerde het eerste recombinante DNA-molecuul door genetisch materiaal van twee verschillende virussen te combineren. Kort daarna slaagden onderzoekers erin het eerste genetisch gemodificeerde organisme (ggo) te ontwikkelen, een bacterie met ingebouwd vreemd DNA. Sinds 1994 kwamen genetisch gemodificeerde voedingsmiddelen op de markt, met als eerste de Flavr Savr-tomaat, die langzamer rijpte en daardoor langer houdbaar bleef.
Genetische technologie wordt sindsdien op grote schaal toegepast in de landbouw, bijvoorbeeld om gewassen resistent te maken tegen ziekten, insectenvraat of droogte. Ook in de medische wereld speelt het een belangrijke rol, onder meer bij de ontwikkeling van biotechnologische geneesmiddelen zoals antilichamen en bij fundamenteel onderzoek aan proefdieren. Micro-organismen kunnen genetisch aangepast worden om stoffen als insuline, vaccins of industriële enzymen te produceren. De mogelijkheden zijn breed en ontwikkelen zich snel, mede dankzij technieken als CRISPR/Cas, die genetische veranderingen goedkoper en efficiënter maken.
Overzicht Basisprincipes Genetische modificatie is het proces waarbij de genetische constitutie van een levend organisme wordt veranderd door DNA te verwijderen, toe te voegen of anderszins aan te passen. In tegenstelling tot het veredelen van planten of het fokken van dieren – waarbij men door middel van vele kruisingen selecteert op het gewenste uiterlijk of gedrag – berust genetische modificatie op directe interventie in het erfelijk materiaal. Men neemt het gen, dat verantwoordelijk is voor de gewenste eigenschap, rechtstreeks uit het ene organisme en brengt het over naar een ander. Dit is veel sneller, biedt grotere precisie, en voorkomt dat ongewenste genen mee worden overgedragen.
Genetische modificatie is een belangrijk onderzoeksinstrument dat wetenschappers gebruiken om de functie van specifieke genen te bestuderen, vaak in modelorganismen. Het biedt daarnaast een aantal krachtige toepassingen, met name in de industrie en landbouw. Micro-organismen kunnen zo worden gemodificeerd dat ze vaccins, geneesmiddelen of andere commerciële stoffen produceren. Daarnaast zijn er dankzij genetische modificatie gewassen ontwikkeld met verbeterde opbrengst, houdbaarheid en weerstand tegen ziekten, droogte, verzilting of insectenvraat.
Het knippen, plakken en wijzigen van DNA is een kerngegeven in de moderne biotechnologie. Het wordt in algemene zin ook wel aangeduid als recombinant-DNA-techniek. Hiertoe behoren verschillende standaardmethoden zoals moleculair kloneren, PCR, gerichte mutagenese en CRISPR-editing. Nadat het stukje DNA via deze methoden is aangepast, wordt het in een doelorganisme gebracht. Dit kan indirect gebeuren via een vector, zoals een plasmide of een virus, die het DNA in de cel aflevert. Ook kan het DNA-fragment direct in de cel worden geïntroduceerd, bijvoorbeeld via micro-injectie of elektroporatie.
Als onderzoeksveld Genetische technologie is een breed onderzoeksveld dat zich vanaf de jaren 2000 sterk heeft ontwikkeld. Het klonen van organismen en stamcelonderzoek vallen strikt genomen niet onder genetische technologie, maar zijn er nauw mee verwant en maken er soms gebruik van. Synthetische biologie is een opkomend vakgebied dat nog een stap verder gaat: hierbij construeert men volledig synthetisch genetisch materiaal om nieuwe levende systemen te ontwerpen.
Techniek De translatie van de genetische code gebeurt in alle organismen op dezelfde wijze: een gen dat in het ene organisme codeert voor een bepaald eiwit, codeert in een ander organisme voor eenzelfde eiwit. Hierdoor is het mogelijk om erfelijke eigenschappen van een soort naar een andere soort over te brengen. Het overbrengen van een eigenschap van de ene soort naar een andere soort noemt men transgenese. Als het gaat om soorteigen DNA spreekt men van cisgenese.Gentech. Plantenziektekunde.nl (jan 2022 bekeken). Gearchiveerd op 29 maart 2023.
Er zijn vele verschillende technieken om gentechnologie toe te passen. Deze technieken verschillen aanmerkelijk per organisme waarop ze worden toegepast (plant of dier) en of de genetische modificatie tijdelijk of blijvend is.
Het basisprincipe van alle verschillende technieken is in de grondslag hetzelfde en verloopt via een vast aantal stappen. Isolatie van het gen dat men wil aanpassen Het eventueel aanpassen van het geïsoleerde gen Overbrengen van het gen in een geschikte vector. Transformatie van de cel of het organisme dat men wil aanpassen. Selectie van de gemodificeerde organismen of cellen.
Isolatie Wanneer men een specifiek gen wil isoleren wordt eerst DNA uit de cellen van het organisme gehaald. Vervolgens kan men het gen waarin men geïnteresseerd is, identificeren op basis van de kennis die men vooraf van het gen heeft. Deze kennis kan men vaak halen uit cDNA- of gDNA-"bibliotheken". Met deze kennis kan men het gen vervolgens amplificeren door middel van de PCR-techniek.
Verdere aanpassingen Soms moet het geïsoleerde en geamplificeerde gen eerst worden aangepast voordat het kan worden ingebracht in een nieuw organisme. Introns worden vaak verwijderd, dit gaat als volgt: De eukaryotencellen hebben genen die vaak bestaan uit stukjes die aminozuren coderen, dit zijn de exonen. Maar er zijn ook stukjes die geen code bevatten, die dus niet gebruikt worden om een eiwit te coderen, dit zijn de introns.
Aan het begin van de streng wordt een aangepaste guanine-nucleotide geplakt. Aan het einde van de streng wordt een stukje van een lange reeks A-nucleotiden vastgeplakt. Deze twee stukjes zijn toegevoegd voor het transport van het mRNA naar het cytoplasma, en voor het koppelen aan de ribosomen wat nodig is voor de translatie. Enzymen zorgen ervoor dat de introns uit het RNA-molecuul worden gehaald, zodat de exonen aan elkaar verbonden worden; dit wordt ook wel splicing genoemd. De verwijderde introns worden afgebroken. Het aangepaste mRNA gaat vervolgens naar het cytoplasma voor de translatie. Maar het is ook mogelijk door promotorsequentie aan te brengen.
Vectoren Een vector dient als drager van het DNA zodat het geïsoleerde gen in een ander organisme gebracht kan worden. Dit kan een stukje circulair bacterieel DNA oftewel plasmide zijn, maar ook een virus, een liposoom of een goudkogeltje waarop het DNA geplakt zit.
Transformatie Wanneer het DNA beschikbaar is, kan de vector worden gebruikt om het DNA in te brengen in het organisme dat men wil veranderen. Dit uiteindelijke inbrengen van het DNA wordt de transformatie genoemd. De technieken die hiervoor gebruikt worden hangen af van de vector, het doelorganisme en efficiëntie die men uiteindelijk hoopt te behalen. Een simpele manier om te transformeren is bijvoorbeeld het "inschieten" van het DNA dat aan goudbolletjes gebonden is in een plantencel. Een voorbeeld van een ingewikkelder techniek die wel een hoger succespercentage geeft, is de bacteriële transformatie.
Selectie Nadat de transformatie is uitgevoerd zal die slechts in een gedeelte van de organismes daadwerkelijk gelukt zijn. Uiteindelijk is het dus zaak om de genetisch gemodificeerde organismen te scheiden van de organismen die het DNA niet hebben opgenomen. Om de geslaagde cellen te kunnen selecteren in het laboratorium worden markers, onder andere antibiotica resistente markers, aan het in te brengen gen gekoppeld.
Historie In 1944 boekten Amerikaanse wetenschappers voor het eerst succes door de eigenschappen van een bacterie te veranderen door DNA van een andere bacterie te geven. Een mijlpaal in de ontwikkeling van genetische modificatie was in 1974 de ontdekking dat de kroongalbacterie Agrobacterium tumefaciens een DNA-stukje van een plasmide overdroeg naar het plantengenoom van zijn gastheer en dat dit stukje DNA de plant dan aanzette tot de vorming van kroongallen op de wortels. Vanaf 1983 is het mogelijk om gewenste genen bij Agrobacterium tumefaciens in te brengen en deze zo in het genoom van de plant te brengen. In 1994 werd het eerste genetisch gemodificeerde voedsel in de VS op de markt gebracht. Het betrof het tomatenras 'Flavr Savr' met een langere houdbaarheid dan de toenmalig bestaande rassen. Twee jaar later werd zowel in de VS als in Engeland ggo-tomatenpuree geïntroduceerd.
Toepassingen Micro-organismen Transgene micro-organismen worden in fermenteervaten gekweekt voor de productie van verschillende stoffen, zoals citroenzuur, vitaminen, enzymen en geneesmiddelen zoals antibiotica, monoclonale antistoffen, vaccins, peptidehormonen en stollingsfactoren.
Geneesmiddelen Geneesmiddelen kunnen via de recombinant-DNA-techniek met behulp van gist worden geproduceerd. Het genoom van de gist Saccharomyces cerevisiae was een van de eerste genomen van een levend wezen dat geheel bekend was. Gist is een veelgebruikte soort bij genetische experimenten.
De stier Herman, maar ook geiten en schapen zijn met gentechnologie aangepast, zodat hun vrouwelijke nakomelingen bepaalde stoffen (zoals het menselijke serumalbumine) aanmaken in hun melk, die gebruikt kunnen worden voor medicinale doeleinden.De Boer H.A. et al, Generation of transgenic dairy cattle using 'in vitro' embryo production. Biotechnology (9): 844-7 (1991)
Planten kunnen via genetische modificatie worden gebruikt voor de productie van medicijnen. In de Verenigde Staten worden binnenkort deze planten geteeld en als eerste is een ggo van rijst voor dit doel nu toegelaten. In Nederland adviseert de Commissie genetische modificatie (Cogem) voedingsgewassen hiervoor nog niet te gebruiken in verband met risico's voor mens en dier.
Gentherapie
Gentherapie is een behandeling om erfelijke aandoeningen te genezen. Bij erfelijke aandoeningen is er sprake van een afwijkend of ontbrekend gen dat ziekteverschijnselen veroorzaakt. Bij gentherapie wordt een gezond gen in de lichaamscellen van de patiënt ingebracht. Het is niet altijd nodig dat dat in alle lichaamscellen gebeurt - dat zou gentherapie nagenoeg onmogelijk maken; bij de behandeling van bijvoorbeeld hemofilie is het voldoende om de cellen die bepaalde stollingsfactoren aanmaken te genezen. Een probleem bij deze vorm van behandeling is dat cellen, die een bepaald groot molecuul aanmaken dat voor de patiënt niet lichaamseigen is, meestal een afweerreactie zullen oproepen en worden vernietigd. Er zijn wereldwijd nog maar een paar zeer specifieke en zeldzame gevallen waarin gentherapie bij mensen enig succes heeft gehad. Ook zijn er gevallen waarin de patiënt aan de behandeling overleed.
In 1991 werd in Italië voor het eerst met enig succes gentherapie toegepast op een mens bij een bepaalde vorm van SCID (Severe Combined Immunodeficiency) en een jaar later in Londen. De behandeling bestond uit het vervangen van het niet-functionerende gen voor het enzym (ADA). Het werkende gen werd in lymfocyten ingebracht. De hiervan afkomstige bloedcellen produceren het ADA. De lymfocyten gaan na een paar maanden tot een jaar dood, zodat de behandeling herhaald moet worden. Daarom werd de behandeling later met stamcellen herhaald.
Voedselproductie Planten