bélyegkép|300px|Zöld fluoreszcens proteint tartalmazó (két oldalt) és normális (középen) egér UV fényben A génsebészet (vagy génmódosítás, génmanipuláció) az élőlények genomjának mesterséges módosítása. Ennek során új géneket visznek be a genomba, eltávolítanak vagy módosítanak meglevőket, esetleg megváltoztatják kifejeződésüket. A bevitelt sok esetben erre a célra módosított plazmiddal vagy vírussal, úgynevezett vektorral végzik. Az első rekombináns DNS-molekulát Paul Berg állította elő 1972-ben két vírus DNS-ének kombinálásával. Az új DNS-szakasz beilleszthető véletlenszerűen, vagy célzottan a genom egy adott részébe is.
A génsebészettel módosított élőlényeket génmódosított organizmusoknak (GMO) nevezik. Az első génmódosított baktériumot 1973-ban, az első állatot 1974-ben hozták létre. Két évvel később már megalakult az első, géntechnológiát alkalmazó cég, a Genentech, amely terápiás felhasználású emberi fehérjék, először az inzulin termelését tűzte ki célul. Géntechnológiával módosított élelmiszereket 1994 óta forgalmaznak, amikor a Flavr Savr paradicsom piacra került. 2003-ban forgalomba került az első génmanipulált díszállat, a világító GloFish hal, 2016-ban pedig engedélyezték a gyorsított növekedésű lazac tenyésztését.
A génsebészetet számos területen alkalmazzák, többek között a kutatásban, az orvostudományban, az ipari biotechnológiában és a mezőgazdaságban. A kutatásban a GMO-kat elsősorban a génfunkció és a génexpresszió tanulmányozására használják. Egyes gének kiiktatásával vagy kicserélésével lehetővé válik az emberi betegségeket utánzó állati modellszervezetek létrehozása. A hormonok, vakcinák és egyéb gyógyszerek előállítása mellett a géntechnológia a génterápia révén az öröklődő betegségek gyógyítására is alkalmas. Ugyanazok a technológiák, amelyeket gyógyszerek előállítására használnak, ipari alkalmazásra is alkalmasak, többek között mosószerek, sajtok és más termékek gyártásánál szükséges enzimek termelésére.
A génmanipulált élőlények szabadföldi termesztése és élelmiszerként való felhasználása ellen a kezdetek óta tiltakoznak azok, akik szerint a technológia kockázatai nincsenek megfelelően kivizsgálva. Álláspontjuk szerint a genomba véletlenszerűen beillesztett idegen gének hatásait nem lehet előre tervezni, illetve a vadon élő állatokkal, növényekkel kereszteződve a GMO-k beszennyezik az őshonos élővilág génkészletét. Tiltakoztak a génmódosított élőlények szabadalmaztatása ellen is. Ezek az aggályok vezettek a géntechnológia szabályozásához, amely az asilomari konferencián elfogadott önkéntes moratóriummal kezdődött, majd nemzeti és nemzetközi törvényekkel szabták felhasználását jogi keretek közé. A GMO-k termeszthetőségében, forgalmazhatóságában máig igen nagy különbség van egyes országok, elsősorban az Egyesült Államok és az Európai Unió álláspontja között.
Áttekintés
A génsebészet segítségével megváltoztatják egy szervezet genetikai állományát azáltal hogy új DNS-szakaszt illesztenek bele, illetve kivágják vagy megváltoztatják a meglévő szekvenciákat. A hagyományos nemesítéstől eltérően – melyben többszöri keresztezéssel és szelekcióval terelik az organizmust a kívánt fenotípus felé – a génsebészet révén egy gén kivehető az egyik szervezetből és közvetlenül átrakható egy másikba. A folyamat nem csak jóval gyorsabb, de egymástól rendszertanilag igen távoli fajok (akár állatból növénybe vagy baktériumból gombába) között is működik és egyúttal precízebb is, elkerülhető vele a nemkívánatos gének átvitele.
A génmanipuláció által elvben lehetővé válik az ember súlyos genetikai betegségeinek gyógyítása, csak a hibás géneket kell kicserélni egy jól működővel. Nagy segítséget nyújthat a gének funkcióinak kutatásában is. A biotechnológiában a genetikailag módosított szervezetek gyógyszeralapanyagokat, vakcinákat és más hasznos anyagokat termelhetnek. A génmanipulált haszonnövények nagyobb termést hozhatnak, megnőhet a tápértékük, jobban alkalmazkodhatnak a kedvezőtlen környezeti hatásokhoz.
Az idegen DNS-t közvetlenül bejuttathatjuk a célszervezetbe vagy egy előzetes lépéssel egy másik sejtbe, amit aztán fuzionáltatunk vagy hibridizáltatunk a célsejttel. A bejuttatás történhet mikroinjekcióval, ún. génágyúval vagy vektorral (ami többnyire erre a célra módosított plazmid vagy vírus).
A génsebészet általában nem használja a hagyományos nemesítés olyan technikáit, mint az in vitro megtermékenyítés, poliploidia vagy random mutációk előidézése; de például a szelektív tenyésztést igen. A klónozás vagy őssejtkutatás, bár nem tartozik közvetlenül a génsebészet tárgykörébe, gyakran alkalmaz genetikailag módosított alapanyagot. A nemrég létrejött tudományág, a szintetikus biológia a génsebészetnél egy lépéssel tovább jutva mesterségesen szintetizált genetikai anyagokat visz be a célszervezetekbe.
A génsebészet által megváltoztatott növényeket, állatokat, mikroorganizmusokat összefoglaló néven génmódosított szervezeteknek (gyakran használt angol rövidítéssel GMO-nak) nevezik. Ha a gazdaszervezet egy másik fajból kapott genetikai anyagot, akkor azt transzgénikusnak hívjuk (ritkábban használt, de létező kifejezés a ciszgénikus, amit arra az organizmusra mondanak, amelyik a saját fajából vagy vele kereszteződő fajból kap gént). Ha a célszervezetből eltávolítanak egy gént, azt génkiütött (knockout) organizmusnak nevezik. Az európai terminológiában a génmódosítás azonos a génsebészettel, ám az Egyesült Államokban és Kanadában a génmódosítás kifejezést a hagyományos nemesítései eljárásokra is használhatják.Staff Biotechnology – Glossary of Agricultural Biotechnology Terms United States Department of Agriculture, "Genetic modification: The production of heritable improvements in plants or animals for specific uses, via either genetic engineering or other more traditional methods. Some countries other than the United States use this term to refer specifically to genetic engineering.", Retrieved 5 November 2012Staff (28 November 2005) Health Canada – The Regulation of Genetically Modified Food Glossary definition of Genetically Modified: "An organism, such as a plant, animal or bacterium, is considered genetically modified if its genetic material has been altered through any method, including conventional breeding. A 'GMO' is a genetically modified organism.", Retrieved 5 November 2012
Története Az emberek már évezredek óta módosítják más fajok genetikai állományát a mezőgazdaságban használt mesterséges szelekció által. A 20. században már vegyszerekkel vagy radioaktív és röntgensugárzással képesek voltak mesterségesen megnövelni a mutációs rátát, hogy a nemesítés számára megnöveljék a változatosságot. A mai értelemben vett genetikai manipuláció vagy génsebészet, a DNS közvetlen módosítása az 1970-es években született.
Az első rekombináns (több, különböző eredetű darabból összerakott) DNS-t az amerikai Paul Berg hozta létre az SV40 majomvírus és a baktériumok lambda fágjának genomjából. 1973-ban Herbert Boyer és Stanley Cohen antibiotikum-rezisztenciát kódoló gént illesztett az Escherichia coli baktérium plazmidjába és ezzel létrehozták az első transzgénikus élőlényt. Egy évvel később Rudolf Jaenisch idegen DNS-t juttatva egy egérembrióba létrehozta az első transzgénikus állatot. Ezekben a korai kísérletekben gyakran patogénekkel (vírusokkal, baktériumokkal) dolgoztak és sokan aggódni kezdtek, hogy új, veszélyes kórokozókat szabadíthatnak a világra. Ezért a téma vezető kutatói 1975-ben a kaliforniai Asilomarban megállapodtak, hogy a megfelelő biztonsági protokollok meghatározásáig tartózkodnak a veszélyes kísérletektől.
1976-ban Herbert Boyer és Robert Swanson megalapította az első génsebészeti technológiát alkalmazó céget, a Genentechet és egy évvel később már elkezdték az emberi szomatosztatin hormon termelését E. coli baktériumban. 1978-ban bejelentették, hogy az emberi inzulint is képesek biotechnológiai módszerrel előállítani. Négy évvel később megkapták az engedélyt a forgalmazására. 1980-ban az amerikai Legfelsőbb Bíróság úgy döntött, hogy a genetikailag módosított élőlényekre szabadalmi védelem kérhető.
1983-ban az Advanced Genetic Sciences engedélyt kapott, hogy megkezdje a genetikailag módosított Pseudomonas syringae tesztelését (ez a baktérium érzékennyé teszi az általa megfertőzött növényeket a fagykárra; a cég az ezért felelős gént iktatta ki), de ennek végrehajtását környezetvédő csoportok négy éven át megakadályozták. Végül 1987-ben a tesztek megkezdésével a P. syringae lett az első génmódosított organizmus, amelyet kiengedtek a környezetbe; bár a környezetvédő aktivisták az először kijelölt eper- és burgonyaföldeken elpusztították a növényeket.
Az első genetikailag módosított növények szabadföldi termesztésére 1986-ban került sor, az Egyesült Államokban és Franciaországban, amikor herbicidrezisztenssé tett dohánnyal végeztek kísérleteket. A transzgénikus növények tényleges, mezőgazdasági termesztését először Kínában kezdték el 1992-ben egy vírusrezisztens dohányfajtával. 1994 az amerikai Calgene engedélyt kapott az első GMO élelmiszer, a tovább eltartható Flavr Savr paradicsom forgalmazására. Európában a bromoxinil herbicidre rezisztens dohány volt az első, termesztésre engedélyezett haszonnövény (1994-ben). A következő évben az USÁ-ban engedélyt kapott a Monsanto NewLeaf burgonyája; ez volt az első olyan módosított haszonnövény, amely peszticidet (a Bacillus thuringiensis rovarölő toxinját) termelt. 2009-re 25 országban (a legnagyobb területen az Egyesült Államokban, Brazíliában, Argentínában, Indiában, Kanadában, Kínában, Paraguayban és Dél-Afrikában) 11-féle transzgénikus növényt vontak be a mezőgazdasági termelésbe.
2010-ben Craig Venter biotechnológiai vállalkozó bejelentette, hogy elkészítette a világ első szintetikus genomját, amelyet sikeresen beillesztettek egy DNS-étől megfosztott baktériumsejtbe. Az így létrehozott organizmus, a Mycoplasma laboratorium élet- és szaporodóképesnek bizonyult. Négy évvel később egy kutatócsoportnak sikerült két mesterséges nukleotiddal kibővíteni a genetikai ábécét (a közismert ATGC nukleotidokat) és baktériumon belül lemásoltatni az ezeket tartalmazó plazmidot. 2012-ben Jennifer Doudna és Emmanuelle Charpentier felfedezte a CRISPR/Cas9 rendszert, amellyel a korábbiaknál jóval precízebben lehet módosítani szinte bármely szervezet DNS-ét.
A génsebészet technikái
Egy génmódosított organizmus létrehozása bonyolult, többlépcsős folyamat. Először is el kell dönteni, hogy milyen tulajdonsággal akarják felruházni a szervezetet és azt melyik gén határozza meg (sok esetben ez alapkutatási feladat és a "génsebész" már kész adatokból dolgozik). Genetikai szűrővizsgálatokkal kiválasztják a legmegfelelőbb jelölteket. Ez a munka jóval egyszerűbbé vált, amióta rendelkezésre állnak a DNS-chipek, transzkriptomikai adatbázisok vagy a teljes genomszekvenciák. Sok esetben a szerencse is szerepet játszik, a Roundup Ready kukorica glifozátrezisztens génjét például úgy fedezték fel, hogy észrevettek egy, a herbicid jelenlétében is szaporodó baktériumot.
Génizoláció és klónozás