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Können wir ein benutzerdefiniertes Gen/Protein erstellen?

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Ist es möglich, mit der aktuellen Technologie jedes gewünschte Gen oder Protein zu erstellen? Ich lasse mir eine Proteinsequenz oder eine Gensequenz von ca. 4000 bp auf meinem Computer aufschreiben, kann man sie trotzdem auf ein echtes Genmolekül oder Proteinmolekül "drucken" (zB Chemie und Enzyme und Automaten verwenden…) ? Was ist die Herausforderung?


Ja, es gibt etablierte Methoden, um DNA mit jeder gewünschten Sequenz zu synthetisieren. Mehrere kommerzielle Unternehmen akzeptieren die DNA-Sequenz (eine Textdatei) und generieren die DNA für Sie. Genscript zum Beispiel ist bekannt.

Die Synthese des Proteins kann etwas schwieriger sein, je nachdem, wie es aussieht und wofür Sie es haben möchten --- Proteine ​​sind viel heterogener als DNA. Es gibt kommerziell erhältliche zellfreie Proteinsynthesesysteme, die nützlich sein könnten, wenn Sie nur an einem Peptid interessiert sind. Die meisten Menschen exprimieren das interessierende Protein jedoch in kultivierten Zellen. In beiden Fällen gibt es einige biochemische Arbeiten, um das produzierte Protein zu reinigen. Genscript bietet auch Proteinsynthesedienste an. (Nein, ich werde nicht von denen bezahlt, habe nur nicht die Energie, andere Unternehmen zu googeln :)

In den meisten Fällen funktioniert dies gut, und mit ein wenig Feinabstimmung können Sie ziemlich große Mengen produzieren. Bei einigen Proteinen, deren Funktion von einer posttranslationalen Modifikation abhängt, kann die Expression jedoch schwierig sein: siehe Kann jedes Enzym hergestellt werden?


Das perfekte Baby entwickeln

Wenn jemand einen Weg gefunden hätte, ein gentechnisch verändertes Baby zu erschaffen, dachte ich, George Church würde davon wissen.

In seinem labyrinthartigen Labor auf dem Campus der Harvard Medical School finden Sie Forscher, die E coli ein neuartiger genetischer Code, der in der Natur noch nie gesehen wurde. Um eine andere Ecke führen andere einen Plan aus, um das Wollmammut mit Hilfe von DNA-Engineering wiederzubeleben. Sein Labor, sagt Church gerne, ist das Zentrum einer neuen technologischen Genese – einer, in der der Mensch die Schöpfung nach seinen Wünschen umbaut.

Als ich das Labor im vergangenen Juni besuchte, schlug Church mir vor, mit einem jungen Postdoktoranden namens Luhan Yang zu sprechen. Als Harvard-Rekrutin aus Peking war sie eine Schlüsselfigur bei der Entwicklung einer leistungsstarken neuen Technologie zur Bearbeitung von DNA namens CRISPR-Cas9. Mit Church hatte Yang ein kleines Biotechnologieunternehmen gegründet, um die Genome von Schweinen und Rindern zu entwickeln, nützliche Gene einzuschleusen und schlechte zu entfernen.

Während ich Yang zuhörte, wartete ich auf eine Gelegenheit, meine wirklichen Fragen zu stellen: Kann man Menschen so etwas antun? Können wir den menschlichen Genpool verbessern? Die Position eines Großteils der Mainstream-Wissenschaft war, dass eine solche Einmischung unsicher, unverantwortlich und sogar unmöglich wäre. Aber Yang zögerte nicht. Ja, natürlich, sagte sie. Tatsächlich hatte das Harvard-Labor ein Projekt im Gange, um herauszufinden, wie dies erreicht werden könnte. Sie klappte ihren Laptop auf, um eine PowerPoint-Folie mit dem Titel „Germline Editing Meeting“ zu sehen.

Hier war es: ein technischer Vorschlag zur Veränderung der menschlichen Vererbung. „Keimlinie“ ist der Fachjargon der Biologen für Eizelle und Sperma, die sich zu einem Embryo verbinden. Durch die Bearbeitung der DNA dieser Zellen oder des Embryos selbst könnte es möglich sein, Krankheitsgene zu korrigieren und diese genetischen Fixes an zukünftige Generationen weiterzugeben. Eine solche Technologie könnte verwendet werden, um Familien von Geißeln wie Mukoviszidose zu befreien. Es könnte auch möglich sein, Gene zu installieren, die einen lebenslangen Schutz vor Infektionen, Alzheimer und, wie Yang mir sagte, vielleicht den Auswirkungen des Alterns bieten. Solch geschichtsträchtige medizinische Fortschritte könnten für dieses Jahrhundert ebenso wichtig sein wie Impfstoffe für das letzte.

Das ist das Versprechen. Die Befürchtung ist, dass die Keimbahntechnik ein Weg zu einer Dystopie von Supermenschen und Designerbabys für diejenigen ist, die es sich leisten können. Willst du ein Kind mit blauen Augen und blonden Haaren? Warum nicht eine hochintelligente Gruppe von Menschen entwerfen, die die Führungskräfte und Wissenschaftler von morgen sein könnten?

Nur drei Jahre nach ihrer ersten Entwicklung wird die CRISPR-Technologie von Biologen bereits weit verbreitet als eine Art Such- und Ersetzungswerkzeug verwendet, um DNA sogar bis auf die Ebene eines einzelnen Buchstabens zu verändern. Es ist so präzise, ​​dass es zu einem vielversprechenden neuen Ansatz für die Gentherapie bei Menschen mit verheerenden Krankheiten werden soll. Die Idee ist, dass Ärzte beispielsweise in den Blutzellen eines Patienten mit Sichelzellenanämie direkt ein fehlerhaftes Gen korrigieren könnten (siehe „Genomchirurgie“). Aber diese Art der Gentherapie würde die Keimzellen nicht beeinflussen, und die Veränderungen in der DNA würden nicht an zukünftige Generationen weitergegeben.

Im Gegensatz dazu würden die genetischen Veränderungen durch die Keimbahntechnik weitergegeben, und das hat die Idee so verwerflich erscheinen lassen. Bisher haben Vorsicht und ethische Bedenken die Oberhand gehabt. Ein Dutzend Länder, nicht die Vereinigten Staaten, haben die Keimbahntechnik verboten, und wissenschaftliche Gesellschaften sind einstimmig zu dem Schluss gekommen, dass dies zu riskant wäre. Die Konvention der Europäischen Union zu Menschenrechten und Biomedizin sagt, dass die Manipulation des Genpools ein Verbrechen gegen die „Menschenwürde“ und die Menschenrechte wäre.

Aber all diese Erklärungen wurden gemacht, bevor es tatsächlich möglich war, die Keimbahn präzise zu konstruieren. Mit CRISPR ist es jetzt möglich.

Das von Yang beschriebene Experiment, wenn auch nicht einfach, würde wie folgt aussehen: Die Forscher hofften, von einem Krankenhaus in New York die Eierstöcke einer Frau zu erhalten, die sich einer Operation wegen Eierstockkrebses unterzog, die durch eine Mutation in einem Gen namens verursacht wurde BRCA1. In Zusammenarbeit mit einem anderen Harvard-Labor, dem des Anti-Aging-Spezialisten David Sinclair, würden sie unreife Eizellen extrahieren, die dazu gebracht werden könnten, im Labor zu wachsen und sich zu teilen. Yang würde CRISPR in diesen Zellen verwenden, um die DNA der BRCA1 Gen. Sie würden versuchen, eine lebensfähige Eizelle ohne den genetischen Fehler zu erzeugen, der den Krebs der Frau verursacht hat.

Yang erzählte mir später, dass sie kurz nach unserem Gespräch aus dem Projekt ausstieg. Dennoch blieb es schwierig zu wissen, ob das von ihr beschriebene Experiment stattfand, abgesagt wurde oder auf die Veröffentlichung wartete. Sinclair sagte, dass eine Zusammenarbeit zwischen den beiden Laboren im Gange sei, aber dann, wie mehrere andere Wissenschaftler, die ich nach Keimbahn-Engineering gefragt hatte, antwortete er nicht mehr auf meine E-Mails.

Unabhängig vom Schicksal dieses speziellen Experiments ist die menschliche Keimbahntechnik zu einem aufkeimenden Forschungskonzept geworden. Mindestens drei weitere Zentren in den Vereinigten Staaten arbeiten daran, ebenso Wissenschaftler in China, in Großbritannien und bei einem Biotechnologieunternehmen namens OvaScience mit Sitz in Cambridge, Massachusetts, das einige der weltweit führenden Fruchtbarkeitsärzte in seiner Beratung hat Planke.

All dies bedeutet, dass die Keimbahntechnik viel weiter ist, als man sich das vorstellen konnte.

Das Ziel dieser Gruppen ist es zu zeigen, dass es möglich ist, Kinder frei von spezifischen Genen zu zeugen, die an Erbkrankheiten beteiligt sind. Wenn es möglich ist, die DNA in der Eizelle einer Frau oder im Sperma eines Mannes zu korrigieren, könnten diese Zellen in einer Klinik für In-vitro-Fertilisation (IVF) verwendet werden, um einen Embryo und dann ein Kind zu produzieren. Es könnte auch möglich sein, die DNA eines IVF-Embryos im Frühstadium mit CRISPR direkt zu bearbeiten. Mehrere Personen interviewt von MIT-Technologie-Überprüfung sagte, dass solche Experimente bereits in China durchgeführt worden seien und dass Ergebnisse, die bearbeitete Embryonen beschreiben, zur Veröffentlichung anstehen. Diese Leute, darunter zwei hochrangige Spezialisten, wollten sich nicht öffentlich äußern, da die Papiere überprüft werden.

All dies bedeutet, dass die Keimbahntechnik viel weiter ist, als man sich das vorstellen konnte. „Was Sie meinen, ist ein großes Problem für die gesamte Menschheit“, sagt Merle Berger, eine der Gründerinnen von Boston IVF, einem Netzwerk von Fruchtbarkeitskliniken, das zu den größten der Welt gehört und jeweils mehr als tausend Frauen hilft, schwanger zu werden Jahr. "Es wäre das Größte, was jemals in unserem Bereich passiert ist." Berger sagt voraus, dass die Reparatur von Genen, die an schweren Erbkrankheiten beteiligt sind, eine breite öffentliche Akzeptanz finden wird, sagt jedoch, dass die Idee, die Technologie darüber hinaus zu verwenden, einen öffentlichen Aufruhr auslösen würde, weil „jeder das perfekte Kind haben möchte“: Die Menschen könnten die Augenfarbe und schließlich die Intelligenz auswählen . „Das sind Dinge, über die wir ständig reden“, sagt er. "Aber wir hatten noch nie die Gelegenheit dazu."

Embryonen bearbeiten

Wie einfach wäre es, einen menschlichen Embryo mit CRISPR zu bearbeiten? Ganz einfach, sagen Experten. „Jeder Wissenschaftler mit molekularbiologischen Fähigkeiten und Kenntnissen in der Arbeit mit [Embryonen] wird dies tun können“, sagt Jennifer Doudna, Biologin an der University of California, Berkeley, die 2012 mitentdeckte, wie man CRISPR, um Gene zu bearbeiten.

Um herauszufinden, wie es gehen könnte, besuchte ich das Labor von Guoping Feng, einem Biologen am McGovern Institute for Brain Research des MIT, wo eine Kolonie von Weißbüschelaffen gegründet wird, um mithilfe von CRISPR genaue Modelle menschlicher Gehirnerkrankungen zu erstellen . Um die Modelle zu erstellen, wird Feng die DNA von Embryonen bearbeiten und sie dann in weibliche Weißbüschelaffen übertragen, um lebende Affen zu produzieren. Ein Gen, das Feng bei den Tieren zu verändern hofft, ist SCHAFT3. Das Gen ist daran beteiligt, wie Neuronen kommunizieren, wenn es bei Kindern beschädigt ist, und es ist bekannt, dass es Autismus verursacht.

Feng sagte, dass es vor CRISPR nicht möglich war, präzise Veränderungen in die DNA eines Primaten einzuführen. Bei CRISPR sollte die Technik relativ einfach sein. Das CRISPR-System umfasst ein Gen-snipping-Enzym und ein Leitmolekül, das so programmiert werden kann, dass es auf einzigartige Kombinationen der DNA-Buchstaben A, G, C und T abzielt, um diese Inhaltsstoffe in eine Zelle zu bringen und das Genom an der Stelle zu zerschneiden und zu modifizieren gezielte Websites.

Aber CRISPR ist nicht perfekt – und es wäre ein sehr willkürlicher Weg, menschliche Embryonen zu bearbeiten, wie Fengs Bemühungen, geneditierte Weißbüschelaffen zu erschaffen, zeigen. Um das CRISPR-System bei den Affen anzuwenden, injizieren seine Schüler die Chemikalien einfach in ein befruchtetes Ei, das als Zygote bekannt ist – das Stadium kurz bevor es beginnt, sich zu teilen.

Feng sagte, dass die Effizienz, mit der CRISPR ein Gen in einer Zygote löschen oder deaktivieren kann, bei etwa 40 Prozent liegt, während spezifische Änderungen oder der Austausch von DNA-Buchstaben seltener funktionieren – eher 20 Prozent der Zeit. Wie ein Mensch hat ein Affe zwei Kopien der meisten Gene, eine von jedem Elternteil. Manchmal werden beide Kopien bearbeitet, manchmal aber auch nur eine oder keine. Nur etwa die Hälfte der Embryonen führt zu Lebendgeburten, und von denen, die dies tun, könnten viele eine Mischung aus Zellen mit und ohne bearbeitete DNA enthalten. Wenn Sie die Chancen zusammenzählen, müssen Sie 20 Embryonen bearbeiten, um einen lebenden Affen mit der gewünschten Version zu erhalten.

Für Feng ist das kein unüberwindbares Problem, denn die MIT-Zuchtkolonie wird ihm Zugang zu vielen Affeneiern verschaffen und er wird in der Lage sein, viele Embryonen zu erzeugen. Es würde jedoch beim Menschen offensichtliche Probleme mit sich bringen. Die Inhaltsstoffe von CRISPR in einen menschlichen Embryo einzubringen, wäre wissenschaftlich trivial. Aber für viel wäre es noch nicht praktikabel. Dies ist einer der Gründe, warum viele Wissenschaftler ein solches Experiment (ob es nun wirklich in China stattgefunden hat oder nicht) mit Verachtung betrachten und es eher als provokativen Versuch ansehen, Aufmerksamkeit zu erregen, denn als echte Wissenschaft. Rudolf Jaenisch, ein Biologe am MIT, der gegenüber von Feng arbeitet und in den 1970er Jahren die ersten genmodifizierten Mäuse kreierte, nennt Versuche, menschliche Embryonen zu bearbeiten, „völlig verfrüht“. Er hofft, dass diese Papiere abgelehnt und nicht veröffentlicht werden. „Das ist einfach eine Sensation, die aufrütteln wird“, sagt Jaenisch. „Wir wissen, dass es möglich ist, aber ist es von praktischem Nutzen? Ich bezweifle es irgendwie."

Feng seinerseits sagte mir, er befürworte die Idee der Keimbahntechnik. Ist es nicht das Ziel der Medizin, Leiden zu lindern? Angesichts des Stands der Technik glaubt er jedoch, dass die tatsächlichen genetisch veränderten Menschen „10 bis 20 Jahre entfernt“ sind. CRISPR kann unter anderem Off-Target-Effekte einführen oder Teile des Genoms weit von dem entfernt, wo die Wissenschaftler es beabsichtigten, verändern. Jeder heute mit CRISPR veränderte menschliche Embryo birgt das Risiko, dass sein Genom auf unerwartete Weise verändert wurde. Aber, sagte Feng, könnten solche Probleme irgendwann ausgebügelt werden und bearbeitete Menschen werden geboren. „Für mich ist es auf lange Sicht möglich, die Gesundheit dramatisch zu verbessern und die Kosten zu senken. Es ist eine Art Prävention“, sagte er. „Es ist schwer, die Zukunft vorherzusagen, aber die Korrektur von Krankheitsrisiken ist definitiv eine Möglichkeit und sollte unterstützt werden. Ich denke, es wird Realität.“

Eier bearbeiten

Anderswo in der Gegend von Boston untersuchen Wissenschaftler einen anderen Ansatz zur Manipulation der Keimbahn, der technisch anspruchsvoller, aber wahrscheinlich leistungsfähiger ist. Diese Strategie kombiniert CRISPR mit sich entfaltenden Entdeckungen im Zusammenhang mit Stammzellen. Wissenschaftler mehrerer Zentren, darunter auch Church, gehen davon aus, dass sie bald in der Lage sein werden, Stammzellen zur Herstellung von Eizellen und Spermien im Labor zu verwenden. Im Gegensatz zu Embryonen können Stammzellen gezüchtet und vermehrt werden. Somit könnten sie eine stark verbesserte Möglichkeit bieten, mit CRISPR bearbeitete Nachkommen zu erzeugen. Das Rezept geht so: Bearbeiten Sie zunächst die Gene der Stammzellen. Zweitens, verwandeln Sie sie in eine Eizelle oder ein Sperma. Drittens produzieren Sie einen Nachwuchs.

Einige Investoren erhielten am 17. Dezember im Benjamin Hotel in Manhattan bei kommerziellen Präsentationen von OvaScience einen frühen Einblick in die Technik. Das vor vier Jahren gegründete Unternehmen hat sich zum Ziel gesetzt, die wissenschaftliche Arbeit von David Sinclair, der in Harvard ansässig ist, und Jonathan Tilly, Experte für Eistammzellen und Vorsitzender der Biologieabteilung der Northeastern University (siehe „10 Emerging Technologies: Egg Stem Cells“, Mai/Juni 2012). Es machte die Präsentationen im Rahmen einer erfolgreichen Anstrengung, im Januar 132 Millionen US-Dollar an neuem Kapital zu beschaffen.

Während des Treffens sprach Sinclair, ein Australier mit samtiger Stimme, der Zeit im vergangenen Jahr als einer der „100 einflussreichsten Menschen der Welt“ ausgezeichnet, stand auf dem Podium und gab der Wall Street einen Einblick in das, was er als „wirklich weltverändernde“ Entwicklungen bezeichnete. Die Menschen würden auf diesen Moment zurückblicken und ihn als ein neues Kapitel darin erkennen, "wie Menschen ihren Körper kontrollieren", sagte er, weil es Eltern bestimmen ließe, "wann und wie sie Kinder bekommen und wie gesund diese Kinder tatsächlich werden". Sein."

Das Unternehmen hat seine Stammzelltechnologie nicht perfektioniert – es hat nicht berichtet, dass die im Labor gezüchteten Eier lebensfähig sind – aber Sinclair sagte voraus, dass funktionelle Eier „ein Wann und kein Wenn“ sind. Sobald die Technologie funktioniert, werden unfruchtbare Frauen in der Lage sein, Hunderte von Eizellen und vielleicht Hunderte von Embryonen zu produzieren. Mithilfe der DNA-Sequenzierung zur Analyse ihrer Gene konnten sie die gesündesten auswählen.

Auch genetisch verbesserte Kinder sind möglich. Sinclair erzählte den Investoren, dass er versuche, die DNA dieser Ei-Stammzellen durch Gen-Editierung zu verändern, eine Arbeit, von der er mir später erzählte, dass er sie mit Churchs Labor durchführte. „Wir glauben, dass die neuen Technologien mit Genome Editing es ermöglichen werden, sie bei Personen einzusetzen, die nicht nur daran interessiert sind, IVF zu verwenden, um Kinder zu bekommen, sondern auch gesündere Kinder haben, wenn es in ihrer Familie eine genetische Krankheit gibt“, sagte Sinclair dem Investoren. Er nannte als Beispiel die Huntington-Krankheit, die durch ein Gen verursacht wird, das selbst bei jemandem, der nur eine Kopie erbt, eine tödliche Gehirnerkrankung auslöst. Sinclair sagte, dass Gen-Editing verwendet werden könnte, um den tödlichen Gendefekt aus einer Eizelle zu entfernen. Sein Ziel und das von OvaScience ist es, „diese Mutationen zu korrigieren, bevor wir Ihr Kind erzeugen“, sagte er. "Es ist noch experimentell, aber es gibt keinen Grund zu erwarten, dass es in den kommenden Jahren nicht möglich sein wird."

Sinclair telefonierte kurz mit mir, während er in einem Taxi durch ein verschneites Boston fuhr, aber später verwies er meine Fragen an OvaScience. Als ich OvaScience kontaktierte, sagte Cara Mayfield, eine Sprecherin, dass die Führungskräfte aufgrund ihrer Reisepläne keine Stellungnahme abgeben könnten, bestätigte jedoch, dass das Unternehmen an der Behandlung von Erbkrankheiten durch Gen-Editierung arbeite. Überraschend war für mich, dass die Forschung von OvaScience zum „Überqueren der Keimbahn“, wie Human Engineering-Kritiker manchmal sagen, kaum Beachtung gefunden hat. Im Dezember 2013 kündigte OvaScience sogar an, 1,5 Millionen US-Dollar in ein Joint Venture mit einem Unternehmen für synthetische Biologie namens Intrexon zu investieren, dessen Forschungs- und Entwicklungsziele die Genbearbeitung von Eiern umfassen, um „die Ausbreitung“ menschlicher Krankheiten „in zukünftigen Generationen“ zu verhindern.

Als ich Tilly in Northeastern erreichte, lachte er, als ich ihm erzählte, warum ich anrief. „Das wird ein heißes Thema“, sagte er. Tilly sagte auch, sein Labor versuche, Ei-Stammzellen „jetzt“ mit CRISPR zu bearbeiten, um sie von einer erblichen genetischen Krankheit zu befreien, die er nicht nennen wollte. Tilly betonte, dass es „zwei Teile des Puzzles“ gibt – eines sind Stammzellen und das andere Gen-Editing. Die Fähigkeit, eine große Anzahl von Ei-Stammzellen zu erzeugen, ist entscheidend, denn nur mit großen Mengen können genetische Veränderungen mit CRISPR stabil eingeführt, durch DNA-Sequenzierung charakterisiert und vor der Produktion einer Eizelle sorgfältig auf Fehler untersucht werden.

Tilly sagte voraus, dass die gesamte End-to-End-Technologie – Zellen zu Stammzellen, Stammzellen zu Sperma oder Ei und dann zu Nachkommen – zuerst an Tieren wie Rindern entweder von seinem Labor oder von Unternehmen wie z als eGenesis, das Spin-off des Church-Labors, das an Nutztieren arbeitet. Aber er ist sich nicht sicher, was der nächste Schritt mit bearbeiteten menschlichen Eiern sein soll. Sie würden nicht "willy nilly" befruchten wollen, sagte er. Du würdest einen potentiellen Menschen erschaffen. Und das würde Fragen aufwerfen, die er nicht beantworten kann. Er sagte mir: „‚Kannst du das?‘ ist eine Sache. Wenn Sie können, kommen die wichtigsten Fragen. 'Würdest du es tun? Warum willst du es tun? Was ist der Zweck?‘ Als Wissenschaftler wollen wir wissen, ob es machbar ist, aber dann kommen wir zu den größeren Fragen, und es ist keine wissenschaftliche Frage – es ist eine Gesellschaftsfrage.“

Verbesserung des Menschen

Wenn die Keimbahntechnik Teil der medizinischen Praxis wird, könnte dies zu transformativen Veränderungen des menschlichen Wohlbefindens führen, mit Folgen für die Lebensdauer, Identität und Wirtschaftsleistung der Menschen. Aber es würde ethische Dilemmata und soziale Herausforderungen schaffen. Was wäre, wenn diese Verbesserungen nur den reichsten Gesellschaften oder den reichsten Menschen zur Verfügung stünden? Ein In-vitro-Fertilitätsverfahren kostet in den USA etwa 20.000 US-Dollar. Fügen Sie Gentests und Eizellspende oder eine Leihmutter hinzu, und der Preis steigt in Richtung 100.000 US-Dollar.

Andere halten die Idee für zweifelhaft, weil sie medizinisch nicht notwendig ist. Hank Greely, Anwalt und Ethiker an der Stanford University, sagt, die Befürworter „können nicht wirklich sagen, wofür es gut ist“. Das Problem, sagt Greely, ist, dass es bereits möglich ist, die DNA von IVF-Embryonen zu testen und gesunde Embryonen auszuwählen, ein Prozess, der die Kosten eines Fruchtbarkeitsverfahrens um etwa 4.000 US-Dollar erhöht. Ein Mann mit Huntington zum Beispiel könnte sein Sperma verwenden, um ein Dutzend Eizellen seines Partners zu befruchten. Die Hälfte dieser Embryonen hätte nicht das Huntington-Gen, und diese könnten verwendet werden, um eine Schwangerschaft zu beginnen.

In der Tat bestehen einige Leute darauf, dass die Keimbahntechnik mit „falschen Argumenten“ vorangetrieben wird. Das ist die Ansicht von Edward Lanphier, CEO von Sangamo Biosciences, einem kalifornischen Biotechnologieunternehmen, das mit einer anderen Gen-Editing-Technik namens Zinkfinger-Nukleasen versucht, HIV bei Erwachsenen zu behandeln, indem es ihre Blutzellen verändert. „Wir haben [Keimlinien-Engineering] nach einem Krankheitsgrund untersucht, und es gibt keinen“, sagt er. "Du kannst es schaffen. Aber es gibt wirklich keinen medizinischen Grund. Die Leute sagen, nun, wir wollen keine Kinder, die damit geboren werden oder damit geboren werden – aber das ist ein völlig falsches Argument und ein schlüpfriger Hang zu viel inakzeptablen Verwendungen.“

Kritiker berufen sich auf viele Befürchtungen. Kinder würden Gegenstand von Experimenten sein. Eltern würden durch genetische Werbung von IVF-Kliniken beeinflusst. Die Keimbahntechnik würde die Verbreitung angeblich überlegener Eigenschaften fördern. Und es würde Menschen treffen, die noch nicht geboren sind, ohne dass sie dem zustimmen können. Die American Medical Association ist zum Beispiel der Ansicht, dass Keimbahn-Engineering „derzeit“ nicht durchgeführt werden sollte, weil sie „das Wohlergehen zukünftiger Generationen beeinflusst“ und „unvorhersehbare und irreversible Ergebnisse“ verursachen könnte. Aber wie viele offizielle Erklärungen, die eine Veränderung des Genoms verbieten, datieren die AMAs, die zuletzt 1996 aktualisiert wurden, vor der heutigen Technologie. „Viele Leute haben diesen Aussagen einfach zugestimmt“, sagt Greely. "Es war nicht schwer, auf etwas zu verzichten, was man nicht tun konnte."

Die Angst? Eine Dystopie von Superleuten und Designerbabys für alle, die es sich leisten können.

Andere sagen voraus, dass schwer zu widerlegende medizinische Anwendungen identifiziert werden. Ein Paar mit mehreren genetischen Erkrankungen gleichzeitig kann möglicherweise keinen geeigneten Embryo finden. Die Behandlung von Unfruchtbarkeit ist eine weitere Möglichkeit. Manche Männer produzieren keine Spermien, ein Zustand, der Azoospermie genannt wird. Eine Ursache ist ein genetischer Defekt, bei dem auf dem Y-Chromosom eine Region von etwa einer Million bis sechs Millionen DNA-Buchstaben fehlt. Es könnte möglich sein, einem solchen Mann eine Hautzelle zu entnehmen, sie in eine Stammzelle zu verwandeln, die DNA zu reparieren und dann Sperma herzustellen, sagt Werner Neuhausser, ein junger österreichischer Arzt, der seine Zeit zwischen dem Bostoner IVF-Fertilitätsklinik-Netzwerk aufteilt und Harvards Stammzellinstitut. „Das wird die Medizin für immer verändern, oder? Sie könnten Unfruchtbarkeit heilen, das ist sicher“, sagt er.

Ich habe in den letzten Monaten mehrmals mit Church telefoniert, und er hat mir gesagt, was alles antreibt, ist die „unglaubliche Besonderheit“ von CRISPR. Obwohl noch nicht alle Details ausgearbeitet sind, glaubt er, dass die Technologie DNA-Buchstaben im Wesentlichen ohne Nebenwirkungen ersetzen könnte. Er sagt, dies mache es "verlockend, es zu benutzen". Church sagt, sein Labor konzentriert sich hauptsächlich auf Experimente mit technischen Tieren. Er fügte hinzu, dass sein Labor keine menschlichen Embryonen herstellen oder bearbeiten würde, und nannte einen solchen Schritt „nicht unseren Stil“.

Der Stil der Kirche ist menschliche Verbesserung. Und er plädiert dafür, dass CRISPR mehr kann, als Krankheitsgene zu eliminieren. Es kann zu einer Vergrößerung führen. Bei Treffen, an denen einige Gruppen von „Transhumanisten“ beteiligt sind, die an den nächsten Schritten der menschlichen Evolution interessiert sind, zeigt Church gerne eine Folie, auf der er natürlich vorkommende Varianten von etwa 10 Genen auflistet, die, wenn Menschen mit ihnen geboren werden, außergewöhnliche Eigenschaften oder Resistenz verleihen Krankheit. Einer macht Ihre Knochen so hart, dass sie einen chirurgischen Bohrer brechen. Ein anderer senkt das Herzinfarktrisiko drastisch. Und isländische Forscher fanden eine Variante des Gens für das Amyloid-Vorläuferprotein oder APP, um vor Alzheimer zu schützen. Menschen mit ihm erkranken nie an Demenz und bleiben bis ins hohe Alter scharf.

Church glaubt, dass CRISPR verwendet werden könnte, um Menschen mit günstigen Versionen von Genen zu versorgen, indem DNA-Editierungen vorgenommen werden, die als Impfstoffe gegen einige der häufigsten Krankheiten dienen würden, mit denen wir heute konfrontiert sind. Obwohl er mir sagte, dass alles „unangekündigte“ nur Erwachsenen angetan werden sollte, die einwilligen können, ist es für ihn offensichtlich, dass je früher solche Eingriffe erfolgen, desto besser.

Church neigt dazu, Fragen zu genetisch veränderten Babys auszuweichen. Die Idee, die menschliche Spezies zu verbessern, hatte schon immer „enorm schlechte Presse“, schrieb er in der Einleitung zu Regeneration, sein 2012 erschienenes Buch über synthetische Biologie, dessen Cover ein Gemälde von Eustache Le Sueur war, das einen bärtigen Gott zeigt, der die Welt erschafft. Aber genau das schlägt er vor: Verbesserungen in Form von Schutzgenen. „Es wird argumentiert, dass die ultimative Prävention darin besteht, dass die Prävention umso besser ist, je früher man geht“, sagte er im vergangenen Frühjahr einem Publikum im Media Lab des MIT. „Ich denke, es ist die ultimative Vorbeugung, wenn Wir kommen an den Punkt, an dem es sehr kostengünstig, extrem sicher und sehr vorhersehbar ist.“ Church, der eine weniger vorsichtige Seite hat, sagte dem Publikum, dass er denke, dass die Veränderung der Gene „an den Punkt gelangen wird, an dem es so ist, als würden Sie das Äquivalent einer Schönheitsoperation durchführen“.

Einige Denker sind zu dem Schluss gekommen, dass wir die Chance, unsere Spezies zu verbessern, nicht verpassen sollten. „Das menschliche Genom ist nicht perfekt“, sagt John Harris, Bioethiker an der Universität Manchester in Großbritannien. „Es ist ethisch zwingend, diese Technologie positiv zu unterstützen.“ In gewisser Weise steht die öffentliche Meinung der USA der Idee nicht besonders negativ gegenüber. Eine Umfrage von Pew Research, die im vergangenen August durchgeführt wurde, ergab, dass 46 Prozent der Erwachsenen die genetische Veränderung von Babys genehmigten, um das Risiko schwerer Krankheiten zu verringern.

Die gleiche Umfrage ergab, dass 83 Prozent der Befragten sagten, dass genetische Veränderungen, um ein Baby klüger zu machen, „den medizinischen Fortschritt zu weit führen würden“. Andere Beobachter sagen jedoch, dass ein höherer IQ genau das ist, was wir in Betracht ziehen sollten. Nick Bostrom, ein Oxford-Philosoph, der vor allem für sein Buch aus dem Jahr 2014 bekannt ist Superintelligenz, die Warnungen über die Risiken künstlicher Intelligenz in Computern auslöste, hat auch untersucht, ob Menschen Reproduktionstechnologie nutzen könnten, um den menschlichen Intellekt zu verbessern. Obwohl die Art und Weise, wie Gene die Intelligenz beeinflussen, noch nicht gut verstanden ist und es viel zu viele relevante Gene gibt, um ein einfaches Engineering zu ermöglichen, trüben solche Realitäten die Spekulationen über die Möglichkeit einer Hightech-Eugenik nicht.

„Das menschliche Genom ist nicht perfekt. Es ist ethisch zwingend erforderlich, diese Technologie positiv zu unterstützen.“

Was wäre, wenn alle ein bisschen schlauer sein könnten? Oder könnten ein paar Leute viel schlauer sein? Selbst eine kleine Anzahl von „super-erweiterten“ Individuen, schrieb Bostrom in einem Papier aus dem Jahr 2013, könnte die Welt durch ihre Kreativität und Entdeckungen und durch Innovationen, die alle anderen nutzen würden, verändern. Seiner Ansicht nach ist die genetische Verbesserung ein wichtiges langfristiges Thema wie der Klimawandel oder die Finanzplanung von Nationen, „da die menschliche Fähigkeit zur Problemlösung ein Faktor bei jeder Herausforderung ist, vor der wir stehen“.

Für einige Wissenschaftler bedeutet der explosive Fortschritt der Genetik und Biotechnologie, dass die Keimbahntechnik unvermeidlich ist. Sicherheitsfragen stehen natürlich im Vordergrund. Bevor es ein genetisch verändertes Baby gibt, das „Mama“ sagt, müssten Tests an Ratten, Kaninchen und wahrscheinlich auch Affen durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass sie normal sind. Aber letztendlich, wenn der Nutzen die Risiken zu überwiegen scheint, würde die Medizin das Risiko eingehen. „Bei der IVF war es zu Beginn genauso“, sagt Neuhausser. „Wir wussten nie wirklich, ob dieses Baby mit 40 oder 50 Jahren gesund sein würde. Aber jemand musste den Sprung wagen.“

Weinland

Im Januar, am Samstag, den 24. Januar, reisten rund 20 Wissenschaftler, Ethiker und Rechtsexperten ins kalifornische Napa Valley zu einem Retreat zwischen den Weinbergen im Carneros Inn. Sie waren von Doudna einberufen worden, der Berkeley-Wissenschaftlerin, die vor etwas mehr als zwei Jahren das CRISPR-System mitentdeckte. Ihr war bewusst geworden, dass Wissenschaftler möglicherweise daran dachten, die Keimbahn zu überschreiten, und sie machte sich Sorgen. Jetzt wollte sie wissen: konnten sie aufgehalten werden?

„Wir als Wissenschaftler haben erkannt, dass CRISPR unglaublich mächtig ist. Aber das schwankt in beide Richtungen. Wir müssen sicherstellen, dass es sorgfältig angewendet wird“, sagte mir Doudna. „Das Thema ist vor allem die Keimbahn-Bearbeitung durch den Menschen und die Erkenntnis, dass dies jetzt eine Fähigkeit in jedermanns Hand ist.“

Bei dem Treffen war zusammen mit Ethikern wie Greely Paul Berg, ein Stanford-Biochemiker und Nobelpreisträger, der dafür bekannt ist, die Asilomar-Konferenz organisiert zu haben, ein historisches Forum von 1975, auf dem Biologen eine Einigung über den sicheren Umgang mit rekombinanter DNA, der neuen entdeckte Methode zum Spleißen von DNA in Bakterien.

Sollte es ein Asilomar für die Keimbahntechnik geben? Doudna glaubt das, aber die Aussichten auf einen Konsens scheinen düster. Die biotechnologische Forschung ist heute global und umfasst Hunderttausende von Menschen. Es gibt keine einzige Autorität, die für die Wissenschaft spricht, und keine einfache Möglichkeit, den Geist wieder in die Flasche zu stecken. Doudna erzählte mir, sie hoffe, dass, wenn amerikanische Wissenschaftler einem Moratorium für die Manipulation der menschlichen Keimbahn zustimmen würden, dies Forscher in anderen Teilen der Welt dazu bringen könnte, ihre Arbeit einzustellen.

Doudna sagte, sie sei der Meinung, dass eine selbst auferlegte Pause nicht nur für die Herstellung von genmanipulierten Babys gelten sollte, sondern auch für die Verwendung von CRISPR zur Veränderung menschlicher Embryonen, Eier oder Spermien – wie es Forscher von Harvard, Northeastern und OvaScience tun. „Ich glaube nicht, dass diese Experimente jetzt in menschlichen Zellen, die sich in eine Person verwandeln könnten, geeignet sind“, sagte sie mir. „Ich bin der Meinung, dass die Forschung, die jetzt durchgeführt werden muss, darin besteht, Sicherheit, Wirksamkeit und Lieferung zu verstehen. Und ich denke, diese Experimente können in nichtmenschlichen Systemen durchgeführt werden. Ich würde mir wünschen, dass noch viel mehr Arbeit geleistet wird, bevor es für die Keimbahnbearbeitung erledigt ist. Ich würde einen sehr vorsichtigen Ansatz bevorzugen.“

Nicht alle sind sich einig, dass die Keimbahntechnik eine so große Sorge ist oder dass Experimente mit Vorhängeschlössern versehen werden sollten. Greely stellt fest, dass es in den Vereinigten Staaten haufenweise Vorschriften gibt, um zu verhindern, dass sich die Laborwissenschaft in absehbarer Zeit in ein genetisch verändertes Baby verwandelt. „Ich würde die Sicherheit nicht als Entschuldigung für ein nicht sicherheitsbasiertes Verbot verwenden wollen“, sagt Greely, der sich gegen die Rede von einem Moratorium zurücklehnt. Er sagt aber auch, dass er zugestimmt hat, Doudnas Brief zu unterzeichnen, der nun den Konsens der Gruppe widerspiegelt. „Obwohl ich dies nicht als Krisenmoment betrachte, denke ich, dass es wahrscheinlich an der Zeit ist, dass wir diese Diskussion führen“, sagt er.

(Nachdem dieser Artikel im März online veröffentlicht wurde, erschien Doudnas Leitartikel in Wissenschaft (sehen Wissenschaftler fordern einen Gipfel zu genmanipulierten Babys.) Zusammen mit Greely, Berg und 15 anderen forderte sie ein weltweites Moratorium für alle Bemühungen, CRISPR zur Generierung geneditierter Kinder zu verwenden, bis die Forscher feststellen könnten, „welche klinischen Anwendungen, wenn überhaupt, in Zukunft als zulässig erachtet werden könnten. ” Die Gruppe befürwortete jedoch die Grundlagenforschung, einschließlich der Anwendung von CRISPR auf Embryonen. Die endgültige Liste der Unterzeichner enthielt Church, obwohl er nicht am Napa-Treffen teilnahm.)

Als sich die Nachricht von Keimbahnexperimenten verbreitet hat, haben einige Biotechnologieunternehmen, die jetzt an CRISPR arbeiten, erkannt, dass sie Stellung beziehen müssen. Nessan Bermingham ist CEO von Intellia Therapeutics, einem Bostoner Startup, das im vergangenen Jahr 15 Millionen US-Dollar gesammelt hat, um CRISPR zu gentherapeutischen Behandlungen für Erwachsene oder Kinder zu entwickeln. Er sagt, dass die Keimbahntechnik „nicht auf unserem kommerziellen Radar steht“, und er schlägt vor, dass sein Unternehmen seine Patente nutzen könnte, um zu verhindern, dass jemand es kommerzialisiert.

„Die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen“, sagt er. „Es ist nicht angebracht, dass die Leute auch nur über Keimbahnanwendungen nachdenken.“

Bermingham sagte mir, er hätte nie gedacht, dass er so bald Stellung zu gentechnisch veränderten Babys beziehen müsste. Die Veränderung der menschlichen Vererbung war schon immer eine theoretische Möglichkeit. Plötzlich ist es ein echter. Aber ging es nicht immer darum, unsere eigene Biologie zu verstehen und zu kontrollieren – um Meister über die Prozesse zu werden, die uns erschaffen haben?

Doudna says she is also thinking about these issues. “It cuts to the core of who we are as people, and it makes you ask if humans should be exercising that kind of power,” she told me. “There are moral and ethical issues, but one of the profound questions is just the appreciation that if germ-line editing is conducted in humans, that is changing human evolution.” One reason she feels the research should slow down is to give scientists a chance to spend more time explaining what their next steps could be.


] - Genetic Engineering Gizmo BIO2

What are some things that can damage a farmer’s crops?

What can farmers do to protect their crops?

Gizmo Warm-up Many farmers use chemical ​ herbicides ​ to kill weeds and ​ Insektizide ​ to kill insects. Using ​ Gentechnik ​, scientists have developed ways to resist harmful crop pests. In the ​ Genetic Engineering ​ Gizmo, you will use genetic engineering techniques to create ​ genetisch veränderte ​ ​corn.

Check that ​ Task 1 ​ is selected. The Gizmo shows petri dishes that contain different strains of bacteria (white dots) and caterpillars (Lepidoptera sp. larvae). In the first challenge, your goal is to find bacteria that produce

toxins that kill the caterpillars. Click ​ Spiel ​ ( ).

Which strains of bacteria were able to kill Lepidoptera sp. larvae?

Were some more effective than others? Erklären.

Some bacteria are able to produce a toxin that kills Lepidoptera sp. Larven. Find out which gene is responsible for this toxin in the next step.

poor weather, bacteria, and diseases

Add pesticides and insecticides to keep insects away.

Some caterpillars were killed might have left bacteria

Some were more effective could have been because of the bacterias strength

Introduction: ​ Lepidoptera sp. larvae (caterpillars) eat corn kernels, leaves, and stalks. In this activity, use genetic engineering techniques to create a corn plant that is resistant to caterpillars.

Question: How can we produce corn that is resistant to Lepidoptera sp. larvae?

  1. Observe​: Click ​ Spiel ​. Select one of the strains of bacteria harmful to larvae (by clicking on the plate).

Which strain did you select?

  1. Investigate​: Click ​ Weitermachen ​. The screen now shows the ​ Genom ​, or set of genes, of the selected bacteria. One of these genes produces the protein that kills the caterpillars. You will test each gene by adding it to the genome of a bacteria that does not kill caterpillars. This process is called ​ Transformation ​.

Drag three genes into the Petri dishes at lower right. These genes are now inserted into the genomes of the sensitive bacteria in the plates. Press ​ Spiel ​. If none of those genes help to kill the caterpillars, click Zurücksetzen ​ and try three other genes. When you find a gene that kills the caterpillars, click on the Petri dish to select the gene that confers resistance.

Which gene did you select?

In reality, finding a gene with a desired trait is much less common. Scientists search through many more bacterial strains and potential genes to find the traits they are looking for.

  1. Observe​: Click ​ Weitermachen ​. ​ Promoters ​ are regions of DNA that initiate the ​ Transkription ​ ​of a gene. Some promoters only work in specific types of cells, such as leaf cells or root cells.

To determine which cells of a corn plant a promoter works in, four promoters have been attached to the Green Fluorescent Protein ​ (GFP) gene. Each promoter-GFP gene has been inserted into a corn plant. Select ​ Lights off ​ to see the parts of each plant glow green and fill in the table below.

Caterpillar-resistant corn

● Click ​ Zurücksetzen ​( ) and check that ​ Task 1 ​ is selected in the dropdown menu.

Strain 2 and 4 other strains Leipdoteras died.

Promoter Glowing plant part(s) Gene Glowing plant part(s) 1 roots and leaves 3 roots 2 leaves 4 leaves

Which promoter is active in only the leaves? 1,3 In the whole plant? 1

Introduction: ​ Coleoptera sp. larvae are immature beetles. They feed on corn plant roots. Your goal in this challenge is to create corn that is resistant to Coleoptera sp. Larven.

Question: How can we produce corn that is resistant to Coleoptera sp. larvae?

  1. Investigate​: Using the Gizmo, select a bacterial strain that kills Coleoptera and determine the gene that will be used to develop resistance in the corn. Which choices did you make?

Click ​ Weitermachen ​ to move on to the “Choose promoter” step.

  1. Hypothesize​: Turn the room lights off. Beetle larvae attack the roots of corn plants. Based on this, which
  1. Apply​: Knowing that the new corn strain will be eaten by humans, which promoter might be safer to use, and why?

Select this promoter and click ​ Weitermachen ​.

  1. Observe​: Select a corn callus that you think will work and click ​ Weitermachen ​. On the next screen, add Coleoptera sp. larvae to each plant and click ​ Spiel ​.

A. Describe the control plant and the transformed plant.

B. Select ​ Show statistics ​and ​ Submit for review ​. Is the experimental plant resistant to Coleoptera sp. larvae?

Beetle grub-resistant corn

Get the Gizmo ready​: ● Click ​ Start again ​ to reset the Gizmo. ● Select ​ Aufgabe 2 ​ in the dropdown menu.

Bacterial strain: 1 Gene: A

promoters do you think would be effective against beetles? 1

It looks the healthiest and cleanest. Also it seems it can handle any beetles surviving.

Control plant seems quite healthy where the transformed plant corn looks brown.

pest population control is one transformed is 4. Corn yield control is 95 and transformed is 5.

  1. Explore​: Click ​ Zurück ​ and select a corn callus in which the new gene (blue bar) is inserted in the middle of an existing gene (green bar).

A. Click ​ Weitermachen ​. Grow the experimental plant with and without larvae. What do you observe?

B. Click ​ Zurück ​ and choose another callus in which an existing gene is disrupted. What do you observe?

Note that these are dramatic examples of mutations. Complex organisms often have many genes that can perform similar functions, so disrupting one gene may not cause a noticeable change to the phenotype of the plant.

  1. Explore​: Click the ​ Zurück ​ button twice until the ​ Choose promoter ​ step is shown. Use the Gizmo to test the effectiveness of each promoter.

Which promoters were effective in creating beetle-resistant corn, and why?

  1. Explore​: Click ​ Start again ​. This time, choose a bacterial strain in step 1 that only kills some of the larvae. Grow the experimental plant in the presence and absence of larvae.

How does this plant compare to the plant you created in part 4 of this activity?

  1. Think and discuss​: What are some of the possible benefits of creating insect-resistant corn, and what are some of the possible drawbacks? If possible, discuss your answer with your classmates and teacher.

The transform plant corn is still brown and roots of plant are slanted the control looks pretty he

callus two look pretty healthy on both sides.

promoter 2,3,4 because neither have brown corn

this section brown corn was evolved

It protects the corn from being eaten by insects. This corn may be more expensive.

Experiment​: Go back two steps and experiment with different promoters. Can any of the other promoters be used to create a resistant corn plant? Warum oder warum nicht?

Analyze​: What are some of the benefits of growing herbicide-resistant corn?

Analyze​: Are there any possible drawbacks to having an herbicide-resistant corn plant?

Think and discuss:​ Herbicides and insecticides can be bad for the environment. Insecticides could harm beneficial insects like bees, and both herbicides and insecticides can contaminate nearby rivers and streams.

A. What are some of the possible environmental benefits of GM crops?

B. What are some of the possible environmental problems that can be caused by GM crops?

C. What are some of the potential risks to humans and animals that eat GM crops?

Prometer 2, Callus 1 gives a 2% difference between control and transformed plant. The control plant led up to 95% con yield and transform was 93%.

It helps preserve the corn and keeps the insects away.

The chemicals in herbicide could lead to a possible reaction to human beings consuming the corn.

longer shelf life on the food, nutritional content can improve, and more health benefits such as protein.


What if sideline rage could be nipped in the bud with a quick genetic test that told Mom and Dad what sports &ndash if any &ndash Junior could master? The Boulder, Colo., company Atlas Sports Genetics today began selling just that sort of product: for $149, it says it will screen for variants of the gene ACTN3, which in elite-level athletes is associated with the presence of the muscle protein alpha-actinin-3. The protein helps muscles contract powerfully at high speeds, which may explain why the combination of ACTN3 variants that produce it has been found in Olympic sprinters.

The company's president, Kevin Reilly, tells ScientificAmerican.com that parents shouldn&rsquot view the test as the final word on whether their child will excel at a particular sport. But, he says, it is more useful than physical tests in determining a child's athletic abilities before age 9.

At that age, "they don&rsquot have the physical maturity and motor skills to do well," Reilly says. "That&rsquos where the genetic test can come in [handy] for looking for early indicators of talent in performance areas.

"It&rsquos a question of their motivation. Das ist ein tool, not das tool," he says of consumers. "If they're relying on the genetic test as the only performance indicator to tell whether they will do good or bad in sports, they're going to be disappointed, because it's not for that purpose. If it&rsquos a tool along with other components, you can use it to select what may be the best sport for you or for a child."

It takes about three weeks to get the results of the saliva test, which looks for three combinations of ACTN3 genes, with a child getting one variant from his mother and one from his father. (Reilly says that the Atlas Genetics screen is the only one commercially available in the U.S. that tests for fitness-related genes.) Kids who have two copies of the X variant from both parents don&rsquot make alpha-actinin-3, and might excel at endurance sports such as cross-country skiing, distance running or swimming, according to the company's Web site. Those with one copy of the X variant and one of the R variant will make some protein, Reilly says, and may excel at endurance or "power" sports such as soccer or cycling. And children with two copies of the R variant will make more alpha-actinin-3, setting them up for possible achievement in power or endurance sports including football, weight-lifting or sprinting.

We asked Stephen Roth, an assistant professor of exercise physiology, aging and genetics at the University of Maryland in College Park, to explain what is and isn&rsquot known about the relationship between DNA and sports performance. Roth is a co-author of the Human Gene Map for Performance and Health-Related Fitness Phenotypes, a catalog of genes associated with sports-related fitness. The map was last published in 2006 in Medicine and Science in Sports and Exercise, a journal of the American College of Sports Medicine. The new edition will be available shortly.

This is an edited transcript.

To what extent do genes determine athletic ability?

Nobody knows the answer for sure and it depends on how specifically you define athletic ability. Most research suggests that genetics contribute significantly to sports performance, but it's very hard to put a number on. It's very hard to quantify football performance, for example. Most studies look at very specific endpoints: how much a gene contributes to muscle strength or maximal aerobic capacity, because those endpoints are very easy to measure from a research standpoint. If you try to parse it out, as much as 50 percent of muscle strength is determined by genetic factors.

The question is, what does that mean? To say there's some sort of heritable component to a trait tells us something can be passed on in a family that can contribute to performance, but what are the specific genes? How important, how predictive are those genes? We have no idea what is going on when it comes down to it. Some people are just genetically gifted, but we have just scratched the surface in defining what we mean by genetic advantage.

How many genes play a role in sports talent?

Wir wissen es nicht. I'm a co-author on a review published every few years where we catalog genes that have been studied in relation to performance. There are 200 genes we are cataloging as having some positive association with fitness-related performance &hellip and there are 20,000 genes in the genome, so we're scratching the surface in relation to those studied.

Are those genetic factors just related to muscle strength, or do they show a variety of factors that are related to athleticism?

A wide range of factors. Because sports performance is so complex, we find muscle strength measures to metabolism performance measures or cardiovascular performance measures.

Atlas Sports Genetics is marketing tests for variants of the ACTN3 gene. Are there tests that pick up whether a person has other fitness-related genes?

ACTN3 is probably the most convincing of the genes studied so far, the most consistently associated [with sports-related fitness]. People who are the XX genotype do not have alfa-actinin-3 in their muscles. The idea is that in people who are lacking this protein, their muscles won't work as well and that will prevent them from reaching the upper echelon of power performance. That&rsquos been indicated in a number of studies. But is the association about muscle fatigue? Contractile strength? As research starts to delve into these more refined traits, we don&rsquot feel confident saying how the XX genotype is contributing to performance.

Another gene is ACE, which has been studied in relation to endurance performance. But the more these genes are studied, the messier the literature becomes. ACE is the most studied and is still a gene of interest, but we're trying to figure out if it's important and how &mdash and the same question is reflected in ACTN3, but not reflected in ads for the test.

The ACE studies are more conflicting. It was originally argued that people with the II variant would be better at endurance and those with the DD variant would be better at strength. But the findings are not as consistent. When you break it down, we don&rsquot see a clear story for how it would be working. If it does have a role, it&rsquos a much smaller role than originally thought. There are larger question marks around ACE that would make it harder to sell as a test.

What can the results of the ACTN3 test tell us?

The results do tell you whether you have this protein in your muscle. That is clear. We have no idea if it contributes to performing at anything but an elite level. Even there, there are contradictions. We have very little information that it affects kids' performance. You may have a disadvantage in sprint performance, but it's likely you'll never see it except at an Olympic level. What 6- or 8-year-old cares about that?

Besides genetic testing, is DNA being used in other ways to promote athleticism?

The major issues out there are gene screening and whether we can predict performance or somehow tailor workout or training programs to particular people or select the sports they participate in in advance. The other is whether we can alter a genetic profile to enhance their performance. It's very similar to gene therapy in medicine. It hasn&rsquot been successful in medicine and never studied in sports performance. It&rsquos a real ethical dark zone, because there are medical concerns even pursuing it and no evidence that it would really work. Anti-doping societies have come out against it. It is definitely a concern. Technology is being developed in the medical arena. It won't take long for someone to push it in the sports world.


China's failed gene-edited baby experiment proves we're not ready for human embryo modification

The team used CRISPR on human embryos in a bid to render them resistant to HIV infection. But instead, they generated different mutations, about which we know nothing. Bildnachweis: Shutterstock

More than a year ago, the world was shocked by Chinese biophysicist He Jiankui's attempt to use CRISPR technology to modify human embryos and make them resistant to HIV, which led to the birth of twins Lulu and Nana.

Now, crucial details have been revealed in a recent release of excerpts from the study, which have triggered a series of concerns about how Lulu and Nana's genome was modified.

CRISPR is a technique that allows scientists to make precise edits to any DNA by altering its sequence.

When using CRISPR, you may be trying to "knock out" a gene by rendering it inactive, or trying to achieve specific modifications, such as introducing or removing a desired piece of DNA.

Gene editing with the CRISPR system relies on an association of two proteins. One of the proteins, called Cas9, is responsible for "cutting" the DNA. The other protein is a short RNA (ribonucleic acid) molecule which works as a "guide" that brings Cas9 to the position where it is supposed to cut.

The system also needs help from the cells being edited. DNA damage is frequent, so cells regularly have to repair the DNA lesions. The associated repair mechanisms are what introduce the deletions, insertions or modifications when performing gene editing.

How the genomes of Lulu and Nana were modified

Jiankui and his colleagues were targeting a gene called CCR5, which is necessary for the HIV virus to enter into white blood cells (lymphocytes) and infect our body.

One variant of CCR5, called CCR5 Δ32, is missing a particular string of 32 "letters" of DNA code. This variant naturally occurs in the human population, and results in a high level of resistance to the most common type of HIV virus.

Jankui's team wanted to recreate this mutation using CRISPR on human embryos, in a bid to render them resistant to HIV infection. But this did not go as planned, and there are several ways they may have failed.

First, despite claiming in the abstract of their unpublished article that they reproduced the human CCR5 mutation, in reality the team tried to modify CCR5 nah dran to the Δ32 mutation.

As a result, they generated different mutations, of which the effects are unknown. It may or may not confer HIV resistance, and may or may not have other consequences.

Worryingly, they did not test any of this, and went ahead with implanting the embryos. This is unjustifiable.

A second source of errors could have been that the editing was not perfectly efficient. This means that not all cells in the embryos were necessarily edited.

When an organism has a mixture of edited and unedited cells, it is called a "mosaic." While the available data are still limited, it seems that both Lulu and Nana are mosaic.

This makes it even less likely that the gene-edited babies would be resistant to HIV infection. The risk of mosaicism should have been another reason not to implant the embryos.

Moreover, editing can have unintended impacts elsewhere in the genome.

When designing a CRISPR experiment, you choose the "guide" RNA so that its sequence is unique to the gene you are targeting. However, "off-target" cuts can still happen elsewhere in the genome, at places that have a similar sequence.

Jiankui and his team tested cells from the edited embryos, and reported only one off-target modification. However, that testing required sampling the cells, which were therefore no longer part of the embryos—which continued developing.

Thus, the remaining cells in the embryos had not been tested, and may have had different off-target modifications.

This is not the team's fault, as there will always be limitations in detecting off-target and mosaicism, and we can only get a partial picture.

However, that partial picture should have made them pause.

Above, we have described several risks associated with the modifications made on the embryos, which could be passed on to future generations.

Embryo editing is only ethically justifiable in cases where the benefits clearly outweigh the risks.

Technical issues aside, Jiankui's team did not even address an unmet medical need.

While the twins' father was HIV-positive, there is already a well-established way to prevent an HIV-positive father from infecting embryos. This "sperm washing" method was actually used by the team.

The only benefit of the attempted gene modification, if proven, would have been a reduced risk of HIV infection for the twins later in life.

But there are safer existing ways to control the risk of infection, such as condoms and mandatory testing of blood donations.

Implications for gene editing as a field

Gene editing has endless applications. It can be used to make plants such as the Cavendish banana more resistant to devastating diseases. It can play an important role in the adaptation to climate change.

In health, we are already seeing promising results with the editing of somatic cells (that is, non-heritable modifications of the patient's own cells) in beta thalassemia and sickle cell disease.

However, we are just not ready for human embryo editing. Our techniques are not mature enough, and no case has been made for a widespread need that other techniques, such as preimplantation genetic testing, could not address.

There is also much work still needed on governance. There have been individual calls for a moratorium on embryo editing, and expert panels from the World Health Organisation to UNESCO.

Yet, no consensus has emerged.

It is important these discussions move in unison to a second phase, where other stakeholders, such as patient groups, are more broadly consulted (and informed). Engagement with the public is also crucial.

This article is republished from The Conversation under a Creative Commons license. Lesen Sie den Originalartikel.


Recombinant Protein Definition

Rekombinantes Protein is a manipulated form of protein, which is generated in various ways to produce large quantities of proteins, modify gene sequences and manufacture useful commercial products. The formation of recombinant protein is carried out in specialized vehicles known as vectors. Recombinant technology is the process involved in the formation of recombinant protein.

Rekombinantes Protein is a protein encoded by a gene — recombinant DNA — that has been cloned in a system that supports expression of the gene and translation of messenger RNA (see expression system). Modification of the gene by recombinant DNA technology can lead to expression of a mutant protein. Proteins coexpressed in bacteria will not possess post-translational modifications, e.g. phosphorylation or glycosylation eukaryotic expression systems are needed for this.

Recombinant DNA (rDNA) molecules are DNA sequences that result from the use of laboratory methods (molecular cloning) to bring together genetic material from multiple sources, creating sequences that would not otherwise be found in biological organisms. Recombinant DNA is possible because DNA molecules from all organisms share the same chemical structure they differ only in the sequence of nucleotides within that identical overall structure. Consequently, when DNA from a foreign source is linked to host sequences that can drive DNA replication and then introduced into a host organism, the foreign DNA is replicated along with the host DNA.
Proteins that result from the expression of recombinant DNA within living cells are termed recombinant proteins. When recombinant DNA encoding a protein is introduced into a host organism, the recombinant protein will not necessarily be produced. Expression of foreign proteins requires the use of specialized expression vectors and often necessitates significant restructuring of the foreign coding sequence.

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Can we create custom gene/protein? - Biologie

In 1978, Genentech scientist Dennis Kleid toured a factory in Indiana where insulin was being made from pigs and cattle. “There was a line of train cars filled with frozen pancreases,” he says. At the time, it took 8,000 pounds of pancreas glands from 23,500 animals to make one pound of insulin. Diabetics lack this hormone, which regulates the amount of glucose in the blood. The manufacturer, Eli Lilly, needed 56 million animals per year to meet the increasing U.S. demand for the drug. They had to find a new insulin alternative, fast.

Genentech had the expertise to make synthetic human insulin—in laboratories, from bacteria, using their recently-proven recombinant DNA technology. But could they make enough of the miniscule insulin molecules to replace these trainloads of pancreases and provide an alternative option for people living with diabetes? The scientists would have to coax the bacteria to produce insulin from the synthetic DNA at high enough concentrations to make an economically viable product. This meant that each bacteria needed to churn out so much of the protein per cell that wenn they could do it, they’d look like stuffed olives under a microscope. If not, Genentech’s work would have ended as a scientific curiosity, with no new option for diabetics.

I don’t want to hear that word, impossible. tell me what you need to get it done.

Kleid didn’t think they could get that kind of yield. He told Genentech founder, Bob Swanson, flat-out that it couldn’t be done. But Swanson refused to accept it. “I don’t want to hear that word, impossible,” he told Kleid. “Tell me what you need to get it done.”

The high-stakes, high-pressure race to create synthetic insulin had started over a year earlier. Eli Lilly, the main U.S. producer of insulin, had set the stage by signing contracts with competing institutions to bioengineer the hormone. Already, Harvard and the University of California, San Francisco (UCSF) had been working on rat versions of the insulin gene. With only twelve employees, Genentech joined the race against the biggest research institutions in the world—a David against a pack of Goliaths.

But the company was scrappy and imbued with Swanson’s can-do drive. After Genentech had proven the success of its biotechnology by synthesizing somatostatin in tiny amounts, Swanson had been able to raise another round of funding. He hired a team and began to outfit an airfreight warehouse in South San Francisco with a lab. Among the first to join the company were two scientists—Kleid, an organic chemist who’d been working on cloning DNA at Stanford Research Institute, and his colleague David Goeddel. The team—including scientists Roberto Crea, Arthur Riggs, and Keiichi Itakura—hit the ground running, working around the clock to be the first team to synthesize human insulin. Since the Genentech lab wasn’t yet up and running, Goeddel and Kleid commuted from their Bay Area homes to a lab in the City of Hope National Medical Center in Los Angeles. “Dave was the early person, and I was the night person,” Kleid says. They hardly slept, ate, or saw their families. “We kept the experiment going 24 hours a day.”

The stakes were high. First, there was pressure from investors: if Genentech wasn’t able to synthesize insulin, “there would be no more company,” as Kleid put it. And it wasn’t going to pay to come in second. “You either came in first or you might as well be last,” Goeddel later said.

The first challenge for the Genentech team was to improve upon the gene-splicing technique they’d developed with somatostatin on the more challenging insulin molecule, which has 51 amino acids instead of 14. And because of insulin’s more complex structure, they also needed two chains of insulin-encoding DNA working efficiently in two different bacteria instead of one. The scientists had to synthesize the genes by chemically linking together snips of DNA sequences and then stitch those genes into the plasmids—the rings of DNA found inside cells—and transplant them into benign E. coli bacteria. With powerful gene control elements, this would hijack the machinery the bacteria normally used to produce their own proteins to churn out the two insulin chains. The last step—after harvesting, isolating, and purifying these insulin protein chains—was to chemically combine the two chains to form the complete insulin molecule, identical to the one produced by the human pancreas.

The team kept running into setbacks, but continued to push ahead. Kleid remembers how intensely he and Goeddel worked. “Every time I see Tiger Woods, I think of Dave Goeddel,” he says. “He’s concentrating so hard, every shot he makes is going to be the best shot he’s done in his life. That’s the way Dave is.” Finally, in the early hours of August 21, 1978, Goeddel succeeded in reconstituting the two amino acid chains into one molecule: human insulin.

With only twelve employees, Genentech joined the race against the biggest research institutions in the world – a David against a pack of Goliaths.

It was an extraordinary moment, not only for Genentech, but for the history of medicine and the future of biotechnology. When Goeddel told the rest of the team the news, they were elated. Kleid likened the feeling to finishing a marathon. “You’re pretty much exhausted when you get to the line, and it takes a while for it to soak in that you actually won the race.”

The scientists scraped together enough of the insulin for Eli Lilly to conduct clinical trials, in which they found that not only was the synthetic insulin as effective as its chemically identical human twin, it eliminated the allergies that the animal-derived product caused in some diabetics.

But their work wasn’t done yet. After that huge moment of accomplishment, Kleid’s prediction about the low insulin yield held true. The team still had to figure out how to get the bacteria to produce enough insulin—50 times the yield—to meet the demand that had been met by those train cars full of animal pancreases. Eventually, with the help of Genentech scientists including Herbert Heyneker, Dan Yansura and Giuseppie Miozzari, they discovered a powerful control gene that, at the right moment, instructed the plasmids to reproduce in large quantities, filling the bacteria with the precious insulin peptides. It took another two years beyond their initial success to finally complete their mission.

In 1982, the FDA approved human insulin and it was on the market by 1983. Since then, millions of people have used the medicine, and it has almost completely replaced insulin created from animals.

“It was the thing I’m most proud of,” says Kleid. “We had all these statistics that there wasn’t going to be enough insulin to go around unless we made this technology work. And we did.”

1 Goeddel DV, Kleid DG, Bolivar F, Heyneker HL, Yansura DG, Crea R, Hirose T, Kraszewski A, Itakura K and Riggs AD. Proz. Natl. Akad. Wissenschaft Vereinigte Staaten von Amerika 1979 Jan76(1):106-10.

Laura Fraser

Laura Fraser is a San Francisco-based journalist and the New York Times-bestselling author of three books of nonfiction.


Snapshots


7 genetically modified animals that glow in the dark

1. Sheep Good news, nighttime shepherds: Sheep can now glow in the dark. Well, technically, only nine of the wooly animals can. And they're in Uruguay.

When these sheep were born in October 2012, scientists at the Animal Reproductive Institute of Uruguay immediately injected them with a green protein found in the Aequorea Victoria jellyfish. As the sheep grew, they looked and acted like any other four-legged balls of fluff, except that they gave off a greenish glow after being exposed to certain ultraviolet light. Check 'em out:

Typically, these green fluorescent proteins are used to monitor the activity of altered genes. They have proved to be of great help in the study of diseases. In fact, the method's scientific pioneers were awarded the Nobel Prize for chemistry in 2008. In the case of these sheep, scientists hope that one day they'll be able to use this sort of procedure to create animals with super health-boosting milk. Here, a look back at the radiant animals at the center of these genetic studies throughout the last decade.

This endeavor was actually an artistic one. Eduard Kac is an artist known to use genetic engineering techniques to create unique living works of art. In May 2000, Kac introduced the world to his "GFP bunny," an albino rabbit named Alba that glowed fluorescent when exposed to blue light. Alba was actually just one component of the project, which was also supposed to include a public debate about the practice of manipulating genes in animals for research. Kac wanted to conclude the project by taking Alba home to live with his family. A research institute in France actually created the rabbit for Kac — the florescent jellyfish protein was injected into a fertilized rabbit egg — and later hesitated over releasing the animal due to protests from animal rights groups over Alba's very creation. The scientists also claimed that they never agreed for Kac to take the bunny home. Two years after Alba was born, and long before Alba could make her trip to the states, the unique rabbit died — an abrupt end to the battle between science and art.

In 2008, scientists in Taiwan claimed to have a world first: Pigs that glowed from the inside out. While other researchers had bred partially fluorescent pigs, these genetically modified pigs had not only glowing skin and eyes, but also organs, including the heart. Scientists added DNA from fluorescent jellyfish to more than 260 pig embryos, which were then implanted into eight different sows, four of which became pregnant. The result was three male piglets whose eyes, teeth, and snouts had a slightly greenish tint during the day, but would glow entirely green in the dark after being introduced to a blue light.

Newborn transgenic marmosets Kei (left) and Kou, and their feet under ultraviolet light. (AP Photo/Erika Sasaki)

In this 2009 study, the same jellyfish DNA injection was used, but for different purposes. Scientists in Japan wanted to see if the jellyfish gene was inherited by the second generation of a genetically modified monkey. The team at the Central Institute for Experimental Animals in Kawasaki, Japan, added a fluorescent gene to the marmoset embryos, which were then transferred into surrogate females who produced five live births. All of the modified marmosets carried the genes in their body. When they produced offspring, two passed the fluorescent gene onto their young. This was the first time a genetically modified animal passed such genes down a generation. Researchers said it could be a major step in understanding Parkinson's and motor neuron disease.

5. Hunde

A 3-month-old beagle glows in the dark under ultra-violet light (left) but looks like any other puppy in the daylight. (REUTERS/Jo Yong-Hak)

A 2009 experiment by a team at Seoul National University reportedly produced the first transgenic dog. Five beagles were created by cloning fibroblast cells that express a red florescent gene produced by sea anemones. Under natural light you can see the faint essence of the red protein under the pale skin. In the dark and under an ultraviolet light, the dogs glow a reddish orange. The five healthy dogs eventually grew to spawn their own florescent offspring. The experiment was meant to prove the principle of transgenic animals, particularly dogs, who, due to their lifespan and reproductive cycle, are good stand-ins for human disease research. Two years later, a team at the same university bred a beagle name Tegon whose fluorescent gene could be controlled. When the dog eats food containing a doxycycline antibiotic and then is exposed to ultraviolet light, it glows green. When the drug is no longer added to the food, the glow eventually fades. Scientists say the study opens opportunities for better understanding genes that trigger fatal diseases, like Alzheimer's and Parkinson's, in humans.

6. Katzen

A glowing kitten stands next to a normal cat (Mayo-Klinik)

Cats are susceptible to a close relative of HIV called feline immunodeficiency virus. The viral disease infects mostly feral cats, of which there are reportedly a half a billion in the world. In a 2011 study, a team of scientists from the U.S. and Japan inserted a gene into cats that helps them resist this feline form of AIDS. Then, to be able to easily mark the cells, scientists also inserted the green fluorescent protein. Both genes were transferred into feline eggs. They were then able to more readily monitor how the resistant gene developed in the cats' bodies when looking at them under a microscope. Like the other animals, the cats appeared normal during the day, but could glow at night if prompted.

One of the biggest downsides to helpful industrial products like, say, plastic, or female contraceptives, is that they contain bad chemicals called endocrine disrupters. These substances become pollutants that harm animal and human bodies. They have reportedly been associated with lower sperm counts and breast and testicular cancers. So you can see why scientists may want to study them. The problem has been that it is difficult to track the endocrine disrupters once they enter the body. And so a team of scientists used green fluorescent proteins and genetically engineered zebrafish to glow in places where an endocrine-disrupting chemical is present. As we've previously illustrated, the fluorescent protein doesn't interfere with the body, but, when studied under a microscope, can be easily found. The glowing green areas within the fish then become a roadmap for scientists homing in on the pollutants' potential health impacts.


Schau das Video: FWU - DNA - Vom Gen zum Protein - Trailer (August 2022).