Zadaniem rolnictwa jest produkcja żywności z upraw roślin i chowu zwierząt. Człowiek od zawsze próbował zwiększyć efektywność hodowli, ulepszając odmiany roślin i rasy zwierząt tak, aby były bardziej odporne na choroby oraz warunki atmosferyczne. Początkowo stosowano w tym celu selekcję genetyczną i krzyżowanie najbardziej wydajnych osobników – proces ten był jednak bardzo powolny. Wykorzystanie nowoczesnych metod inżynierii genetycznej pozwala na szybką modyfikację hodowanych organizmów.

R1Nrfxk5QsrZZ

Zdjęcie przedstawia dwie żerujące mszyce grochowe. Znajdują się na dwukolorowych owalnych, silnie unerwionych liściach. Liście mają zielonoczerwoną barwę. Mszyce to niewielkie owady zielonego koloru o miękkim, delikatnym ciele i błoniastych skrzydłach, które są zredukowane. Odwłok ma baryłkowaty kształt z zaznaczoną wyraźnie segmentacją. Mszyce grochowe mają niewielkie czarne oczy, zielone, długie, patykowate odnóża i syfony. Syfony to parzyste narządy znajdujące się na odwłoku owadów.

Ingerencja w materiał genetyczny za pomocą metod biotechnologii umożliwia bezpośrednią modyfikację wartości użytkowej zwierząt gospodarskich. Metody te stosuje się m.in. w celu zwiększenia wydajności produkcji mięsa i mleka o pożądanej jakości i odpowiednim składzie.

Genetycznie zmodyfikowany łosoś atlantycki (Salmo salar), określany także mianem łososia AquAdvantage, został stworzony w 1989 r. Dzięki wprowadzeniu do jego genomu genu wzrostu pochodzącego od łososia pacyficznego czawycza (Oncorhynchus tshawytscha), przyspieszono jego wzrost i skrócono okres hodowli. W 2015 r. amerykańska Agencja ds. Żywności i LekówAgencja ds. Żywności i Leków, FDAAgencja ds. Żywności i Leków (FDA) dopuściła go do produkcji, sprzedaży i konsumpcji. Podobną modyfikację dotyczącą zwiększenia produkcji hormonu wzrostu wykonuje się także w przypadku bydła.

Techniki inżynierii genetycznej wykorzystywane są także u roślin. Głównym celem modyfikacji jest zwiększenie wydajności plonów. Modyfikowane genetycznie rośliny – głównie soja i kukurydza – są przeznaczane na wysokobiałkowe pasze. Obszar upraw transgenicznych roślin stale się zwiększa. Stosowanie pasz GMOGMOGMO zostało uznane za bezpieczne, jednak wciąż prowadzone są badania nad długofalowym wpływem ich spożywania.

Modyfikacje mają także wydłużyć czas możliwego przechowywania produktów roślinnych, jak w przypadku wprowadzonego do komercyjnej sprzedaży pomidora FlavrSavr w 1994 r.

Kolejnym ogromnym osiągnięciem w dziedzinie modyfikacji genetycznych roślin było rozpoczęcie hodowli złotego ryżu – odmiany ryżu produkującej beta karoten – jako metody walki z niedoborem witaminy A.

R63c6H8ZU9cKM

Zdjęcie przedstawia dwie białe okrągłe miseczki ryżu. Ludzkie dłonie przesypują ziarenka do misek. W jednej jest ryż koloru białego, a w drugiej żółtego. Miseczki leżą na czarnobiałym pasiastym materiale.

Transgeniczne rośliny mogą być także odporne na choroby bakteryjne, grzybowe i wirusowe. Dzięki modyfikacjom genetycznym stworzono odmianę tytoniu niewrażliwą na działanie wirusa mozaiki tytoniu, a także bakterii Pseudomonas syringae i Erwinia carotovora. Modyfikowane genetycznie rośliny są ponadto odporne na działanie szkodników, w tym mszycy, jak w przypadku tytoniu. Transgeniczny ziemniak nie jest podatny na niszczący wpływ szkodnika upraw - stonkę ziemniaczaną. Co ważne, wprowadzanie tego typu modyfikacji pozwala na zmniejszenie użycia środków ochrony roślin.

Zmiany klimatyczne oraz pustynnienie ogromnych obszarów sprawiają, że modyfikacje genetyczne roślin w dużym stopniu skupiają się na zwiększeniu odporności na warunki suszy oraz zwiększonego zasolenia gleby. Jest to szczególnie ważne, gdyż niemal 50% wszystkich terenów uprawnych na świecie narażone jest na długotrwałą suszę. Prowadzone badania pozwoliły na opracowanie tytoniu tolerującego większe stężenie soli w podłożu i ryż akumulujący prolinę stanowiącą substancję o charakterze osmoprotektantaosmoprotektantosmoprotektanta. Podobne badania prowadzono także na innych rodzajach zbóż, a także batatach, lucernie i pomidorach.

Rośliny wyższe są także modyfikowane w celu fitoremediacjifitoremediacjafitoremediacji terenów skażonych, m.in. przez metale ciężkie, takie jak kadm, rtęć i ołów. Transgeniczne rośliny mogą akumulować szkodliwe substancje, które następnie są w bezpieczny sposób usuwane. Badania w tym kierunku prowadzono najczęściej na roślinie modelowej Arabidopsis thaliana; nad eliminacją m.in. benzenu czy chlorku winylu zastosowano charakteryzującą się szybkim wzrostem transgeniczną topolę, a trotylu – tytoń.

Znaczenie roślin modyfikowanych genetycznie można także przełożyć na dane statystyczne.

Od wprowadzenia pierwszych upraw modyfikowanych genetycznie roślin do 2018 r. ilość używanych pestycydów spadła o 8,3% (775 tysięcy ton), podczas gdy średnie plony kukurydzy wzrosły o 16,5%, a bawełny o 13,7%.

Modyfikacje genetyczne roślin przyczyniły się do wzrostu światowej produkcji soi o 278 milionów ton, 498 milionów ton kukurydzy i 14 ton rzepaku. Aby utrzymać zapotrzebowanie na te produkty bez użycia GMO, niezbędne byłoby zwiększenie obszarów hodowli o, odpowiednio, 12,3 milionów ha dla soi, 8,1 milionów ha dla kukurydzy i 0,7 miliona ha dla rzepaku.

Ograniczanie obszarów upraw sprzyja z kolei utrzymaniu bioróżnorodności.

Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na niektóre substancje pojawiła się konieczność implementacji nowych rozwiązań w kwestii ich produkcji. Część procesów stosowanych na skalę przemysłową jest związana z ogromnymi nakładami energii, zużyciem wody, a także powstawaniem szkodliwych produktów ubocznych. Dzięki technikom inżynierii genetycznej możliwe było wprowadzenie rozwiązań wykorzystujących organizmy modyfikowane genetycznie.

Przemysłowa produkcja etanolu, stosowanego m.in. jako rozpuszczalnik i biopaliwo, wykorzystuje modyfikowane genetycznie szczepy drożdży Saccharomyces cerevisiae, co pozwoliło na zwiększenie wydajności procesu. Obecnie prowadzone są badania nad wykorzystaniem materiałów lignocelulozowych (np. słomy i odpadów poprodukcyjnych) – ich pozytywne wyniki pozwoliłyby na ograniczenie stosowania surowców niezbędnych w przemyśle spożywczym.

Wprowadzone na drodze modyfikacji genetycznych szlaki biosyntezy barwników do bakterii Escherichia coli pozwoliły na wykorzystanie tych organizmów do produkcji m.in. karotenoidów, indygo, wiolaceiny i antocyjanów. Bakteryjna produkcja niebieskiego barwnika indygo, używanego m.in. do barwienia jeansu, może być alternatywą dla syntezy chemicznej, w której używane są toksyczne związki, np. benzen, formaldehyd i cyjanowodór.

R32NdEZpc5QzO

Zdjęcie przedstawia dwa niebieskie barwniki indygo. Przypominające kamienie barwniki mają nieregularny, skrystalizowany kształt.

Organizmy modyfikowane genetycznie służą także do produkcji wielu biofarmaceutyków. Jednym z największych sukcesów w tej dziedzinie było stworzenie insuliny przez bakterie Escherichia coli – została ona dopuszczona do użycia przez ludzi w 1982 r. Od 1987 r. produkcja ta prowadzona jest także przez drożdże Saccharomyces cerevisiae.

Opracowywane szczepy modyfikowanych genetycznie mikroorganizów mogą w przyszłości posłużyć do produkcji witamin na skalę przemysłową, zastępując syntezę chemiczną:

• Witamina A – Yarrowia lipolytica,

• Witamina BIndeks dolny 1₁ – Escherichia coli, Bacillus subtilis,

• Witamina BIndeks dolny 2₂ – Ashbya gossypii, Bacillus subtilis,

• Witamina BIndeks dolny 12₁₂ – Pseudomonas denitrificans,

• Witamina C – Candida albicans, Zygosaccharomyces bailii,

• Witamina D – Rhodococcus erythropolis,

• Witamina E – Euglena gracilis, Saccharomyces cerevisiae,

• Witamina K – Bacillus subtilis.

Jako biofabryki ważnych w medycynie substancji wykorzystuje się nie tylko mikroorganizmy – modyfikacjom genetycznym często poddawane są zwierzęta hodowlane, które zapewniają duże ilości pożądanego produktu przy niskich kosztach utrzymania. W 2006 r. na rynek wprowadzono preparat ATryn, który stał się pierwszym zaakceptowanym środkiem produkowanym przez zwierzęta transgeniczne. Zawiera on antytrombinę, naturalny antykoagulant hamujący krzepnięcie krwi, otrzymywaną z mleka transgenicznych kóz. Według szacunków jedna zmodyfikowana genetycznie koza produkuje taką samą ilość antytrombiny, jaka znajduje się we krwi 90 tysięcy dawców! Transgeniczne kozy są wykorzystywane także do produkcji lizozymu zdolnego do trawienia ścian komórkowych bakterii oraz kolagenu typu II.

Zmodyfikowana genetycznie krowa produkująca mleko zawierające ludzki hormon wzrostu może dostarczyć nawet 5 g tego hormonu w litrze mleka! Oznacza to. że niewielka liczba tego typu organizmów może zaspokoić zapotrzebowanie całej populacji ludzkiej na ten hormon. Zarówno krowy, jak i kozy wykorzystywane są także do produkcji laktoferyny, białka o charakterze antybakteryjnym, w mleku.

Do produkcji białka – erytropoetyny – zwiększającego liczbę erytrocytów i stężenie hemoglobiny wykorzystuje się transgeniczne króliki oraz świnie. Transgeniczne zwierzęta hodowlane wytwarzają także czynniki krzepnięcia krwi – owce (czynnik IX) i świnie (czynnik VIII). Uzyskiwanie tych czynników przed wprowadzeniem transgenicznych organizmów możliwe było jedynie poprzez izolowanie ich z osocza dawców.

Modyfikowane genetycznie rośliny stosuje się jako bioszczepionki: dzięki produkcji peptydów wirusowych wywołujących odpowiedź immunologiczną możliwe jest otrzymywanie dużej ilości immunogennych białek przy niskim nakładzie finansowym. Takie roślinne szczepionki otrzymuje się na drodze transformacji z użyciem wirusów roślinnych, np. uzyskano w ten sposób transgeniczny tytoń z peptydem PA toksyny produkowanej przez laseczki wąglika (Bacillus anthracis) oraz pomidory i tytoń z białkiem immunogennym CoV wirusa SARS. Tytoń posłużył także do uzyskania ekspresji białka HEV wirusa zapalenia wątroby typu E, a sałata – do uzyskania odmiany produkującej białko toksyny przecinkowca cholery (Vibrio cholerae) oraz białko immunogenne wirusa polio. Stworzono również transgeniczne pomidory produkujące białko wirusa wścieklizny. Wytwarzanie tego typu szczepionek jest tanie, a wirusy użyte w procesie transformacji nie są niebezpieczne dla ludzi i zwierząt.

Słownik