Gentechnisch veränderter Virus - Genetically modified virus

Ein gentechnisch verändertes Virus ist ein Virus , das mit biotechnologischen Methoden verändert oder erzeugt wurde und weiterhin infektiös bleibt . Genetische Modifikation beinhaltet die gezielte Insertion , Deletion , künstliche Synthese oder Veränderung von Nukleotidbasen in viralen Genomen. Genetisch veränderte Viren werden meistens durch das Einfügen fremder Gene in virale Genome zu biomedizinischen , landwirtschaftlichen, biologischen oder technologischen Zwecken erzeugt . Die Begriffe gentechnisch verändertes Virus und gentechnisch verändertes Virus werden synonym verwendet.

Allgemeine Verwendung

Genetisch veränderte Viren werden durch genetische Veränderung erzeugt, die die gezielte Insertion, Deletion, künstliche Synthese oder Veränderung von Nukleotidsequenzen in viralen Genomen mit biotechnologischen Methoden beinhaltet. Während die meisten dsDNA-Viren einzelne einteilige Genome aufweisen, haben viele RNA-Viren mehrteilige Genome, es ist jedoch nicht notwendig, dass alle Teile eines viralen Genoms genetisch verändert werden, damit das Virus als genetisch verändertes Virus angesehen wird. Als gentechnisch veränderte Viren gelten auch infektiöse Viren, die durch künstliche Gensynthese aller oder eines Teils ihres Genoms (zB basierend auf abgeleiteten historischen Sequenzen) erzeugt werden. Viren, die ausschließlich durch spontane Mutationen, Rekombinations- oder Reassortierungsereignisse (auch in experimentellen Settings) verändert werden, gelten im Allgemeinen nicht als gentechnisch veränderte Viren.

Viren werden im Allgemeinen so modifiziert, dass sie als Vektoren verwendet werden können, um neue genetische Informationen in einen Wirtsorganismus einzufügen oder sein bereits vorhandenes genetisches Material zu verändern. Dies kann in mindestens drei Prozessen erreicht werden:

Integration des gesamten oder von Teilen eines viralen Genoms in das Genom des Wirts (zB in seine Chromosomen). Wenn das gesamte genetisch veränderte virale Genom integriert ist, spricht man von einem genetisch veränderten Provirus . Wenn DNA oder RNA, die als Teil eines Viruspartikels verpackt wurde, aber nicht unbedingt virale Gene enthält, in das Genom des Wirts integriert wird, wird dieser Vorgang als Transduktion bezeichnet .
Erhaltung des viralen Genoms innerhalb der Wirtszellen, jedoch nicht als integrierter Teil des Genoms des Wirts.
Wenn Gene, die für die Genom-Editierung notwendig sind, mit biotechnologischen Methoden in das virale Genom eingebracht wurden, ist eine Editierung des Genoms des Wirts möglich. Dieser Prozess erfordert nicht die Integration viraler Genome in das Genom des Wirts.

Keiner dieser drei Prozesse schließt sich gegenseitig aus. Wenn nur Prozess 2. auftritt und zur Expression eines genetisch veränderten Gens führt, wird dies oft als transienter Expressionsansatz bezeichnet .

Die Fähigkeit, Wirtszellen oder -gewebe zu infizieren , ist eine notwendige Voraussetzung für alle angewandten Anwendungen genetisch veränderter Viren. Eine Fähigkeit zur Virusübertragung (der Übertragung von Infektionen zwischen Wirtsindividuen) ist jedoch für die meisten Anwendungen entweder nicht erforderlich oder wird als unerwünscht angesehen. Nur bei einer kleinen Minderheit der vorgeschlagenen Anwendungen wird eine Virusübertragung als notwendig oder wünschenswert erachtet, ein Beispiel sind übertragbare Impfstoffe. Dies liegt daran, dass die Übertragbarkeit die Bemühungen zur Überwachung, Kontrolle oder Eindämmung der Verbreitung von Viren erheblich erschwert.

Geschichte

1972 wurde der früheste Bericht über die Insertion einer fremden Sequenz in ein virales Genom veröffentlicht, als Paul Berg das Restriktionsenzym EcoRI und DNA-Ligasen verwendete , um die allerersten rekombinanten DNA-Moleküle herzustellen. Dies wurde erreicht, indem die DNA des Affen- SV40- Virus mit der des Lambda-Virus verbunden wurde. Es wurde jedoch nicht nachgewiesen, dass eines der beiden Viren in der Lage war, infiziert oder repliziert zu werden.

1974 wurde der erste Bericht über ein genetisch verändertes Virus, das sich auch replizieren und infizieren konnte, von Noreen Murray und Kenneth Murray zur Veröffentlichung eingereicht . Nur zwei Monate später, im August 1974, reichten Marjorie Thomas, John Cameron und Ronald W. Davis einen Bericht über eine ähnliche Leistung zur Veröffentlichung ein.

Zusammengenommen stellten diese Experimente den Beginn der Entwicklung dessen dar, was später als Biotechnologie oder rekombinante DNA- Methoden bekannt werden sollte.

Gesundheitsanwendungen

Gentherapie

Die Gentherapie verwendet genetisch veränderte Viren, um Gene zu liefern, die Krankheiten in menschlichen Zellen heilen können. Diese Viren können genetisches DNA- oder RNA-Material an die Zielzellen liefern. Gentherapie wird auch eingesetzt, indem mutierte Gene, die die Krankheit verursachen, mit Viren inaktiviert werden.

Viren , die für die Gentherapie verwendet wurden , sind, Adenovirus , Lentivirus , Retrovirus und der Virus simplex Herpes .Der am häufigsten für die Genabgabe verwendet Virus stammen aus Adenoviren , wie sie auf 7,5 kb Fremd - DNA tragen kann und einen relativ breiten Bereich von infizieren Wirtszellen, obwohl bekannt ist, dass sie Immunantworten im Wirt auslösen und nur eine kurzfristige Expression bereitstellen. Andere übliche Vektoren sind adeno-assoziierte Viren , die eine geringere Toxizität und eine längerfristige Expression aufweisen, aber nur etwa 4 kb DNA tragen können. Herpes-simplex-Viren sind ein vielversprechender Vektor, haben eine Tragfähigkeit von über 30 kb und bieten eine langfristige Expression, obwohl sie bei der Genübertragung weniger effizient sind als andere Vektoren. Die besten Vektoren für die langfristige Integration des Gens in das Wirtsgenom sind Retroviren, aber ihre Neigung zur zufälligen Integration ist problematisch. Lentiviren gehören zur gleichen Familie wie Retroviren mit dem Vorteil, dass sie sowohl sich teilende als auch sich nicht teilende Zellen infizieren, während Retroviren nur auf sich teilende Zellen abzielen. Andere Viren, die als Vektoren verwendet wurden, umfassen Alphaviren , Flaviviren , Masernviren , Rhabdoviren , das Newcastle-Krankheitsvirus , Pockenviren und Picornaviren .

Obwohl es sich hauptsächlich noch in der Erprobungsphase befindet, hat es einige Erfolge erzielt. Es wurde zur Behandlung von vererbten verwendete genetische Erkrankungen wie severe combined immunodeficiency steigt von Adenosindesaminase - Mangel (ADA-SCID), obwohl die Entwicklung von Leukämie zusammen mit dem Tod in einigen ADA-SCID - Patienten Jesse Gelsinger in einem anderen Versuch Rückschlag der Entwicklung dieser Vorgehensweise seit vielen Jahren. Im Jahr 2009 wurde ein weiterer Durchbruch erzielt, als ein achtjähriger Junge mit angeborener Leber-Amaurose seine normale Sehkraft wiedererlangte und 2016 GlaxoSmithKline die Zulassung zur Kommerzialisierung einer gentherapeutischen Behandlung von ADA-SCID erhielt. Ab 2018 läuft eine beträchtliche Anzahl klinischer Studien , darunter Behandlungen für Hämophilie , Glioblastom , chronische Granulomatose , Mukoviszidose und verschiedene Krebsarten. Obwohl einige Erfolge erzielt wurden, gilt die Gentherapie immer noch als riskante Technik und Studien werden noch durchgeführt, um dies sicherzustellen Sicherheit und Wirksamkeit.

Krebsbehandlung

Eine weitere mögliche Verwendung genetisch veränderter Viren besteht darin, sie so zu verändern, dass sie Krankheiten direkt behandeln können. Dies kann durch die Expression schützender Proteine oder durch direktes Targeting infizierter Zellen erfolgen. Im Jahr 2004 berichteten Forscher, dass ein genetisch verändertes Virus, das das egoistische Verhalten von Krebszellen ausnutzt, eine alternative Methode zur Abtötung von Tumoren bieten könnte. Seitdem haben mehrere Forscher genetisch veränderte onkolytische Viren entwickelt , die sich als vielversprechende Behandlungsmethoden für verschiedene Krebsarten erweisen .

Impfungen

Die meisten Impfstoffe bestehen aus Viren, die abgeschwächt , deaktiviert, abgeschwächt oder auf irgendeine Weise abgetötet wurden, sodass ihre virulenten Eigenschaften nicht mehr wirksam sind. Die Gentechnik könnte theoretisch verwendet werden, um Viren zu erzeugen, bei denen die virulenten Gene entfernt wurden. Im Jahr 2001 wurde berichtet, dass genetisch veränderte Viren möglicherweise verwendet werden können, um Impfstoffe gegen Krankheiten wie AIDS, Herpes, Dengue-Fieber und Virushepatitis zu entwickeln, indem ein nachgewiesen sicheres Impfstoffvirus wie das Adenovirus verwendet wird , und sein Genom so modifiziert werden, dass es Gene enthält Dieser Code für immunogene Proteine, die die Reaktion des Immunsystems ankurbeln können, um dann das Virus zu bekämpfen. Gentechnisch veränderte Viren sollten keine reduzierte Infektiosität aufweisen , eine natürliche Immunantwort hervorrufen und es besteht keine Chance, dass sie ihre Virulenzfunktion wiedererlangen, was bei einigen anderen Impfstoffen vorkommen kann. Als solche gelten sie im Allgemeinen als sicherer und effizienter als herkömmliche Impfstoffe, obwohl Bedenken hinsichtlich einer Nicht-Ziel-Infektion, potenzieller Nebenwirkungen und eines horizontalen Gentransfers auf andere Viren bestehen. Ein anderer Ansatz besteht darin, Vektoren zu verwenden, um neuartige Impfstoffe für Krankheiten zu schaffen, für die keine Impfstoffe verfügbar sind oder die Impfstoffe nicht wirksam wirken, wie AIDS , Malaria und Tuberkulose . Vektorbasierte Impfstoffe sind bereits zugelassen und viele weitere werden entwickelt.

Herzschrittmacher

Im Jahr 2012 berichteten US-Forscher, dass sie ein genetisch verändertes Virus in das Herz von Schweinen injiziert haben. Dieses Virus fügte in die Herzmuskeln ein Gen namens Tbx18 ein, das den Herzschlag ermöglichte. Die Forscher prognostizieren , dass diese Technik eines Tages den Herzschlag von Menschen wiederherstellen könnte , die sonst elektronische Herzschrittmacher benötigen würden .

Gentechnisch veränderte Viren, die für den Einsatz in der Umwelt bestimmt sind

Tiere

In Spanien und Portugal ging die Zahl der Kaninchen bis 2005 in 50 Jahren aufgrund von Krankheiten wie Myxomatose , hämorrhagischer Kaninchenkrankheit und anderen Ursachen um bis zu 95 % zurück . Dies wiederum führte zu einem Rückgang bei Raubtieren wie dem Iberischen Luchs , einer vom Aussterben bedrohten Art. Im Jahr 2000 untersuchten spanische Forscher ein genetisch verändertes Virus, das Kaninchen in freier Wildbahn vor Myxomatose und hämorrhagischer Kaninchenkrankheit geschützt haben könnte. Es bestand jedoch die Besorgnis, dass ein solches Virus in Gebieten wie Australien in wilde Populationen eindringen und einen Bevölkerungsboom auslösen könnte. Kaninchen gelten in Australien als solche Schädlinge, dass Landbesitzer gesetzlich verpflichtet sind, sie zu bekämpfen.

Gentechnisch veränderte Viren, die die Zieltiere durch Immunkontrazeption unfruchtbar machen, wurden ebenso entwickelt wie andere, die auf das Entwicklungsstadium des Tieres abzielen. Es bestehen Bedenken hinsichtlich der Viruseindämmung und der artenübergreifenden Infektion.

Bäume

Seit 2009 werden in Florida (USA) gentechnisch veränderte Viren, die Spinat- Defensin- Proteine exprimieren, im Feld getestet. Die Virusinfektion von Orangenbäumen zielt auf die Bekämpfung der Citrus Greening Disease ab , die die Orangenproduktion in Florida seit 2005 um 70% reduziert hat mit einer Fläche von 513.500 Acres wäre dies die größte Genehmigung dieser Art, die jemals von den USDA Biotechnology Regulatory Services ausgestellt wurde.

Programm der Insektenverbündeten

Im Jahr 2016 hat die DARPA , eine Behörde des US-Verteidigungsministeriums , eine Ausschreibung zur Entwicklung von gentechnisch veränderten Pflanzenviren für einen Ansatz zur Verbreitung in der Umwelt durch Insekten ausgeschrieben. Im Arbeitsplan stand:

„Pflanzenviren sind als Träger von Gen-Editing-Schaltkreisen vielversprechend und ein natürlicher Partner für eine insektenübertragene Lieferplattform.“

Die Motivation des Programms besteht darin, die Nahrungsmittelstabilität durch den Schutz der landwirtschaftlichen Nahrungsmittelversorgung und der Nutzpflanzen zu gewährleisten:

„Durch die Nutzung der natürlichen Fähigkeit von Insektenvektoren, Viren mit hoher Wirtspflanzenspezifität zu liefern, und die Kombination dieser Fähigkeit mit Fortschritten in der Gen-Editierung, kann eine schnelle Verbesserung von reifen Pflanzen im Feld über große Gebiete und ohne die Notwendigkeit einer industriellen Infrastruktur erreicht werden. ”

Trotz seines Namens ist das Programm „Insect Allies“ zu einem großen Teil ein virales Programm, das Viren entwickelt, die im Wesentlichen die Gen-Editierung von Nutzpflanzen auf bereits bepflanzten Feldern durchführen würden. Die im Arbeitsplan und anderen öffentlichen Dokumenten beschriebenen gentechnisch veränderten Viren gehören zu einer Klasse von gentechnisch veränderten Viren, die später als HEGAAs (horizontale Umweltgeneveränderungsagenten) bezeichnet werden. Das Insect Allies-Programm soll von 2017 bis 2021 laufen, wobei die Verträge von drei Konsortien ausgeführt werden. Es ist nicht geplant, die gentechnisch veränderten Viren in die Umwelt freizusetzen, wobei das gesamte Insektenverbreitungssystem in Gewächshäusern getestet wird ( Anlagen der Biosicherheitsstufe 3 wurden erwähnt).

Es wurden Bedenken darüber geäußert, wie sich dieses Programm und alle Daten, die es generiert, auf die Kontrolle biologischer Waffen und die landwirtschaftliche Koexistenz auswirken werden , obwohl auch seine erklärten Ziele unterstützt wurden.

Technologische Anwendungen

Lithium-Ionen-Batterien

Im Jahr 2009 entwickelten MIT- Wissenschaftler ein genetisch verändertes Virus, das verwendet wurde, um eine umweltfreundlichere Lithium-Ionen-Batterie zu konstruieren . Die Batterie wurde durch Gentechnik verschiedener Viren wie dem E4- Bakteriophagen und dem M13- Bakteriophagen konstruiert , um als Kathode verwendet zu werden. Dies geschah durch Editieren der Gene des Virus, die für die Proteinhülle kodieren. Die Proteinhülle ist so bearbeitet, dass sie sich selbst mit Eisenphosphat umhüllt , um an hochleitfähigen Kohlenstoff-Nanoröhren haften zu können . Die mit einer multifunktionalen Proteinhülle modifizierten Viren können als nanostrukturierte Kathoden verwendet werden, die ionische Wechselwirkungen mit Kationen verursachen. So kann der Virus als kleine Batterie verwendet werden. Angela Blecher , die Wissenschaftlerin, die das MIT-Forschungsteam bei dem Projekt leitete, sagt, dass die Batterie stark genug ist, um als wiederaufladbare Batterie verwendet zu werden, Hybrid-Elektroautos und eine Reihe von persönlichen Elektronikgeräten anzutreiben. Während sowohl die E4- als auch die M13-Viren ihren bakteriellen Wirt infizieren und sich replizieren können, ist unklar, ob sie diese Kapazität behalten, nachdem sie Teil einer Batterie waren.

Sicherheitsbedenken und Vorschriften

Grenzen der Bio-Hazard-Forschung

Das National Institute of Health hat im Januar 2015 ein Moratorium zur Forschungsförderung für ausgewählte funktionsgewinnende Virusforschungen erklärt. Im Januar 2017 veröffentlichte die US-Regierung endgültige Richtlinien für die Überprüfung und Überwachung von Forschungen, die voraussichtlich zur Schaffung, Übertragung oder Nutzung verbesserter potenzielle pandemische Krankheitserreger (PPP). Fragen nach einem möglichen Entweichen eines modifizierten Virus aus einem Biosicherheitslabor und der Nützlichkeit der Dual-Use-Technologie , Dual-Use-Forschung von Besorgnis (DURC), waren Anlass für die Überarbeitung der NIH-Finanzierungspolitik.

Vorfall mit GVO-Lentiviren

Eine Wissenschaftlerin behauptet, sie sei während ihrer Arbeit für Pfizer mit einem gentechnisch veränderten Virus infiziert worden. In ihrer Bundesklage sagt sie, sie sei zeitweise durch das von Pfizer entwickelte Virus gelähmt. "McClain von Deep River vermutet, dass sie 2002 oder 2003 durch die Arbeit eines ehemaligen Pfizer-Kollegen versehentlich einer manipulierten Form des Lentivirus ausgesetzt war , einem Virus, das demjenigen ähnlich ist, das zum erworbenen Immunschwächesyndrom oder AIDS führen kann." ." Das Gericht stellte fest, dass McClain nicht nachweisen konnte, dass ihre Krankheit durch die Exposition gegenüber dem Lentivirus verursacht wurde, aber auch, dass Pfizer gegen die Gesetze zum Schutz von Whistleblowern verstoßen hatte.

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