Histoire du génie génétique - History of genetic engineering
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Le génie génétique est la science de la manipulation du matériel génétique d'un organisme. La première modification génétique artificielle réalisée à l'aide de la biotechnologie a été la transgénèse, le processus de transfert de gènes d'un organisme à un autre, réalisé pour la première fois par Herbert Boyer et Stanley Cohen en 1973. C'était le résultat d'une série de progrès techniques qui ont permis la modification directe de le génome . Parmi les avancées importantes, citons la découverte d' enzymes de restriction et d' ADN ligases , la capacité de concevoir des plasmides et des technologies telles que la réaction en chaîne par polymérase et le séquençage . La transformation de l'ADN en un organisme hôte a été réalisée grâce à l'invention de la biolistique , de la recombinaison et de la microinjection induites par Agrobacterium . Le premier animal génétiquement modifié était une souris créée en 1974 par Rudolf Jaenisch . En 1976, la technologie a été commercialisée, avec l'avènement des bactéries génétiquement modifiées qui ont produit la somatostatine , suivie de l' insuline en 1978. En 1983, un gène résistant aux antibiotiques a été inséré dans le tabac, conduisant à la première plante génétiquement modifiée . Des progrès ont suivi qui ont permis aux scientifiques de manipuler et d'ajouter des gènes à une variété d'organismes différents et d'induire une gamme d'effets différents. Les plantes ont été commercialisées pour la première fois avec du tabac résistant aux virus sorti en Chine en 1992. Le premier aliment génétiquement modifié était la tomate Flavr Savr commercialisée en 1994. En 2010, 29 pays avaient planté des cultures biotechnologiques commercialisées. En 2000, un article publié dans Science a présenté le riz doré , le premier aliment développé avec une valeur nutritive accrue.
Agriculture
Le génie génétique est la manipulation directe du génome d'un organisme à l'aide de certaines techniques biotechnologiques qui n'existent que depuis les années 1970. La manipulation génétique dirigée par l'homme se produisait beaucoup plus tôt, en commençant par la domestication des plantes et des animaux par sélection artificielle . On pense que le chien est le premier animal domestiqué, provenant peut-être d'un ancêtre commun du loup gris , avec des preuves archéologiques datant d'environ 12 000 av. Parmi les autres carnivores domestiqués à l'époque préhistorique, citons le chat, qui a cohabité avec l'homme il y a 9 500 ans. Des preuves archéologiques suggèrent que les moutons, les bovins, les porcs et les chèvres ont été domestiqués entre 9 000 et 8 000 av. J.-C. dans le Croissant fertile .
La première preuve de la domestication des plantes provient de l' amidonnier et du petit épeautre trouvés dans des villages pré-céramiques du néolithique A en Asie du Sud-Ouest datant d'environ 10 500 à 10 100 av. Le Croissant fertile de l'Asie occidentale, de l' Égypte et de l' Inde ont été les sites des premiers semis et récoltes planifiés de plantes qui avaient auparavant été cueillies dans la nature. Le développement indépendant de l'agriculture s'est produit dans le nord et le sud de la Chine, dans le Sahel africain , en Nouvelle-Guinée et dans plusieurs régions des Amériques. Les huit cultures fondatrices néolithiques ( blé amidonnier , épeautre , orge , pois , lentilles , vesce amère , pois chiches et lin ) étaient toutes apparues vers 7 000 av. L'horticulture apparaît pour la première fois au Levant au cours de la période chalcolithique vers 6 800 à 6 300 av. En raison des tissus mous, les preuves archéologiques de légumes primeurs sont rares. Les premiers vestiges végétaux ont été trouvés dans des grottes égyptiennes qui remontent au IIe millénaire av .
La reproduction sélective de plantes domestiquées était autrefois le principal moyen utilisé par les premiers agriculteurs pour façonner les organismes en fonction de leurs besoins. Charles Darwin a décrit trois types de sélection : la sélection méthodique, dans laquelle les humains sélectionnent délibérément pour des caractéristiques particulières ; sélection inconsciente, dans laquelle une caractéristique est sélectionnée simplement parce qu'elle est souhaitable ; et la sélection naturelle , dans laquelle un trait qui aide un organisme à mieux survivre est transmis. La sélection précoce reposait sur une sélection inconsciente et naturelle. L'introduction de la sélection méthodique est inconnue. Les caractéristiques communes qui ont été sélectionnées dans les plantes domestiquées comprennent des grains qui ne se sont pas brisés pour permettre une récolte plus facile, une maturation uniforme, des durées de vie plus courtes qui se traduisent par une croissance plus rapide, une perte de composés toxiques et une productivité. Certaines plantes, comme le Bananier, ont pu être multipliées par clonage végétatif . La progéniture ne contenait souvent pas de graines et était donc stérile. Cependant, ces descendants étaient généralement plus juteux et plus gros. La propagation par clonage permet de cultiver ces variétés mutantes malgré leur manque de graines.
L'hybridation était une autre façon d'introduire des changements rapides dans la composition de la plante. Il augmentait souvent la vigueur des plantes et combinait des caractéristiques souhaitables. L'hybridation s'est probablement produite pour la première fois lorsque les humains ont fait pousser des plantes similaires, mais légèrement différentes, à proximité immédiate. Triticum aestivum , blé utilisé dans la fabrication du pain, est un allopolyploïde . Sa création est le résultat de deux événements d'hybridation distincts.
Le greffage peut transférer les chloroplastes , l'ADN mitochondrial et l'ensemble du noyau cellulaire contenant le génome pour potentiellement créer une nouvelle espèce faisant du greffage une forme de génie génétique naturel.
Les rayons X ont été utilisés pour la première fois pour muter délibérément des plantes en 1927. Entre 1927 et 2007, plus de 2 540 variétés de plantes génétiquement mutées ont été produites à l'aide de rayons X.
La génétique
Diverses découvertes génétiques ont été essentielles dans le développement du génie génétique. L'héritage génétique a été découvert pour la première fois par Gregor Mendel en 1865 à la suite d'expériences de croisement de pois. Bien que largement ignoré pendant 34 ans, il a fourni la première preuve de ségrégation héréditaire et d'assortiment indépendant. En 1889, Hugo de Vries a proposé le nom "(pan)gène" après avoir postulé que les particules sont responsables de l'hérédité des caractéristiques et le terme "génétique" a été inventé par William Bateson en 1905. En 1928, Frederick Griffith a prouvé l'existence d'un " principe de transformation" impliqué dans l'hérédité, qu'Avery, MacLeod et McCarty plus tard (1944) ont identifié comme l' ADN . Edward Lawrie Tatum et George Wells Beadle ont développé le dogme central qui code les gènes pour les protéines en 1941. La structure en double hélice de l'ADN a été identifiée par James Watson et Francis Crick en 1953.
En plus de découvrir le fonctionnement de l'ADN, il a fallu développer des outils permettant de le manipuler. En 1970, le laboratoire de Hamilton Smith a découvert des enzymes de restriction qui permettaient de couper l'ADN à des endroits spécifiques et de le séparer sur un gel d'électrophorèse . Cela a permis aux scientifiques d'isoler les gènes du génome d'un organisme. Les ADN ligases , qui relient l'ADN brisé, avaient été découvertes plus tôt en 1967 et en combinant les deux enzymes, il était possible de "couper et coller" des séquences d'ADN pour créer de l' ADN recombinant . Les plasmides , découverts en 1952, sont devenus des outils importants pour le transfert d'informations entre les cellules et la réplication des séquences d'ADN. Frederick Sanger a développé une méthode de séquençage de l'ADN en 1977, augmentant considérablement l'information génétique disponible pour les chercheurs. La réaction en chaîne par polymérase (PCR), développée par Kary Mullis en 1983, a permis d'amplifier de petites sections d'ADN et a facilité l'identification et l'isolement du matériel génétique.
Outre la manipulation de l'ADN, des techniques ont dû être développées pour son insertion (appelée transformation ) dans le génome d'un organisme. L'expérience de Griffiths avait déjà montré que certaines bactéries avaient la capacité de capter et d'exprimer naturellement de l'ADN étranger . La compétence artificielle a été induite chez Escherichia coli en 1970 lorsque Morton Mandel et Akiko Higa ont montré qu'il pouvait absorber le bactériophage λ après traitement avec une solution de chlorure de calcium (CaCl 2 ). Deux ans plus tard, Stanley Cohen a montré que le traitement au CaCl 2 était également efficace pour l'absorption d'ADN plasmidique. La transformation par électroporation a été développée à la fin des années 1980, augmentant l'efficacité et la gamme bactérienne. En 1907, une bactérie causant des tumeurs végétales, Agrobacterium tumefaciens , a été découverte et au début des années 1970, l'agent inducteur de tumeur s'est avéré être un plasmide d'ADN appelé plasmide Ti . En supprimant les gènes du plasmide à l'origine de la tumeur et en ajoutant de nouveaux gènes, les chercheurs ont pu infecter les plantes avec A. tumefaciens et laisser les bactéries insérer l'ADN de leur choix dans les génomes des plantes.
Les premiers organismes génétiquement modifiés
En 1972, Paul Berg a utilisé des enzymes de restriction et des ADN ligases pour créer les premières molécules d' ADN recombinant . Il a combiné l'ADN du virus du singe SV40 avec celui du virus lambda . Herbert Boyer et Stanley Norman Cohen ont poussé le travail de Berg un peu plus loin et ont introduit de l'ADN recombinant dans une cellule bactérienne. Cohen recherchait des plasmides, tandis que les travaux de Boyers impliquaient des enzymes de restriction. Ils ont reconnu la nature complémentaire de leur travail et se sont associés en 1972. Ensemble, ils ont trouvé une enzyme de restriction qui coupait le plasmide pSC101 en un seul point et ont pu insérer et ligaturer un gène qui conférait une résistance à l' antibiotique kanamycine dans la brèche. Cohen avait précédemment conçu une méthode où les bactéries pouvaient être induites à prendre un plasmide et en utilisant cela, elles étaient capables de créer une bactérie qui survivait en présence de la kanamycine. Cela représentait le premier organisme génétiquement modifié. Ils ont répété des expériences montrant que d'autres gènes pouvaient être exprimés dans des bactéries, dont un du crapaud Xenopus laevis , la première transformation de royaumes croisés.
En 1974, Rudolf Jaenisch a créé une souris transgénique en introduisant de l'ADN étranger dans son embryon, ce qui en fait le premier animal transgénique au monde . Jaenisch étudiait des cellules de mammifères infectées par le virus simien 40 (SV40) lorsqu'il a lu un article de Beatrice Mintz décrivant la génération de souris chimères . Il a apporté ses échantillons de SV40 au laboratoire de Mintz et les a injectés dans des embryons de souris précoces en attendant que des tumeurs se développent. Les souris semblaient normales, mais après avoir utilisé des sondes radioactives, il a découvert que le virus s'était intégré dans le génome de la souris. Cependant, les souris n'ont pas transmis le transgène à leur progéniture. En 1981, les laboratoires de Frank Ruddle, Frank Constantini et Elizabeth Lacy ont injecté de l'ADN purifié dans un embryon de souris unicellulaire et ont montré la transmission du matériel génétique aux générations suivantes.
La première plante génétiquement modifiée était le tabac, signalée en 1983. Elle a été développée par Michael W. Bevan , Richard B. Flavell et Mary-Dell Chilton en créant un gène chimérique qui a joint un gène résistant aux antibiotiques au plasmide T1 d' Agrobacterium . Le tabac a été infecté par Agrobacterium transformé avec ce plasmide, ce qui a entraîné l'insertion du gène chimérique dans la plante. Grâce à des techniques de culture tissulaire, une seule cellule de tabac a été sélectionnée qui contenait le gène et une nouvelle plante cultivée à partir de celui-ci.
Régulation
Le développement de la technologie du génie génétique a suscité des inquiétudes dans la communauté scientifique quant aux risques potentiels. L'élaboration d'un cadre réglementaire concernant le génie génétique a commencé en 1975, à Asilomar , en Californie. La réunion d'Asilomar a recommandé un ensemble de directives concernant l'utilisation prudente de la technologie recombinante et de tout produit résultant de cette technologie. Les recommandations d'Asilomar étaient volontaires, mais en 1976, le National Institute of Health (NIH) des États - Unis a formé un comité consultatif sur l'ADN recombinant. Cela a été suivi par d'autres organismes de réglementation (le Département de l'agriculture des États-Unis (USDA), l' Environmental Protection Agency (EPA) et la Food and Drug Administration (FDA), rendant ainsi toute recherche sur l'ADN recombinant étroitement réglementée aux États-Unis.
En 1982, l' Organisation de coopération et de développement économiques (OCDE) a publié un rapport sur les dangers potentiels de la libération d'organismes génétiquement modifiés dans l'environnement alors que les premières plantes transgéniques étaient en cours de développement. Au fur et à mesure que la technologie s'améliorait et que les organismes génétiquement passaient d' organismes modèles à des produits commerciaux potentiels, les États-Unis ont établi un comité à l' Office of Science and Technology (OSTP) pour développer des mécanismes de réglementation de la technologie en développement. En 1986, l'OSTP a attribué l'approbation réglementaire des plantes génétiquement modifiées aux États-Unis à l'USDA, la FDA et l'EPA. À la fin des années 1980 et au début des années 1990, des conseils sur l'évaluation de la sécurité des plantes et des aliments génétiquement modifiés ont émergé d'organisations telles que la FAO et l'OMS.
L'Union européenne a introduit pour la première fois des lois exigeant l'étiquetage des OGM en 1997. En 2013, le Connecticut est devenu le premier État à promulguer une loi sur l'étiquetage aux États-Unis, bien qu'elle ne prenne effet que lorsque d'autres États ont emboîté le pas.
Recherche et médecine
La capacité d'insérer, de modifier ou de supprimer des gènes dans des organismes modèles a permis aux scientifiques d'étudier les éléments génétiques des maladies humaines. Des souris génétiquement modifiées ont été créées en 1984 qui portaient des oncogènes clonés qui les prédisposaient à développer un cancer. La technologie a également été utilisée pour générer des souris dont les gènes ont été désactivés . La première souris knock-out enregistrée a été créée par Mario R. Capecchi , Martin Evans et Oliver Smithies en 1989. En 1992, des oncomices avec des gènes suppresseurs de tumeurs ont été générés. Créer des rats Knockout est beaucoup plus difficile et n'est devenu possible qu'en 2003.
Après la découverte du microARN en 1993, l'interférence ARN (ARNi) a été utilisée pour faire taire les gènes d'un organisme. En modifiant un organisme pour exprimer des microARN ciblés sur ses gènes endogènes, les chercheurs ont été en mesure de neutraliser ou de réduire partiellement la fonction des gènes dans une gamme d'espèces. La capacité de réduire partiellement la fonction des gènes a permis l'étude de gènes qui sont mortels lorsqu'ils sont complètement assommés. D'autres avantages de l'utilisation de l'ARNi incluent la disponibilité d'un knock-out inductible et spécifique aux tissus. En 2007, des microARN ciblés sur les gènes des insectes et des nématodes ont été exprimés dans les plantes, entraînant une suppression lorsqu'elles se nourrissaient de la plante transgénique, créant potentiellement une nouvelle façon de lutter contre les ravageurs. Le ciblage de l'expression des microARN endogènes a permis d'affiner davantage l'expression des gènes, complétant ainsi l'approche plus traditionnelle de l'élimination des gènes.
Le génie génétique a été utilisé pour produire des protéines dérivées de l'homme et d'autres sources dans des organismes qui ne peuvent normalement pas synthétiser ces protéines. Les bactéries humaines synthétisant l'insuline ont été développées en 1979 et ont été utilisées pour la première fois comme traitement en 1982. En 1988, les premiers anticorps humains ont été produits dans des plantes. En 2000 , le riz doré enrichi en vitamine A était le premier aliment à valeur nutritive accrue.
De nouvelles avancées
Comme toutes les cellules végétales n'étaient pas sensibles à l'infection par A. tumefaciens, d' autres méthodes ont été développées, notamment l' électroporation , la micro-injection et le bombardement de particules avec un canon à gènes (inventé en 1987). Dans les années 1980, des techniques ont été développées pour réintroduire des chloroplastes isolés dans une cellule végétale dont la paroi cellulaire avait été retirée. Avec l'introduction du pistolet à gènes en 1987, il est devenu possible d'intégrer des gènes étrangers dans un chloroplaste .
La transformation génétique est devenue très efficace chez certains organismes modèles. En 2008, des graines génétiquement modifiées ont été produites chez Arabidopsis thaliana en trempant simplement les fleurs dans une solution d' Agrobacterium . La gamme de plantes pouvant être transformées s'est élargie au fur et à mesure que des techniques de culture tissulaire ont été développées pour différentes espèces.
Le premier bétail transgénique a été produit en 1985, par micro-injection d'ADN étranger dans des œufs de lapin, de mouton et de porc. Les premiers animaux à synthétiser des protéines transgéniques dans leur lait étaient des souris, modifiées pour produire un activateur tissulaire du plasminogène humain. Cette technologie a été appliquée aux moutons, aux porcs, aux vaches et à d'autres animaux d'élevage.
En 2010, des scientifiques de l' Institut J. Craig Venter ont annoncé qu'ils avaient créé le premier génome bactérien synthétique . Les chercheurs ont ajouté le nouveau génome aux cellules bactériennes et sélectionné les cellules qui contenaient le nouveau génome. Pour ce faire, les cellules subissent un processus appelé résolution, où pendant la division cellulaire bactérienne, une nouvelle cellule reçoit le génome d'ADN original de la bactérie, tandis que l'autre reçoit le nouveau génome synthétique. Lorsque cette cellule se réplique, elle utilise le génome synthétique comme modèle. La bactérie résultante que les chercheurs ont développée, nommée Synthia , était la première forme de vie synthétique au monde .
En 2014, une bactérie a été développée qui a répliqué un plasmide contenant une paire de bases non naturelle . Cela nécessitait de modifier la bactérie afin qu'elle puisse importer les nucléotides non naturels , puis les répliquer efficacement. Le plasmide a conservé les paires de bases non naturelles lorsqu'il a doublé environ 99,4 % du temps. C'est le premier organisme conçu pour utiliser un alphabet génétique élargi.
En 2015, CRISPR et TALENs ont été utilisés pour modifier les génomes des plantes. Des laboratoires chinois l'ont utilisé pour créer un blé résistant aux champignons et augmenter les rendements du riz, tandis qu'un groupe britannique l'a utilisé pour modifier un gène d'orge qui pourrait aider à produire des variétés résistantes à la sécheresse. Lorsqu'il est utilisé pour retirer avec précision du matériel de l'ADN sans ajouter de gènes d'autres espèces, le résultat n'est pas soumis au processus de réglementation long et coûteux associé aux OGM. Alors que CRISPR peut utiliser de l'ADN étranger pour faciliter le processus d'édition, la deuxième génération de plantes éditées ne contient aucun de cet ADN. Les chercheurs ont célébré l'accélération car elle peut leur permettre de "suivre" les agents pathogènes en évolution rapide. Le département américain de l'Agriculture a déclaré que certains exemples de maïs, de pommes de terre et de soja modifiés génétiquement ne sont pas soumis aux réglementations existantes. En 2016, d'autres organes d'examen n'avaient pas encore fait de déclarations.
Commercialisation
En 1976, Genentech , la première société de génie génétique a été fondée par Herbert Boyer et Robert Swanson et un an plus tard, la société a produit une protéine humaine ( somatostatine ) dans E.coli . Genentech a annoncé la production d' insuline humaine génétiquement modifiée en 1978. En 1980, la Cour suprême des États-Unis dans l' affaire Diamond v. Chakrabarty a statué que la vie génétiquement modifiée pouvait être brevetée. L'insuline produite par une bactérie, la marque humuline , a été approuvée pour diffusion par la Food and Drug Administration en 1982. En 1983, une société de biotechnologie, Advanced Genetic Sciences (AGS) a demandé au gouvernement américain l'autorisation d'effectuer des tests sur le terrain avec la souche ice-moins de P. syringae pour protéger les cultures du gel, mais des groupes environnementaux et des manifestants ont retardé les tests sur le terrain de quatre ans avec des contestations judiciaires. En 1987, la souche ice-moins de P. syringae est devenue le premier organisme génétiquement modifié (OGM) à être relâché dans l'environnement lorsqu'un champ de fraises et un champ de pommes de terre en Californie en ont été pulvérisés. Les deux champs d'essai ont été attaqués par des groupes d'activistes la nuit précédant les tests : « Le premier site d'essai au monde a attiré le premier fouineur de terrain au monde ».
La première plante cultivée génétiquement modifiée a été produite en 1982, une plante de tabac résistante aux antibiotiques. Les premiers essais sur le terrain de plantes génétiquement modifiées ont eu lieu en France et aux États-Unis en 1986, les plants de tabac ont été conçus pour être résistants aux herbicides . En 1987, Plant Genetic Systems , fondée par Marc Van Montagu et Jeff Schell , a été la première entreprise à modifier génétiquement des plantes résistantes aux insectes en incorporant des gènes produisant des protéines insecticides de Bacillus thuringiensis (Bt) dans le tabac .
Les enzymes microbiennes génétiquement modifiées ont été la première application d' organismes génétiquement modifiés dans la production alimentaire et ont été approuvées en 1988 par la Food and Drug Administration des États -Unis . Au début des années 1990, l'utilisation de la chymosine recombinante a été approuvée dans plusieurs pays. Le fromage était généralement fabriqué à partir de la présure complexe enzymatique extraite de la muqueuse gastrique des vaches. Les scientifiques ont modifié les bactéries pour produire de la chymosine, qui était également capable de coaguler le lait, ce qui a donné du fromage en grains . La République populaire de Chine a été le premier pays à commercialiser des plantes transgéniques, en introduisant un tabac résistant aux virus en 1992. En 1994, Calgene a obtenu l'autorisation de commercialiser la tomate Flavr Savr , une tomate conçue pour avoir une durée de conservation plus longue. Toujours en 1994, l'Union européenne a approuvé le tabac conçu pour être résistant à l'herbicide bromoxynil , ce qui en fait la première culture génétiquement modifiée commercialisée en Europe. En 1995, la pomme de terre Bt a été approuvée sans danger par l' Environmental Protection Agency , après avoir été approuvée par la FDA, ce qui en fait la première culture productrice de pesticides à être approuvée aux États-Unis. En 1996, 35 approbations au total avaient été accordées pour la culture commerciale de 8 cultures transgéniques et d'une culture de fleurs (œillet), avec 8 caractères différents dans 6 pays plus l'UE.
En 2010, 29 pays avaient planté des cultures biotechnologiques commercialisées et 31 autres pays avaient accordé une approbation réglementaire pour l'importation de cultures transgéniques. En 2013, Robert Fraley ( vice-président exécutif et directeur de la technologie de Monsanto ), Marc Van Montagu et Mary-Dell Chilton ont reçu le World Food Prize pour l'amélioration de la « qualité, quantité ou disponibilité » des aliments dans le monde.
Le premier animal génétiquement modifié à être commercialisé était le GloFish , un poisson zèbre auquel a été ajouté un gène fluorescent qui lui permet de briller dans le noir sous une lumière ultraviolette . Le premier animal génétiquement modifié à être approuvé pour une utilisation alimentaire était le saumon AquAdvantage en 2015. Le saumon a été transformé avec un gène régulateur de l' hormone de croissance d'un saumon quinnat du Pacifique et un promoteur d'un tacaud océanique lui permettant de croître toute l'année au lieu de seulement pendant le printemps et l'été.
Opposition
L'opposition et le soutien à l'utilisation du génie génétique existent depuis que la technologie a été développée. Après qu'Arpad Pusztai ait rendu public les recherches qu'il menait en 1998, l'opposition du public aux aliments génétiquement modifiés s'est accrue. L'opposition s'est poursuivie à la suite d'articles controversés et débattus publiquement publiés en 1999 et 2013 qui affirmaient les impacts négatifs sur l'environnement et la santé des cultures génétiquement modifiées .
Les références
Sources
- Zohar, Daniel ; Hopf, Maria; Weiss, Ehud (1er mars 2012). La domestication des plantes dans l'ancien monde : l'origine et la propagation des plantes domestiquées en Asie du Sud-Ouest, en Europe et dans le bassin méditerranéen . OUP Oxford. ISBN 978-0-19-954906-1.