พันธุวิศวกรรมมีการประยุกต์ใช้ในงานด้านการแพทย์, การวิจัย, อุตสาหกรรมและการเกษตรและสามารถนำมาใช้ในวงกว้างของพืช, สัตว์และจุลินทรีย์.

การแพทย์

ในการแพทย์, พันธุวิศวกรรมได้ถูกนำมาใช้เพื่อผลิตแบบมวลของอินซูลิน, ฮอร์โมนที่สร้างการเจริญเติบโตของมนุษย์, follistim (สำหรับการรักษาภาวะมีบุตรยาก), อัลบูมินมนุษย์ (โปรตีนชนิดหนึ่งพบในไข่ นม เนื้อสัตว์ และเลือด เป็นตัวขนส่งฮอร์โมน, กรดไขมัน, และส่วนผสมอื่นๆ, ผ่อนความเป็นกรดหรือความเป็นด่าง, และรักษาแรงดันของสารละลายที่ไหลผ่านเนื้อเยื่อ, ไปยังส่วนต่างๆของร่างกาย), monoclonal antibodies, antihemophilic factors, วัคซีนและยาอื่นๆอีกมากมาย[70][71]. ขบวนการของวัคซีนโดยทั่วไปเกี่ยวข้องกับการฉีดรูปแบบของไวรัสหรือสารพิษของพวกมันที่อ่อนแอ, มีชีวิต, ตายแล้วหรือไม่มีกิจกรรมแล้วเข้าสู่บุคคลที่ไม่มีภูมิคุ้มกัน[72]. ไวรัสดัดแปลงพันธุกรรมกำลังมีการพัฒนาที่ยังคงสามารถให้ภูมิคุ้มกัน, แต่ขาดลำดับการติดเชื้อ[73]. หนูไฮบริด, เซลล์หลอมรวมกันเพื่อสร้าง monoclonal antibodies, ถูกทำให้ใช้ได้กับมนุษย์ผ่านทางพันธุวิศวกรรมเพื่อสร้าง monoclonal antibodies ของมนุษย์[74]. พันธุวิศวกรรมได้แสดงให้เห็นสัญญาสำหรับการรักษารูปแบบบางอย่างของโรคมะเร็ง[75][76].

พันธุวิศวกรรมถูกนำมาใช้เพื่อสร้างแบบจำลองสัตว์ของโรคของมนุษย์. หนูดัดแปลงพันธุกรรมเป็นแบบจำลองสัตว์ดัดแปลงพันธุกรรมที่พบมากที่สุด[77]. พวกมันได้ถูกนำมาใช้เพื่อการศึกษาและทำแบบจำลองมะเร็ง (หนู oncomouse), โรคอ้วน, โรคหัวใจ, โรคเบาหวาน, โรคไขข้อ, สารเสพติด, ความวิตกกังวล, โรคแก่และโรคพาร์กินสัน[78]. การรักษาที่มีศักยภาพสามารถทดสอบกับแบบจำลองหนูเหล่านี้. นอกจากนี้หมูดัดแปลงพันธุกรรมยังถูกเพาะพันธ์โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อเพิ่มความสำเร็จของการปลูกถ่ายอวัยวะสุกรให้กับมนุษย์[79].

การบำบัดด้วยยีนเป็นพันธุวิศวกรรมที่ทำกับมนุษย์โดยการเปลี่ยนยีนบกพร่องของมนุษย์ด้วยสำเนาการทำงานซึ่งอาจเกิดขึ้นในเนื้อเยื่อของร่างกายหรือเนื้อเยื่อ germline. ถ้ายีนถูกแทรกเข้าไปในเนื้อเยื่อ germline มันสามารถส่งผ่านลงไปที่ลูกหลานของบุคคลนั้น[80][81]. การบำบัดด้วยยีนได้ถูกใช้อย่างประสบความสำเร็จในการรักษาหลายโรครวมถึง X-linked SCID[82], มะเร็งเม็ดเลือดขาวเรื้อรังแบบ lymphocytic (CLL)[83] และโรคพาร์กินสัน[84]. ในปี 2012, Glybera กลายเป็นการรักษาด้วยยีนบำบัดอันแรกที่ได้รับการอนุมัติสำหรับการใช้งานทางคลินิกทั้งในยุโรปหรือสหรัฐอเมริกาหลังจากการรับรองโดยคณะกรรมาธิการยุโรป[85][86]. นอกจากนี้ยังมีความกังวลเกี่ยวกับจริยธรรมว่าเทคโนโลยีควรจะถูกใช้ไม่เพียงแต่สำหรับการรักษาเท่านั้น, แต่สำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพ, การดัดแปลงหรือการเปลี่ยนแปลงของภาพลักษณ์, การปรับตัว, ความเฉลียวฉลาด, นิสัยหรือพฤติกรรมของมนุษย์ด้วยหรือไม่[87]. ความแตกต่างระหว่างการรักษาและการเพิ่มประสิทธิภาพยังคงเป็นเรื่องยากที่จะจัดทำขึ้น[88]. นักแปลงมนุษย์พิจารณาว่าการเพิ่มประสิทธิภาพของมนุษย์เป็นสิ่งพึงประสงค์.

การวิจัย

หนูที่สร้างด้วยวิธี knockoutเซลล์ของมนุษย์ที่โปรตีนบางตัวจะถูกละลายด้วยโปรตีนเรืองแสงสีเขียวเพื่อทำให้พวกมันถูกมองเห็นได้

พันธุวิศวกรรมเป็นเครื่องมือที่สำคัญอันหนึ่งสำหรับนักวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ. ยีนและข้อมูลทางพันธุกรรมอื่นๆจากหลากหลายของสิ่งมีชีวิตจะถูกแปลงให้เป็นเชื้อแบคทีเรียสำหรับการจัดเก็บและการดัดแปลง, เป็นการสร้างแบคทีเรียดัดแปลงพันธุกรรมในกระบวนการ. แบคทีเรียมีราคาถูก, ง่ายต่อการเติบโต, ทำโคลนิงได้, ทวีคูณอย่างรวดเร็ว, ค่อนข้างง่ายที่จะแปลงและสามารถเก็บไว้ที่ -80 °C เกือบจะนานไม่สิ้นสุด. เมื่อยีนถูกแยกออก, มันก็สามารถถูกจัดเก็บไว้ภายในแบคทีเรียเป็นให้อุปทานที่ไม่จำกัดสำหรับการวิจัย.

สิ่งมีชีวิตจะได้รับการดัดแปลงพันธุกรรมเพื่อค้นหาการทำงานของยีนบางตัว, ซึ่งอาจเป็นผลกระทบต่อฟีโนไทป์ของสิ่งมีชีวิต, ที่ยีนจะแสดงหรือสิ่งที่ยีนอื่นๆที่มันโต้ตอบด้วย. การทดลองเหล่านี้มักจะเกี่ยวข้องกับการสูญเสียหน้าที่การทำงานบางอย่างไป, การได้รับหน้าที่การทำงานบางอย่างมา, การติดตามและการแสดงออก.

• การทดลองของการสูญเสียหน้าที่การทำงานบางอย่างไป, เช่นในการทดลองเกี่ยวกับ gene knockout ครั้งหนึ่ง, สิ่งมีชีวิตถูกดัดแปลงให้ขาดกิจกรรมของยีนหนึ่งยีนหรือมากกว่า. การทดลอง gene knockout จะเกี่ยวข้องกับการสร้างและการยักย้ายถ่ายเทของดีเอ็นเอที่สร้าง ในหลอดทดลอง, ซึ่งในการ knockout อย่างง่ายประกอบด้วยหนึ่งสำเนาของยีนที่ต้องการ, ซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงให้มันไม่ทำงาน. เซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อน (อังกฤษ: Embryonic stem cells) จะรวมกับยีนที่ถูกดัดแปลง, ซึ่งไปแทนที่สำเนาหน้าที่การทำงานที่ปรากฏอยู่แล้ว. เซลล์ต้นกำเนิดเหล่านี้จะถูกฉีดเข้าไปในตัวอ่อนซึ่งเป็นระยะก่อนที่จะฝังตัวกับมดลูก (อังกฤษ: blastocysts), ซึ่งจะถูกฝังลงในแม่อุ้มบุญ. วิธีการนี้จะช่วยให้ผู้ทดลองสามารถวิเคราะห์ข้อบกพร่องที่เกิดจากการกลายพันธุ์นี้และเพื่อกำหนดบทบาทของยีนนั้นๆ. มันถูกใช้บ่อยโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการพัฒนาทางชีววิทยา. อีกวิธีหนึ่ง, ที่มีประโยชน์ในสิ่งมีชีวิตเช่นแมลงหวี่ (แมลงวันผลไม้), คือการเหนี่ยวนำให้เกิดการกลายพันธุ์ในประชากรขนาดใหญ่แล้วทำการสกรีนลูกหลานเพื่อให้ได้แบบการกลายพันธุ์ที่ต้องการ. กระบวนการที่คล้ายกันนี้สามารถนำมาใช้ทั้งในพืชและ prokaryotes (สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวที่มีนิวเคลียสที่ขาดเยื่อหุ้ม).
• การทดลองของการได้รับหน้าที่การทำงานบางอย่างมา, คู่ที่คล้ายกันแบบตรรกะของการ knockouts. การทดลองเหล่านี้ในบางครั้งจะดำเนินการร่วมกับการทดลองแบบ knockouts เพื่อสร้างการทำงานของยีนที่ต้องการอย่างประณีตมากขึ้น. กระบวนการนี้เหมือนมากกับกระบวนการในงานดัดแปลงแบบ knockout, ยกเว้นว่าโครงสร้างที่ถูกออกแบบมาเพื่อเพิ่มหน้าที่การทำงานของยีน, ที่มักจะโดยการให้สำเนาพิเศษของยีนหรือการกระตุ้นให้เกิดการสังเคราะห์โปรตีนให้บ่อยขึ้น.
• การทดลองการติดตาม, ซึ่งพยายามที่จะได้รับข้อมูลเกี่ยวกับการเป็นแบบท้องถิ่นและการปฏิสัมพันธ์ของโปรตีนที่ต้องการ. วิธีหนึ่งที่จะทำเช่นนี้คือการแทนที่ยีนป่าด้วยยิน 'ละลาย', ซึ่งเป็นการวางติดกันเพื่อเทียบเคียงชนิดหนึ่งของยีนป่าชนิดที่มีองค์ประกอบของการรายงานเช่นโปรตีนเรืองแสงสีเขียว (GFP) ที่จะช่วยให้มองเห็นได้ง่ายของผลิตภัณฑ์ของการดัดแปลงพันธุกรรม. ในขณะที่นี่เป็นเทคนิคที่มีประโยชน์อันหนึ่ง, การยักย้ายถ่ายเทสามารถทำลายหน้าที่การทำงานของยีน, เป็นการสร้างผลรองและอาจเรียกหาคำถามสำหรับผลของการทดลอง. เทคนิคที่ซับซ้อนมากขึ้นในขณะนี้อยู่ระหว่างการพัฒนาที่สามารถติดตามผลิตภัณฑ์โปรตีนโดยไม่ต้องบรรเทาฟังก์ชันการทำงานของพวกมัน, เช่นการเพิ่มลำดับขนาดเล็กที่จะทำหน้าที่แรงจูงใจแบบผูกพันกับแอนติบอดีแบบโมโนโคลนอล.
• การศึกษาการแสดงออก, มีวัตถุประสงค์ที่จะค้นพบที่ไหนและเมื่อไหร่ที่โปรตีนที่เจาะจงจะถูกผลิตขึ้น. ในการทดลองเหล่านี้, ลำดับดีเอ็นเอก่อนดีเอ็นเอที่บอกรหัสสำหรับโปรตีน, ที่รู้จักกันว่าเป็นโปรโมเตอร์ของยีน, จะถูกใส่เข้าไปใหม่ในสิ่งมีชีวิตที่มีภูมิภาคเข้ารหัสโปรตีนถูกแทนที่โดยยีนนักรายงานเช่น GFP หรือเอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยาการผลิตของสีย้อม. ดังนั้นเวลาและสถานที่ที่เป็นโปรตีนที่เจาะจงจะถูกผลิตจึงสามารถสังเกตได้. การศึกษาการแสดงออกสามารถก้าวไปอีกขั้นโดยการเปลี่ยนโปรโมเตอร์เพื่อที่จะหาชิ้นไหนที่มีความสำคัญสำหรับการแสดงออกที่เหมาะสมของยีนและถูกผูกไว้จริงโดยโปรตีนปัจจัยการถอดความ (อังกฤษ: transcription factor proteins); ขั้นตอนนี้ถูกเรียกว่าการทุบตีโปรโมเตอร์ (อังกฤษ: promoter bashing).

ด้านอุตสาหกรรม

การใช้เทคนิคพันธุวิศวกรรม, เราสามารถแปลงจุลินทรีย์เช่นแบคทีเรียหรือยีสต์, หรือแปลงเซลล์จากสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์เช่นแมลงหรือสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม, ที่มียีนรหัสเข้าเป็นโปรตีนที่มีประโยชน์, เช่นเอนไซม์แบบหนึ่ง, เพื่อที่ว่าสิ่งมีชีวิตหลังการแปลงจะแสดงออกอย่างชัดแจ้งว่ามีโปรตีนที่ต้องการ. เราสามารถผลิตปริมาณแบบมวลของโปรตีนโดยการปลูกสิ่งมีชีวิตที่ถูกแปลงในอุปกรณ์เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพโดยใช้เทคนิคของการหมักอุตสาหกรรม, จากนั้นก็ทำโปรตีนให้บริสุทธิ์[89]. ยีนบางตัวไม่ทำงานได้ดีในแบคทีเรีย, ดังนั้นยีสต์, เซลล์แมลง, หรือเซลล์สัตวืเลี้ยงลูกด้วยนม, แต่ละ eukaryote, ยังสามารถนำมาใช้ได้[90]. เทคนิคเหล่านี้ถูกนำมาใช้ในการผลิตยารักษาโรคเช่นอินซูลิน, ฮอร์โมนการเจริญเติบโตของมนุษย์, และวัคซีน, อาหารเสริมเช่น tryptophan, ช่วยในการผลิตอาหาร (chymosin ในการทำชีส) และเชื้อเพลิง[91]. การประยุกต์ใช้งานอื่นๆที่เกี่ยวข้องกับเชื้อแบคทีเรียดัดแปลงพันธุกรรมที่กำลังทำการตรวจสอบอยู่จะเกี่ยวกับการทำให้แบคทีเรียปฏิบัติงานนอกวงจรธรรมชาติของพวกมัน, เช่นการทำเชื้อเพลิงชีวภาพ[92], การทำความสะอาดน้ำมันรั่วไหล, คาร์บอนและขยะพิษอื่นๆ[93] และการตรวจสอบสารหนูในน้ำดื่ม[94].

การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมและการทดลองในขนาดห้องปฏิบัติการ

ในวัสดุศาสตร์, ไวรัสดัดแปลงพันธุกรรมได้ถูกนำมาใช้ในห้องปฏิบัติการทางวิชาการโดยเป็นนั่งร้านสำหรับการประกอบแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น[95][96].

แบคทีเรียได้รับการดัดแปลงมาเพื่อทำงานเป็นเซ็นเซอร์โดยแสดงโปรตีนเรืองแสงภายใต้สภาพแวดล้อมบางอย่าง[97].

เกษตรกรรม

บทความหลัก: พืชดัดแปลงพันธุกรรม

Bt-toxins ที่ปรากฏในใบถั่วลิสง (ภาพล่าง) ปกป้องมันจากความเสียหายอย่างกว้างขวางที่เกิดจากตัวอ่อนของหนอนเจาะข้าวโพดยุโรป (ภาพด้านบน)[98]

หนึ่งในการประยุกต์ใช้พันธุวิศวกรรมที่รู้จักกันดีที่สุดและมีการโต้เถียงคือการสร้างและการใช้พืชดัดแปลงพันธุกรรมหรือสิ่งมีชีวิตดัดแปลงพันธุกรรม, เช่นปลาดัดแปลงพันธุกรรม, ซึ่งจะใช้ในการผลิตอาหารและวัสดุดัดแปลงพันธุกรรมที่มีการใช้งานที่หลากหลาย. มีสี่เป้าหมายหลักในการสร้างพืชดัดแปลงพันธุกรรม[99].

เป้าหมายหนึ่งและเป็นสิ่งแรกที่จะต้องตระหนักในเชิงพาณิชย์คือการให้ความคุ้มครองจากภัยคุกคามสิ่งแวดล้อม, เช่นความเย็น (ในกรณีของแบคทีเรียน้ำแข็ง-ลบ), หรือเชื้อโรค pathogen, เช่นแมลงหรือไวรัส, และ/หรือความต้านทานต่อสารเคมีกำจัดวัชพืช. นอกจากนี้ยังมีพืชทนเชื้อราและเชื้อไวรัสที่พัฒนาแล้วหรือกำลังพัฒนา[100][101]. พวกมันได้รับการพัฒนาเพื่อให้การจัดการแมลงและวัชพืชของพืชทำได้ง่ายขึ้นและสามารถเพิ่มผลผลิตของพืชได้ทางอ้อม[102].

อีกเป้าหมายหนึ่งในการสร้าง GMOs ก็คือเพื่อปรับเปลี่ยนคุณภาพของผลผลิตโดย, ตัวอย่างเช่น, การเพิ่มคุณค่าทางโภชนาการหรือเพื่อให้เกิดประโยชน์ต่อวงการอุตสาหกรรมมากขึ้นทั้งปริมาณและคุณภาพ[103]. มันฝรั่ง Amflora, ยกตัวอย่าง, ก่อให้เกิดประโยชน์มากขึ้นในอุตสาหกรรมการบ่มของแป้ง. วัวได้รับการดัดแปลงเพื่อผลิตโปรตีนในนมของพวกมันมากขึ้นเพื่ออำนวยความสะดวกในการผลิตชีส[104]. ถั่วเหลืองและคาโนลาได้รับการดัดแปลงพันธุกรรมในการผลิตน้ำมันเพื่อสุขภาพมากขึ้น[105][106].

เป้าหมายอีกประการหนึ่งประกอบด้วยการผลักดันจีเอ็มโอเพื่อผลิตวัสดุที่ปกติมันไม่ได้ทำ. ตัวอย่างหนึ่งคือ "การทำฟาร์ม", ซึ่งใช้พืชเป็นตัวปฏิกรณ์ชีวะ (อังกฤษ: bioreactor) เพื่อผลิตวัคซีน, ตัวกลางยาหรือตัวยาเอง; ผลิตภัณฑ์ที่มีประโยชน์ถูกมำให้บริสุทธิ์จากการเก็บเกี่ยวแล้วนำไปใช้ในกระบวนการผลิตยามาตรฐาน[107]. วัวและแพะที่ได้รับดัดแปลงเพื่อแสดงฤทธ์ของยาและโปรตีนอื่นๆในนมของพวกมัน, และในปี 2009 องค์การอาหารและยาได้อนุมัติยาที่ผลิตในนมแพะ[108][109].

เป้าหมายอีกอันในการสร้าง GMOs คือการเพิ่มผลผลิตโดยตรงด้วยการเร่งการเจริญเติบโต, หรือการทำสิ่งมีชีวิตบึกบึนกว่าเดิม (สำหรับพืช, โดยการปรับปรุงเกลือ, การอดทนต่อความเย็นหรือภัยแล้ง)[103]. บางสัตว์ที่สำคัญทางเกษตรกรรมได้รับการดัดแปลงพันธุกรรมด้วยฮอร์โมนการเจริญเติบโตเพิ่มขนาดของพวกมัน[110].

วิศวกรรมทางพันธุกรรมของพืชผลทางการเกษตรสามารถเพิ่มอัตราการเจริญเติบโตและความต้านทานต่อโรคที่แตกต่างกันที่เกิดจากเชื้อโรคและปรสิต[111]. นี้จะเป็นประโยชน์อย่างมากในขณะที่มันสามารถเพิ่มการผลิตของแหล่งอาหารด้วยการใช้ทรัพยากรที่น้อยลงกว่าที่จะต้องใช้จริงเพื่อเป็นเจ้าภาพด้านประชากรที่เพิ่มมากขึ้นของโลก. พืชดัดแปลงเหล่านี้ยังจะช่วยลดการใช้สารเคมี, เช่นปุ๋ยและสารกำจัดศัตรูพืช, และดังนั้นจึงลดความรุนแรงและความถี่ของการเกิดความเสียหายที่เกิดจากมลพิษทางเคมีเหล่านี้อีกด้วย[111][112].

ความกังวลด้านจริยธรรมและความปลอดภัยได้รับการพูดถึงรอบๆการใช้อาหารดัดแปลงพันธุกรรม[113]. ความกังวลด้านความปลอดภัยที่สำคัญเกี่ยวข้องกับผลกระทบต่อสุขภาพของมนุษย์จากการกินอาหารดัดแปลงพันธุกรรม, โดยเฉพาะเจาะจงว่าจะเป็นปฏิกิริยาที่เป็นพิษหรือการแพ้ที่อาจเกิดขึ้น[114]. การไหลของยีนเข้าสู่พืชดัดแปรพันธุกรรมที่เกี่ยวข้อง, และผลกระทบนอกเป้าหมายในสิ่งมีชีวิตที่เป็นประโยชน์และผลกระทบต่อความหลากหลายทางชีวภาพเป็นปัญหาสิ่งแวดล้อมที่สำคัญ[115]. ความกังวลด้านจริยธรรมเกี่ยวข้องกับประเด็นทางศาสนา, การควบคุมในองค์รวมของอุปทานอาหาร, สิทธิในทรัพย์สินทางปัญญาและระดับของการติดฉลากที่จำเป็นบนผลิตภัณฑ์ดัดแปลงทางพันธุกรรม.

BioArt และความบันเทิง

พันธุวิศวกรรมนอกจากนี้ยังถูกใช้ในการสร้าง BioArt[116]. แบคทีเรียบางชนิดที่ได้รับการดัดแปลงพันธุกรรมเพื่อสร้างภาพขาวดำ[117].

พันธุวิศวกรรมได้ถูกนำมาใช้ในการสร้างรายการแปลกเช่นดอกคาร์เนชั่นสีลาเวนเดอร์[118] ดอกกุหลาบสีฟ้า[119] และปลาเรืองแสง[120][121].