Gentechnik

Für eine nichttechnische Einführung in das Thema Genetik siehe Einführung in die Genetik. Für das Lied von Orchestermanövern im Dunkeln siehe Genetic Engineering (song). Für die Montreal Hardcore -Band siehe Genetische Kontrolle.

Gentechnik, auch genannt genetische Veränderung oder genetische Manipulation, ist die Modifikation und Manipulation eines Organismus eines Organismus Gene Verwendung Technologie. Es ist ein Satz von Technologien Wird verwendet, um die genetische Zusammensetzung von Zellen zu verändern, einschließlich des Transfers von Genen innerhalb und zwischen den Artengrenzen, um verbesserte oder neu zu erzeugen Organismen. Neu DNA wird erhalten, indem das genetische Material von Interesse verwendet wird und kopiert wird rekombinante DNA Methoden oder durch künstlich synthetisieren die DNA. EIN konstruieren wird normalerweise erstellt und verwendet, um diese DNA in den Wirtsorganismus einzufügen. Das erste rekombinante DNA -Molekül wurde von hergestellt von Paul Berg 1972 durch Kombination von DNA aus dem Affenvirus SV40 mit dem Lambda -Virus. Sowie einfügen Gene, mit dem Prozess kann zum Entfernen oder "verwendet werden"schlagen", Gene. Die neue DNA kann zufällig eingefügt werden oder gezielt zu einem bestimmten Teil der Genom.[1]

Ein Organismus, der durch Gentechnik erzeugt wird, wird als genetisch verändert (GM) und die resultierende Entität ist a genetisch modifizierter Organismus (GMO). Der erste GVO war ein Bakterium generiert von Herbert Boyer und Stanley Cohen 1973. Rudolf Jaenisch schuf das erste GM -Tier, als er fremde DNA in a einsetzte Maus 1974. Das erste Unternehmen, das sich auf Gentechnik konzentriert, Genentech, wurde 1976 gegründet und begann die Produktion menschlicher Proteine. Gentechnisch veränderter Mensch Insulin wurde 1978 produziert und Insulin-produzierende Bakterien wurden 1982 kommerzialisiert. Genverändertes Essen wird seit 1994 mit der Veröffentlichung der verkauft Flavr Savr Tomate. Der Flavr SAVR wurde so konstruiert, dass er eine längere Haltbarkeitsdauer hat, aber die meisten aktuellen GM -Pflanzen werden modifiziert, um die Resistenz gegen Insekten und Herbizide zu erhöhen. GlofishDie erste als Haustier entworfene GVO wurde im Dezember 2003 in den USA verkauft. 2016 Lachs Es wurden mit einem Wachstumshormon modifiziert.

Gentechnik wurde in zahlreichen Bereichen angewendet, darunter Forschung, Medizin, industrielle Biotechnologie und Landwirtschaft. In der Forschung werden GVOs verwendet, um die Genfunktion und Expression durch Funktionsverlust, Funktionsgewinn, Verfolgung und Expressionsexperimente zu untersuchen. Durch das Ausschalten von Genen, die für bestimmte Bedingungen verantwortlich sind, ist es möglich Tiermodellorganismen von menschlichen Krankheiten. Gentechnik ist nicht nur Hormone, Impfstoffe und andere Arzneimittel produzieren Gentherapie. Die gleichen Techniken, die zur Herstellung von Medikamenten verwendet werden, können auch industrielle Anwendungen wie die Herstellung von Enzymen für Waschmittel, Käse und andere Produkte aufweisen.

Der Aufstieg von kommerzialisiert Genetisch veränderte Pflanzen hat den Landwirten in vielen verschiedenen Ländern wirtschaftlichen Nutzen gebracht, war aber auch die Quelle der meisten der Kontroverse um die Technologie umgeben. Dies ist seit seiner frühen Verwendung vorhanden; Die ersten Feldversuche wurden von Anti-GM-Aktivisten zerstört. Obwohl es a gibt Wissenschaftlicher Konsens Das derzeit verfügbare Lebensmittel, die aus GM -Kulturen stammen, ist kein größeres Risiko für die menschliche Gesundheit als konventionelle Lebensmittel. GM Food Safety ist ein Hauptanliegen für Kritiker. Genfluss, Auswirkungen auf Nicht-Zielorganismen, Kontrolle der Lebensmittelversorgung und geistiges Eigentum Rechte wurden auch als potenzielle Probleme aufgeworfen. Diese Bedenken haben zur Entwicklung eines regulatorischen Rahmens geführt, der 1975 begann. Dies hat zu einem internationalen Vertrag geführt, der Cartagena -Protokoll auf BiossicherheitDas wurde im Jahr 2000 übernommen. Einzelne Länder haben ihre eigenen Regulierungssysteme in Bezug auf GVO entwickelt, wobei die meisten Unterschiede zwischen den USA und Europa auftreten.

IUPAC Definition

Gentechnik: Prozess des Einfügens neuer genetischer Informationen in vorhandene Zellen, um einen bestimmten Organismus zum Zwecke der Änderung seiner Eigenschaften zu verändern.

Notiz: Angepasst von ref.[2][3]

Überblick

Vergleich der konventionellen Pflanzenzüchtung mit transgen und cisgenisch genetische Veränderung

Gentechnik ist ein Prozess, der die genetische Struktur eines Organismus verändert, indem er entweder entfernt oder eingeführt wird DNA, oder modifizieren bestehendes genetisches Material in situ. Im Gegensatz zu traditioneller Tier und Planzenzucht, bei der mehrere Kreuze durchgeführt werden und dann für den Organismus mit dem gewünschten Auswahl Phänotyp, Gentechnik nimmt die Gen direkt von einem Organismus und liefert es dem anderen. Dies ist viel schneller, kann verwendet werden, um Gene aus jedem Organismus einzufügen (auch solche von verschiedenen Domänen) und verhindert, dass andere unerwünschte Gene ebenfalls hinzugefügt werden.[4]

Gentechnik könnte möglicherweise schwerwiegende reparieren genetische Störungen beim Menschen durch Ersetzen des defekten Gens durch eine funktionierende.[5] Es ist ein wichtiges Instrument in der Forschung, mit dem die Funktion bestimmter Gene untersucht werden kann.[6] Medikamente, Impfstoffe und andere Produkte wurden von Organismen geerntet, die entwickelt wurden, um sie zu produzieren.[7] Getreide wurden entwickelt, diese Hilfe Lebensmittelkontrolle durch Erhöhung der Ertrag, Nährwert und Toleranz gegenüber Umweltbelastungen.[8]

Die DNA kann direkt in den Wirtsorganismus oder in eine Zelle eingeführt werden, die sich dann befindet verschmolzen oder hybridisiert mit dem Wirt.[9] Dies stützt sich auf Rekombinantes Nukleinsäure Techniken zur Bildung neuer Kombinationen vererbbarer genetisches Material, gefolgt von der Einbeziehung dieses Materials, entweder indirekt durch a Vektor System oder direkt durch Mikroinjektion, Makroinjektion oder Mikrokapselung.[10]

Die Gentechnik beinhaltet normalerweise keine traditionelle Zucht. in-vitro-Fertilisation, Induktion von Polyploidie, Mutagenese und Zellfusionstechniken, die im Prozess keine rekombinanten Nukleinsäuren oder einen genetisch modifizierten Organismus verwenden.[9] Einige breite Definitionen der Gentechnik umfassen jedoch jedoch selektive Zucht.[10] Klonen und Stammzelle Forschung, obwohl sie nicht als Gentechnik betrachtet werden,[11] sind eng verwandt und Gentechnik können in ihnen verwendet werden.[12] Synthetische Biologie ist eine aufstrebende Disziplin, die Gentechnik einen Schritt weiter durchführt, indem künstlich synthetisiertes Material in einen Organismus eingeführt wird.[13]

Pflanzen, Tiere oder Mikroorganismen, die durch Gentechnik verändert wurden genetisch veränderte Organismen oder GVO.[14] Wenn dem Wirt genetisches Material von einer anderen Art zugesetzt wird, wird der resultierende Organismus genannt transgen. Wenn genetisches Material von derselben Art oder einer Art, die natürlich mit dem Wirt brüten kann, verwendet wird, wird der resultierende Organismus genannt cisgenisch.[15] Wenn Gentechnik verwendet wird, um genetisches Material aus dem Zielorganismus zu entfernen, wird der resultierende Organismus als a bezeichnet schlagen Organismus.[16] In Europa ist die genetische Modifikation gleichbedeutend Mit Gentechnik, während in den Vereinigten Staaten von Amerika und Kanada genetische Modifikation auch verwendet werden kann, um sich auf konventionellere Brutmethoden zu beziehen.[17][18][19]

Geschichte

Hauptartikel: Geschichte der Gentechnik

Menschen haben die Genome der Arten seit Tausenden von Jahren durch verändert selektive Zucht, oder künstliche Auswahl[20]: 1[21]: 1 wie im Gegensatz zu natürliche Auslese. In jüngerer Zeit, Mutationszucht hat Exposition gegenüber Chemikalien oder Strahlung verwendet, um eine hohe Häufigkeit zufälliger Mutationen für selektive Zuchtzwecke zu erzeugen. Gentechnik als direkte Manipulation von DNA durch Menschen außerhalb von Züchten und Mutationen existiert erst seit den 1970er Jahren. Der Begriff "Gentechnik" wurde zuerst von geprägt von Jack Williamson in seinem Science-Fiction Roman Dracheninsel, veröffentlicht 1951[22] - Ein Jahr vor der Rolle der DNA in Vererbung wurde bestätigt von Alfred Hershey und Martha Chase,[23] und zwei Jahre zuvor James Watson und Francis Crick zeigte, dass die DNA Molekül hat eine Doppelhelixstruktur-obwohl das allgemeine Konzept der direkten genetischen Manipulation in rudimentärer Form in untersucht wurde Stanley G. Weinbaum's 1936 Science -Fiction -Geschichte Proteus Island.[24][25]

1974 Rudolf Jaenisch erschuf ein Genetisch modifizierte Maus, das erste GM -Tier.

1972,, Paul Berg Erstellt das erste rekombinante DNA Moleküle durch Kombination von DNA aus dem Affenvirus SV40 mit dem der der der Lambda -Virus.[26] 1973 Herbert Boyer und Stanley Cohen Erstellt das erste Transgener Organismus durch Einfügen Antibiotikaresistenzgene in die Plasmid von einem Escherichia coli Bakterium.[27][28] Ein Jahr später Rudolf Jaenisch erschuf ein Transgene Maus Indem Sie fremde DNA in seinen Embryo einführen, um sie zum ersten der Welt zu machen Transgener Tier[29] Diese Erfolge führten zu Bedenken in der wissenschaftlichen Gemeinschaft über mögliche Risiken aus Gentechnik, die erstmals ausführlich diskutiert wurden Asilomar -Konferenz 1975. Eine der Hauptempfehlungen aus diesem Treffen war, dass die staatliche Aufsicht über rekombinante DNA -Forschung eingerichtet werden sollte, bis die Technologie als sicher erachtet wurde.[30][31]

1976 wurde Genentech, die erste Gentechnikunternehmen, von Herbert Boyer und gegründet Robert Swanson und ein Jahr später produzierte das Unternehmen ein menschliches Protein (Somatostatin) in E coli. Genentech kündigte die Produktion von gentechnisch veränderten Menschen an Insulin 1978.[32] 1980 die US -amerikanischer Oberster Gerichtshof in dem Diamond v. Chakrabarty Fall entschied, dass das gentechnisch veränderte Leben patentiert werden könnte.[33] Das Insulin von Bakterien erzeugte wurde zur Freigabe von der zugelassen Food and Drug Administration (FDA) 1982.[34]

1983 beantragte ein Biotech -Unternehmen Advanced Genetic Sciences (AGS) für die Genehmigung der US -Regierung zur Durchführung von Feldtests mit dem Eis-Minus-Stamm von Pseudomonas syringae Zum Schutz von Ernte vor Frost, aber Umweltgruppen und Demonstranten verzögerten die Feldtests vier Jahre lang mit rechtlichen Herausforderungen.[35] 1987 der Eisminenstamm von P. syringae wurde der erste genetisch modifizierter Organismus (GVO) in die Umgebung freigelassen werden[36] Als ein Erdbeerfeld und ein Kartoffelfeld in Kalifornien damit besprüht wurden.[37] Beide Testfelder wurden in der Nacht vor den Tests von Aktivistengruppen angegriffen: "Der erste Versuchsort der Welt zog den ersten Exkursionsträger der Welt an".[36]

Die ersten Feldversuche von Gentechnisch veränderte Pflanzen In Frankreich und den USA im Jahr 1986 wurden Tabakanlagen konstruiert, dass Tabakpflanzen resistent sind Herbizide.[38] Die Volksrepublik China war das erste Land, das transgene Pflanzen kommerzialisierte und 1992 einen virusresistenten Tabak einführte.[39] 1994 Calgene Genehmigung erreichte, die erste kommerziell freizugeben Genverändertes Essen, das Flavr Savr, eine Tomate, die für eine längere Haltbarkeit entwickelt wurde.[40] 1994 genehmigte die Europäische Union, dass Tabak entwickelt wurde, um gegen den Herbizid resistent zu sein Bromoxynil, damit es die erste gentechnisch veränderte Ernte in Europa kommerzialisiert hat.[41] Im Jahr 1995, BT Kartoffel wurde durch die sicher genehmigt UmweltschutzbehördeNachdem sie von der FDA zugelassen worden war, wurde es zum ersten Pestizid, der in den USA zugelassen wurde.[42] Im Jahr 2009 wurden 11 transgene Pflanzen kommerziell in 25 Ländern angebaut, von denen die größten nach Gebietsgebieten die USA, Brasilien, Argentinien, Indien, Kanada, China, Paraguay und Südafrika waren.[43]

Im Jahr 2010 Wissenschaftler bei der J. Craig Venter Institute Erstellt das erste synthetisches Genom und fügte es in eine leere Bakterienzelle ein. Das resultierende Bakterium, benannt Mycoplasma Laboratorium, könnte replizieren und produzieren Proteine.[44][45] Vier Jahre später wurde dies noch einen Schritt weiter ging, als ein Bakterium entwickelt wurde, das a replizierte Plasmid ein einzigartiges enthält BasenpaarErstellung des ersten Organismus, der für die Verwendung eines erweiterten genetischen Alphabets entwickelt wurde.[46][47] In 2012, Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier arbeitete zusammen, um die zu entwickeln CRISPR/CAS9 System,[48][49] Eine Technik, mit der das Genom fast jeder Organismus einfach und spezifisch verändert werden kann.[50]

Verfahren

Hauptartikel: Gentechnik
Polymerase Kettenreaktion ist ein leistungsstarkes Werkzeug in molekulares Klonen

Das Erstellen eines GVO ist ein mehrstufiger Prozess. Genetische Ingenieure müssen zuerst auswählen, welches Gen sie in den Organismus einfügen möchten. Dies gilt auf das Ziel des resultierenden Organismus und basiert auf früheren Forschungen. Genetische Bildschirme kann durchgeführt werden, um potenzielle Gene und weitere Tests zu bestimmen, die dann verwendet werden, um die besten Kandidaten zu identifizieren. Die Entwicklung von Microarrays, Transkriptomik und Genomsequenzierung hat es viel einfacher gemacht, geeignete Gene zu finden.[51] Glück spielt auch seine Rolle; das Bereit für den Start Gene wurde entdeckt, nachdem Wissenschaftler ein Bakterium bemerkten, das in Gegenwart des Herbizids blühte.[52]

Genisolation und Klonen

Hauptartikel: Molekulares Klonen

Der nächste Schritt besteht darin, das Kandidatengen zu isolieren. Das Zelle Das Gen enthält das Gen wird geöffnet und die DNA wird gereinigt.[53] Das Gen wird durch Verwendung getrennt Restriktionsenzyme die DNA in Fragmente zu schneiden[54] oder Polymerase Kettenreaktion (PCR), um das Gensegment zu verstärken.[55] Diese Segmente können dann durch extrahiert werden Gelelektrophorese. Wenn das gewählte Gen oder das Spenderorganismus des Spenderorganismus Genom wurde gut untersucht, es kann bereits von a zugänglich sein Genetische Bibliothek. Wenn die DNA -Sequenz ist bekannt, aber es sind keine Kopien des Gens verfügbar, es kann auch sein künstlich synthetisiert.[56] Sobald das Gen isoliert ist, ist das Gen ligiert in ein Plasmid Das wird dann in ein Bakterium eingeführt. Das Plasmid wird repliziert, wenn sich die Bakterien teilen, wodurch unbegrenzte Kopien des Gens verfügbar sind.[57] Das RK2 -Plasmid ist bemerkenswert für seine Fähigkeit, sich in einer Vielzahl von Vielfalt zu replizieren Einzelzellorganismen, was es als Gentechnik -Instrument geeignet macht.[58]

Bevor das Gen in den Zielorganismus eingefügt wird, muss es mit anderen genetischen Elementen kombiniert werden. Dazu gehören a Promoter und Terminator Region, die initiieren und enden Transkription. EIN Selektierbarer Marker Gene wird hinzugefügt, was in den meisten Fällen verleiht Antibiotika ResistenzDaher können Forscher leicht bestimmen, welche Zellen erfolgreich transformiert wurden. Das Gen kann in diesem Stadium auch für eine bessere Expression oder Wirksamkeit modifiziert werden. Diese Manipulationen werden verwendet rekombinante DNA Techniken wie z. Einschränkungen verdaulich, Ligationen und molekulares Klonen.[59]

Einfügen von DNA in das Wirt -Genom

Hauptartikel: Genabgabe
Eine Genpistole verwendet Biolistik DNA in Pflanzengewebe einsetzen

Es gibt eine Reihe von Techniken, mit denen genetisches Material in das Wirt -Genom eingefügt wird. Einige Bakterien können natürlich fremde DNA aufnehmen. Diese Fähigkeit kann in anderen Bakterien durch Stress induziert werden (z. Thermal- oder elektrischer Schock), der die Permeabilität der Zellmembran für DNA erhöht; Die aufgebliebene DNA kann sich entweder in das Genom integrieren oder als existieren als Extrachromosomale DNA. DNA wird im Allgemeinen in tierische Zellen eingesetzt Mikroinjektion, wo es durch die Zelle injiziert werden kann Atomhülle direkt in die Kern, oder durch die Verwendung von virale Vektoren.[60]

Pflanzengenome können durch physikalische Methoden oder durch Verwendung von konstruiert werden Agrobakterium Für die Bereitstellung von Sequenzen, die in gehostet werden T-DNA-Binärvektoren. In Pflanzen wird die DNA häufig unter Verwendung Agrobakterium-vermittelte Transformation,[61] nutzen von der Agrobakteriums T-DNA Sequenz, die eine natürliche Insertion von genetischem Material in Pflanzenzellen ermöglicht.[62] Andere Methoden sind Biolistik, wo Partikel aus Gold oder Wolfram mit DNA beschichtet und dann in junge Pflanzenzellen geschossen werden,[63] und Elektroporation, bei der ein Elektroschock verwendet wird, um die Zellmembran für Plasmid -DNA durchlässig zu machen.

Da nur eine einzelne Zelle mit genetischem Material transformiert wird, muss der Organismus sein regeneriert aus dieser einzelnen Zelle. In Pflanzen wird dies durch die Verwendung von erreicht Gewebekultur.[64][65] Bei Tieren ist es notwendig, sicherzustellen, dass die eingefügte DNA in der vorhanden ist embryonische Stammzellen.[66] Bakterien bestehen aus einer einzelnen Zelle und reproduzieren klonal, sodass keine Regeneration erforderlich ist. Selektierbare Markierungen werden verwendet, um transformierte transformierte von nicht transformierten Zellen leicht zu differenzieren. Diese Marker sind normalerweise im transgenen Organismus vorhanden, obwohl eine Reihe von Strategien entwickelt wurden, die den selektierbaren Marker aus der reifen transgenen Anlage entfernen können.[67]

A. tumefaciens sich an eine Karottenzelle befestigen

Weitere Tests mit PCR, Südhybridisierung, und DNA-Sequenzierung wird durchgeführt, um zu bestätigen, dass ein Organismus das neue Gen enthält.[68] Diese Tests können auch den chromosomalen Ort und die Kopienzahl des eingefügten Gens bestätigen. Das Vorhandensein des Gens garantiert nicht, dass es sein wird ausgedrückt Auf geeigneten Ebenen im Zielgewebe werden auch Methoden verwendet, die die Genprodukte (RNA und Protein) suchen und messen. Diese beinhalten Nordhybridisierung, quantitativ RT-PCR, westlicher Fleck, Immunfluoreszenz, Elisa und phänotypische Analyse.[69]

Das neue genetische Material kann zufällig in das Wirt -Genom eingefügt oder an einen bestimmten Ort ausgerichtet werden. Die Technik von Gen -Targeting Verwendet Homologe Rekombination Um gewünschte Änderungen an einem bestimmten vorzunehmen endogen Gen. Dies tritt bei Pflanzen und Tieren in der Regel bei einer relativ niedrigen Frequenz auf und erfordert im Allgemeinen die Verwendung von Selektierbare Markierungen. Die Häufigkeit des Gen -Targeting kann durchdurchschnittlich verstärkt werden Genombearbeitung. Genombearbeitung verwendet künstlich konstruiert Nukleasen das erzeugt spezifisch Doppelsträngige Pausen an gewünschten Stellen im Genom und verwenden Sie die endogenen Mechanismen der Zelle, um den induzierten Bruch durch die natürlichen Prozesse von zu reparieren Homologe Rekombination und Nicht-homologe End-Joining. Es gibt vier Familien von technischen Nukleasen: Meganukleasen,[70][71] Zinkfinger -Nukleasen,[72][73] Transkriptionsaktivator-ähnliche Effektor-Nukleasen (Talens),[74][75] und das Cas9-Guiderna-System (angepasst von CRISPR).[76][77] Talen und CRISPR sind die beiden am häufigsten verwendeten und haben jeweils seine eigenen Vorteile.[78] Talens haben eine größere Zielspezifität, während CRISPR einfacher zu gestalten und effizienter ist.[78] Zusätzlich zur Verbesserung des Gen -Targeting können technische Nukleasen verwendet werden, um Mutationen an endogenen Genen einzuführen, die a erzeugen Gene Knockout.[79][80]

Anwendungen

Gentechnik hat Anwendungen in Medizin, Forschung, Industrie und Landwirtschaft und kann für eine Vielzahl von Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen verwendet werden. BakterienDie ersten Organismen, die gentechnisch verändert werden, können Plasmid -DNA mit neuen Genen einfügen, die für Medikamente oder Enzyme kodieren, die Lebensmittel und andere verarbeiten Substrate.[81][82] Pflanzen wurden für Insektenschutz, Herbizidresistenz, Virusresistenz, verstärkte Ernährung, Toleranz gegenüber Umweltdruck und Produktion von modifiziert Essbare Impfstoffe.[83] Die meisten kommerzialisierten GVO sind insektenresistent oder Herbizid -tolerante Erntepflanzen.[84] Genetisch veränderte Tiere wurden für Forschung, Modelltiere und die Produktion landwirtschaftlicher oder pharmazeutischer Produkte verwendet. Die gentechnisch veränderten Tiere umfassen Tiere mit Gene schlug aus, Erhöhte Anfälligkeit für Krankheiten, Hormone für zusätzliches Wachstum und die Fähigkeit, Proteine ​​in ihrer Milch auszudrücken.[85]

Medizin

Gentechnik hat viele Anwendungen für Medikamente, die die Herstellung von Arzneimitteln und die Schaffung von Schaffung von Medikamenten umfassen Modelltiere das ahmt menschliche Bedingungen nach und Gentherapie. Eine der frühesten Anwendungen der Gentechnik bestand darin, menschliches Insulin in Bakterien zu produzieren.[32] Diese Anwendung wurde jetzt auf den Menschen angewendet Wachstumshormone, Follikel stimulierende Hormone (zur Behandlung von Unfruchtbarkeit), menschliches Albumin, monoklonale Antikörper, antihemophile Faktoren, Impfungen und viele andere Drogen.[86][87] Maus Hybridome, Zellen miteinander verschmolzen, um zu erzeugen monoklonale Antikörper, wurden durch Gentechnik angepasst, um monoklonale Antikörper für menschliche Schäden zu schaffen.[88] Gentechnisch veränderte Viren werden entwickelt, die immer noch Immunität verleihen, aber die fehlen ansteckend Sequenzen.[89]

Gentechnik wird auch verwendet, um Tiermodelle menschlicher Krankheiten zu erzeugen. Genetisch veränderte Mäuse sind das häufigste genetisch veränderte Tiermodell.[90] Sie wurden verwendet, um Krebs zu untersuchen und zu modellieren (die Oncomouse), Fettleibigkeit, Herzerkrankungen, Diabetes, Arthritis, Drogenmissbrauch, Angst, Alterung und Parkinson -Krankheit.[91] Mögliche Heilmittel können gegen diese Mausmodelle getestet werden.

Gentherapie ist die Gentechnik des Menschenim Allgemeinen durch Ersetzen defekter Gene durch effektive. Klinische Forschung Verwendung somatisch Die Gentherapie wurde mit mehreren Krankheiten durchgeführt, einschließlich X-Brenner Scid,[92] chronischer lymphatischer Leukämie (Cll),[93][94] und Parkinson-Krankheit.[95] In 2012, Alipogen Tiparvovec wurde die erste Gentherapie -Behandlung, die für den klinischen Einsatz zugelassen wurde.[96][97] Im Jahr 2015 wurde ein Virus verwendet, um ein gesundes Gen in die Hautzellen eines Jungen, der an einer seltenen Hautkrankheit leidet, einzuführen. Epidermolysis bullosa, um zu wachsen und dann eine gesunde Haut auf 80 Prozent des Körperkörpers zu transplantieren, was von der Krankheit betroffen war.[98]

Keimbahn Die Gentherapie würde dazu führen, dass Veränderungen vererbt werden, was Bedenken in der wissenschaftlichen Gemeinschaft ausgelöst hat.[99][100] Im Jahr 2015 wurde CRISPR verwendet, um die DNA der nicht lebensfähigen Bearbeitung zu bearbeiten menschliche Embryonen,[101][102] führende Wissenschaftler der großen Weltakademien, um ein Moratorium über vererbbare menschliche Genom -Änderungen zu fordern.[103] Es gibt auch Bedenken, dass die Technologie nicht nur zur Behandlung, sondern auch zur Verbesserung, Veränderung oder Veränderung des Aussehens, Anpassungsfähigkeit, Intelligenz, Charakters oder Verhaltens eines Menschen verwendet werden könnte.[104] Die Unterscheidung zwischen Heilung und Verbesserung kann auch schwer zu etablieren sein.[105] Im November 2018, Er Jiankui kündigte an, dass er hatte bearbeitete die Genome von zwei menschlichen Embryonen, um zu versuchen, das zu deaktivieren CCR5 Gen, das für einen Rezeptor kodiert, der HIV Verwendet, um Zellen zu betreten. Die Arbeit wurde weithin als unethisch, gefährlich und verfrüht verurteilt.[106] Derzeit ist die Keimbahnveränderung in 40 Ländern verboten. Wissenschaftler, die diese Art von Forschung durchführen, lassen Embryonen häufig einige Tage wachsen, ohne dass sich sie zu einem Baby entwickeln kann. [107]

Forscher verändern das Genom von Schweinen, um das Wachstum menschlicher Organe zu induzieren, um den Erfolg von zu erhöhen Schwein zur menschlichen Organtransplantation.[108] Wissenschaftler schaffen "Gen -Laufwerke", verändern die Genome von Mücken, um sie gegen Malaria immun zu machen, und versuchen dann, die gentechnisch veränderten Mücken in der Mückenpopulation zu verbreiten, um die Krankheit zu beseitigen.[109]

Forschung

Knockout -Mäuse
Menschliche Zellen, in denen einige Proteine ​​fusioniert sind grünes fluoreszierendes Protein Damit sie sich visualisieren lassen können

Gentechnik ist ein wichtiges Instrument für NaturwissenschaftlerMit der Schaffung transgener Organismen eines der wichtigsten Instrumente für die Analyse der Genfunktion.[110] Gene und andere genetische Informationen aus einer Vielzahl von Organismen können zur Speicherung und Modifikation in Bakterien eingefügt werden, wodurch erzeugt wird Genetisch veränderte Bakterien dabei. Bakterien sind billig, leicht zu wachsen, klonal, multiplizieren Sie schnell, relativ einfach zu transformieren und kann fast unbegrenzt bei -80 ° C gelagert werden. Sobald ein Gen isoliert ist, kann es in den Bakterien gespeichert werden, die eine unbegrenzte Forschungsversorgung bieten.[111]

Organismen sind gentechnisch verarbeitet, um die Funktionen bestimmter Gene zu entdecken. Dies könnte die Wirkung auf den Phänotyp des Organismus sein, bei dem das Gen exprimiert wird oder mit welchen anderen Genen es interagiert. Diese Experimente beinhalten im Allgemeinen Funktionsverlust, Funktionsgewinn, Verfolgung und Expression.

  • Verlust von Funktionsexperimenten, wie in a Gene Knockout Experiment, bei dem ein Organismus so konstruiert ist, dass es die Aktivität eines oder mehrerer Gene fehlt. In einem einfachen Knockout wurde eine Kopie des gewünschten Gens verändert, um es nicht funktionsfähig zu machen. Embryonische Stammzellen Integrieren Sie das veränderte Gen, das die bereits vorhandene funktionale Kopie ersetzt. Diese Stammzellen werden injiziert Blastozysten, die in Ersatzmütter implantiert werden. Dadurch kann der Experimentator die dadurch verursachten Defekte analysieren Mutation und dadurch die Rolle bestimmter Gene bestimmen. Es wird besonders häufig in verwendet Entwicklungsbiologie.[112] Wenn dies geschieht, indem eine Bibliothek von Genen mit Punktmutationen an jeder Position im Interessenbereich oder sogar in jeder Position im gesamten Gen geschaffen wird, wird dies als "Scanning -Mutagenese" bezeichnet. Die einfachste und die erste, die verwendet wird, ist das "Alanin -Scannen", bei dem jede Position wiederum an der nicht respektiven Aminosäure mutiert wird Alanine.[113]
  • Funktionsverstärkung, das logische Gegenstück von Knockouts. Diese werden manchmal in Verbindung mit Knockout -Experimenten durchgeführt, um die Funktion des gewünschten Gens feiner zu etablieren. Der Prozess ist ähnlich wie bei der Knockout -Engineering, außer dass das Konstrukt die Funktion des Gens erhöht, normalerweise durch zusätzliche Kopien des Gens oder die Induzierung der Synthese des Proteins häufiger. Funktionsgewinn wird verwendet, um festzustellen, ob ein Protein für eine Funktion ausreicht oder nicht, bedeutet jedoch nicht immer, dass es erforderlich ist, insbesondere wenn es um genetische oder funktionelle Redundanz geht.[112]
  • Tracking -Experimente, die versuchen, Informationen über die Lokalisierung und Wechselwirkung des gewünschten Proteins zu erhalten. Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, das Wildtyp-Gen durch ein "Fusion" -Gen zu ersetzen, das eine Gegenüberstellung des Wildtyp-Gens mit einem Berichtselement wie z. B. grünes fluoreszierendes Protein (GFP), die eine einfache Visualisierung der Produkte der genetischen Modifikation ermöglichen. Während dies eine nützliche Technik ist, kann die Manipulation die Funktion des Gens zerstören, wodurch sekundäre Effekte erzeugt und möglicherweise die Ergebnisse des Experiments in Frage gestellt werden. In der Entwicklung sind jetzt ausgefeiltere Techniken in der Entwicklung, die Proteinprodukte verfolgen können, ohne ihre Funktion zu mildern, z. B. die Zugabe kleiner Sequenzen, die als Bindungsmotive an monoklonale Antikörper dienen.[112]
  • Ausdrucksstudien Ziel zu finden, wo und wann bestimmte Proteine ​​erzeugt werden. In diesen Experimenten die DNA -Sequenz vor der DNA, die für ein Protein kodiert, das als Gen bekannt ist Promoter, wird wieder in einen Organismus mit der Protein -kodierenden Region eingeführt, die durch ein Reportergen wie GFP oder ein Enzym ersetzt wird, das die Produktion eines Farbstoffs katalysiert. Somit kann die Zeit und der Ort beobachtet werden, an dem ein bestimmtes Protein produziert wird. Expressionsstudien können einen Schritt weiter gehen, indem der Promotor verändert wird, um festzustellen, welche Teile für die richtige Expression des Gens von entscheidender Bedeutung sind und tatsächlich an Transkriptionsfaktorproteine ​​gebunden sind. Dieser Prozess ist als bekannt als Promoter -Bashing.[114]

Industriell

Hauptartikel: Industrielle Mikrobiologie
Produkte der Gentechnik

Organismen können ihre Zellen mit einem Gen transformieren lassen, das für ein nützliches Protein wie ein Enzym kodiert, damit sie es tun werden Überexpress das gewünschte Protein. Massenmengen des Proteins können dann durch Anbau des transformierten Organismus in hergestellt werden Bioreaktor Geräte mit industrielle Fermentation, und dann Reinigung das Protein.[115] Einige Gene funktionieren in Bakterien nicht gut, daher können auch Hefe, Insektenzellen oder Säugetierzellen verwendet werden.[116] Diese Techniken werden verwendet, um Medikamente zu produzieren, wie z. Insulin, menschliches Wachstumshormon, und Impfungen, Nahrungsergänzungsmittel wie z. Tryptophan, helfen bei der Produktion von Lebensmitteln (Chymosin in Käseherstellung) und Brennstoffe.[117] Andere Anwendungen mit gentechnisch veränderten Bakterien könnten darin bestehen, dass sie Aufgaben außerhalb ihres natürlichen Zyklus ausführen, z. B. das Erstellen Biokraftstoffe,[118] Reinigung von Ölverschmutzungen, Kohlenstoff und anderen Giftmüll[119] und Arsen in Trinkwasser erkennen.[120] Bestimmte gentechnisch veränderte Mikroben können auch in verwendet werden Biomining und Bioremediation, aufgrund ihrer Fähigkeit, Schwermetalle aus ihrer Umgebung zu extrahieren und sie in Verbindungen zu integrieren, die leichter wiederhergestellt werden können.[121]

Im Materialwissenschaften, ein genetisch verändertes Virus wurde in einem Forschungslabor als Gerüst für die Zusammenstellung eines umweltfreundlicheren Lebensmittels eingesetzt Litium-Ionen-Batterie.[122][123] Es wurde auch Bakterien entwickelt, um als Sensoren zu fungieren, indem ein fluoreszierendes Protein unter bestimmten Umgebungsbedingungen exprimiert wurde.[124]

Landwirtschaft

Hauptartikel: Genetisch veränderte Pflanzen und Genverändertes Essen
BT-Toxine vorhanden in Erdnuss Blätter (Bodenbild) schützen es vor umfangreichen Schäden, die durch verursacht werden durch Geringer Maisstalken -Bohrer Larven (oberes Bild).[125]

Einer der bekanntesten und umstritten Anwendungen der Gentechnik sind die Erstellung und Verwendung von Genetisch veränderte Pflanzen oder Genetisch modifiziertes Vieh produzieren Genverändertes Essen. Es wurden Pflanzen entwickelt, um die Produktion zu steigern und die Toleranz gegenüber zu erhöhen Abiotische Belastungen, verändern Sie die Zusammensetzung des Lebensmittels oder produzieren neuartige Produkte.[126]

Die ersten Kulturen, die kommerziell in großem Maßstab freigesetzt werden, bot Schutz vor Insektenschädlingen oder Toleranz bis Herbizide. Pilz- und virusresistente Pflanzen wurden ebenfalls entwickelt oder befinden sich in der Entwicklung.[127][128] Dies erleichtert das Insekt- und Unkrautbewegung von Pflanzen und kann indirekt die Ernteertrag erhöhen.[129][130] GM -Pflanzen, die den Ertrag direkt verbessern, indem sie das Wachstum beschleunigen oder die Pflanze winterhärter machen (durch die Verbesserung von Salz, Kälte oder Trockenheit) sind ebenfalls in der Entwicklung.[131] 2016 Lachs wurden genetisch mit Wachstumshormonen modifiziert, um eine normale Größe der Erwachsenen zu erreichen.[132]

Es wurden GVO entwickelt, die die Qualität der Produkte modifizieren, indem der Ernährungswert erhöht oder industriellere nützliche Eigenschaften oder Mengen bereitgestellt werden.[131] Das Amflora Kartoffel produziert eine industriell nützliche Mischung aus Stärke. Sojabohnen und Raps wurden genetisch verändert, um gesunde Öle zu produzieren.[133][134] Das erste kommerzialisierte GM -Essen war a Tomate das hatte die Reifung verzögert und seine Erhöhung der Erhöhung Haltbarkeit.[135]

Pflanzen und Tiere wurden entwickelt, um Materialien herzustellen, die sie normalerweise nicht herstellen. Pharming verwendet Kulturen und Tiere als Bioreaktoren, um Impfstoffe, Intermediate oder die Medikamente selbst zu produzieren; Das nützliche Produkt wird aus der Ernte gereinigt und dann im Standard -Pharmaproduktionsprozess verwendet.[136] Kühe und Ziegen wurden entwickelt, um Medikamente und andere Proteine ​​in ihrer Milch auszudrücken, und 2009 zugelassen die FDA ein in Ziegenmilch hergestellter Medikament.[137][138]

Andere Anwendungen

Die Gentechnik hat potenzielle Anwendungen in der Erhaltung und im natürlichen Gebietsmanagement. Gentransfer durch virale Vektoren wurde vorgeschlagen, um invasive Arten zu kontrollieren und bedrohte Fauna vor Krankheiten zu impfen.[139] Es wurden transgene Bäume vorgeschlagen, um Krankheitserreger in Wildpopulationen zu resistieren.[140] Mit den zunehmenden Risiken von Fehlanpassung In Organismen als Ergebnis des Klimawandels und anderer Störungen könnte die Anpassung durch Gen -Optimierungen eine Lösung zur Reduzierung des Aussterbenrisikos sein.[141] Die Anwendungen der Gentechnik in der Konservierung sind bisher meist theoretisch und müssen noch in die Praxis umgesetzt werden.

Gentechnik wird auch zur Erstellung verwendet mikrobielle Kunst.[142] Einige Bakterien wurden gentechnisch konstruiert, um Schwarzweißfotos zu erstellen.[143] Neuheit wie Lavendelfarbe Nelken,[144] Blaue Rosen,[145] und leuchtender Fisch[146][147] wurden auch durch Gentechnik produziert.

Verordnung

Hauptartikel: Regulierung der Gentechnik

Die Regulierung der Gentechnik betrifft die Ansätze der Regierungen, um die mit der Entwicklung und Freisetzung von GVO verbundenen Risiken zu bewerten und zu verwalten. Die Entwicklung eines regulatorischen Rahmens begann 1975 bei Asilomar, Kalifornien.[148] Das Asilomar -Treffen empfohlen eine Reihe freiwilliger Richtlinien zur Verwendung rekombinanter Technologie.[30] Da die Technologie verbesserte, gründete die USA ein Komitee an der Büro für Wissenschaft und Technologie,[149] die regulatorische Zulassung von GM -Lebensmitteln an die USDA, die FDA und die EPA zugewiesen.[150] Das Cartagena -Protokoll auf Biossicherheit, ein internationaler Vertrag, der den Transfer, Handling und Gebrauch von GVO regiert.[151] wurde am 29. Januar 2000 adoptiert.[152] Einhundertfünfzig Länder sind Mitglieder des Protokolls und viele verwenden es als Referenzpunkt für ihre eigenen Vorschriften.[153]

Der rechtliche und regulatorische Status von GM -Lebensmitteln variiert je nach Land, wobei einige Nationen sie verbieten oder einschränken, und andere ermöglichen ihnen mit sehr unterschiedlichen Regulierungsgraden.[154][155][156][157] Einige Länder erlauben den Import von GM -Lebensmitteln mit Genehmigung, erlauben jedoch entweder seinen Anbau (Russland, Norwegen, Israel) oder haben Bestimmungen für den Anbau, obwohl noch keine GM -Produkte hergestellt werden (Japan, Südkorea). Die meisten Länder, die GVO -Anbau nicht zulassen, erlauben Forschung.[158] Einige der markiertesten Unterschiede treten zwischen den USA und Europa auf. Die US -Richtlinie konzentriert sich auf das Produkt (nicht den Prozess), untersucht nur überprüfbare wissenschaftliche Risiken und verwendet das Konzept von wesentliche Äquivalenz.[159] Das europäische Union Im Gegensatz dazu hat möglicherweise die strengsten GVO -Vorschriften der Welt.[160] Alle GVOs zusammen mit bestrahlte Nahrung, gelten als "neue Lebensmittel" und unterliegen umfangreicher, von Fall zu Fall, wissenschaftlicher Lebensmittelbewertung durch die Europäische Lebensmittelsicherheitsbehörde. Die Kriterien für die Autorisierung fallen in vier breiten Kategorien: "Sicherheit", "Freiheit der Wahl", "Kennzeichnung" und "Rückverfolgbarkeit".[161] Das Maß an Regulierung in anderen Ländern, die GVO kultivieren, liegen zwischen Europa und den Vereinigten Staaten.

Aufsichtsbehörden der geografischen Region
Region Aufsichtsbehörden Anmerkungen
UNS USDA, FDA und EPA[150]
Europa Europäische Lebensmittelsicherheitsbehörde[161]
Kanada Health Canada und die Canadian Food Inspection Agency[162][163] Regulierte Produkte mit neuartigen Merkmalen unabhängig von der Herkunftsmethode[164][165]
Afrika Gemeinsamer Markt für Ost- und Südafrika[166] Die endgültige Entscheidung liegt bei jedem einzelnen Land.[166]
China Amt für landwirtschaftliche Gentechnik Biosafety Administration[167]
Indien Institutional Biosafety Committee, Überprüfungsausschuss für genetische Manipulation und Genetungstimmungsausschuss für Gentechnik[168]
Argentinien National Agricultural Biotechnology Advisory Committee (Environmental Impact), National Service of Health and Agrarood Quality (Lebensmittelsicherheit) und die National Agribusiness -Richtung (Auswirkungen auf den Handel)[169] Endgültige Entscheidung durch das Sekretariat der Landwirtschaft, des Viehs, der Fischerei und der Nahrung.[169]
Brasilien Nationaler Technischer Kommission der Biossicherheit (Umwelt- und Lebensmittelsicherheit) und der Ministerrat (kommerzielle und wirtschaftliche Fragen)[169]
Australien Büro der Gen -Technologie -Regulierungsbehörde (überwacht alle GM -Produkte), Therapeutische Warenverwaltung (GM Medicines) und Lebensmittelstandards Australien Neuseeland (Genmanipulierte Nahrung).[170][171] Die einzelnen Landesregierungen können dann die Auswirkungen der Freigabe auf Märkte und Handel bewerten und weitere Gesetze zur Kontrolle genehmigter gentechnisch veränderter Produkte anwenden.[171]

Eines der Hauptprobleme in Bezug auf die Aufsichtsbehörden ist, ob GM -Produkte gekennzeichnet werden sollten. Das Europäische Kommission Laut, dass eine obligatorische Kennzeichnung und Rückverfolgbarkeit erforderlich sind, um eine informierte Auswahl zu ermöglichen, vermeiden Sie potenziell falsche Werbung[172] und erleichtern den Entzug von Produkten, wenn nachteilige Auswirkungen auf die Gesundheit oder die Umwelt festgestellt werden.[173] Das Amerikanische Ärztekammer[174] und die American Association for the Advancement of Science[175] Sagen Sie, dass fehlende wissenschaftliche Beweise für Schaden selbst eine freiwillige Kennzeichnung sind irreführend und wird die Verbraucher fälschlicherweise alarmieren. Die Kennzeichnung von GVO -Produkten auf dem Markt ist in 64 Ländern erforderlich.[176] Die Kennzeichnung kann bis zu einem Schwellenwert -GM -Inhaltsniveau (das zwischen Ländern variiert) oder freiwillig sein. In Kanada und der US -Kennzeichnung von GM -Lebensmitteln ist freiwillig,[177] während in Europa alle Lebensmittel (einschließlich verarbeitete Lebensmittel) oder Einspeisung Dies enthält, dass mehr als 0,9% der zugelassenen GVO gekennzeichnet werden müssen.[160]

Kontroverse

Hauptartikel: Genetisch veränderte Lebensmittelkontroversen

Kritiker haben Einwände gegen die Verwendung von Gentechnik aus mehreren Gründen abgelehnt, einschließlich ethischer, ökologischer und wirtschaftlicher Bedenken. Viele dieser Bedenken umfassen GM -Pflanzen und die Frage, ob von ihnen produzierte Lebensmittel sicher sind und welche Auswirkungen sie auf die Umwelt haben werden. Diese Kontroversen haben zu Rechtsstreitigkeiten, internationalen Handelsstreitigkeiten und Protesten sowie zu einer restriktiven Regulierung kommerzieller Produkte in einigen Ländern geführt.[178]

Anschuldigungen, dass Wissenschaftler sind "Gott spielen" und andere Religiöse Probleme wurden der Technologie von Anfang an zugeschrieben.[179] Andere ethische Fragen umfassen die Patentierung des Lebens,[180] die Verwendung von geistiges Eigentum Rechte,[181] das Kennzeichnungsniveau für Produkte,[182][183] Kontrolle der Lebensmittelversorgung[184] und die Objektivität des Regulierungsprozesses.[185] Obwohl Zweifel aufgewachsen sind,[186] Wirtschaftlich gesehen haben die meisten Studien festgestellt, dass die Wachstum von GM -Pflanzen für die Landwirte vorteilhaft sind.[187][188][189]

Genfluss zwischen gentechnisch veränderten und kompatiblen Pflanzen zusammen mit zunehmender Verwendung von Selektiv Herbizide, kann das Risiko von "erhöhen" erhöhen "Superweeds"Entwicklung.[190] Andere Umweltprobleme beinhalten potenzielle Auswirkungen auf Nicht-Zielorganismen, einschließlich Bodenmikroben,[191] und eine Erhöhung der sekundären und resistenten Insektenschädlinge.[192][193] Viele der Umweltauswirkungen auf GM -Pflanzen können viele Jahre dauern, bis sie verstanden werden, und sind auch in herkömmlichen Landwirtschaftspraktiken offensichtlich.[191][194] Mit der Vermarktung von Genetisch veränderte Fische Es gibt Bedenken hinsichtlich der Umweltkonsequenzen, wenn sie entkommen.[195]

Es gibt drei Hauptbedenken hinsichtlich der Sicherheit gentechnisch veränderter Lebensmittel: ob sie eine provozieren können allergische Reaktion; ob die Gene von der Nahrung in menschliche Zellen übertragen werden könnten; und ob die Gene, die nicht für den menschlichen Verbrauch zugelassen sind Auskreuzung zu anderen Pflanzen.[196] Da ist ein Wissenschaftlicher Konsens[197][198][199][200] Das derzeit verfügbare Lebensmittel, die aus GM -Kulturen stammen[201][202][203][204][205] Aber dass jedes GM-Lebensmittel vor der Einführung von Fall zu Fall getestet werden muss.[206][207][208] Dennoch ist es weniger wahrscheinlich, dass Mitglieder der Öffentlichkeit GM -Lebensmittel als sicher wahrnehmen.[209][210][211][212]

In der Populärkultur

Hauptartikel: Genetik in der Fiktion § Gentechnik

Genetische technische Merkmale in vielen Science-Fiction Geschichten.[213] Frank Herbert'S Roman Die weiße Pest beschreibt die absichtliche Verwendung von Gentechnik, um a zu erstellen Erreger Das tötet Frauen speziell.[213] Ein weiterer von Herberts Kreationen, die Düne Serie von Romanen verwendet Gentechnik, um die mächtigen zu schaffen Tleilaxu.[214] Nur wenige Filme haben das Publikum über Gentechnik mit Ausnahme des 1978 informiert Die Jungs aus Brasilien und die 1993 Jurassic ParkBeide nutzen eine Lektion, eine Demonstration und einen Clip des wissenschaftlichen Films.[215][216] Gentechnikmethoden sind im Film schwach dargestellt; Michael Clark, schreibe für die Wellcome Trust, nennt die Darstellung von Gentechnik und Biotechnologie "ernsthaft verzerrt"[216] in Filmen wie Der 6. Tag. Nach Ansicht von Clark wird die Biotechnologie in der Regel "fantastische, aber visuell festgelegte Formen" angegeben, während die Wissenschaft entweder in den Hintergrund verwiesen oder fiktisiert wird, um einem jungen Publikum zu passen.[216]

Im Videospiel 2007, Bioshock, Gentechnik spielt eine wichtige Rolle in der zentralen Handlung und des Universums. Das Spiel findet in der fiktiven Unterwasserdystopie statt Entrückung, in dem die Bewohner genetische übermenschliche Fähigkeiten besitzen, nachdem sie sich „Plasmide“ injiziert haben, ein Serum, das solche Kräfte gewährt. Ebenfalls in der Stadt der Entrückung sind „kleine Schwestern“, kleine Mädchen, die allgemein ausgelegt sind, sowie eine Nebenhandlung, bei der eine Kabarettsängerin ihren Fötus an genetische Wissenschaftler verkauft in einen Erwachsenen.

Siehe auch

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