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Ingeniería genética

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La ingeniería genética , también llamada modificación genética o manipulación genética , consiste en la modificación y manipulación de los genes de un organismo mediante tecnología . Se trata de un conjunto de tecnologías utilizadas para cambiar la composición genética de las células, incluyendo la transferencia de genes dentro y entre especies para producir organismos mejorados o novedosos . El nuevo ADN se obtiene aislando y copiando el material genético de interés mediante métodos de ADN recombinante o sintetizándolo artificialmente . Generalmente se crea una construcción que se utiliza para insertar este ADN en el organismo huésped. La primera molécula de ADN recombinante fue diseñada por Paul Berg en 1972 combinando ADN del virus del mono SV40 con el virus lambda . Además de insertar genes , el proceso puede utilizarse para eliminarlos o " desactivarlos ". El nuevo ADN puede insertarse aleatoriamente o dirigirse a una parte específica del genoma . [ 1 ]

Un organismo generado mediante ingeniería genética se considera modificado genéticamente (GM), y la entidad resultante es un organismo modificado genéticamente (OGM). El primer OGM fue una bacteria creada por Herbert Boyer y Stanley Cohen en 1973. Rudolf Jaenisch creó el primer animal GM al insertar ADN extraño en un ratón en 1974. La primera empresa centrada en la ingeniería genética, Genentech , se fundó en 1976 y comenzó la producción de proteínas humanas. La insulina humana modificada genéticamente se produjo en 1978, y las bacterias productoras de insulina se comercializaron en 1982. Los alimentos modificados genéticamente se venden desde 1994, con el lanzamiento del tomate Flavr Savr . El Flavr Savr fue modificado genéticamente para tener una vida útil más larga, pero la mayoría de los cultivos GM actuales se modifican para aumentar la resistencia a los insectos y herbicidas. GloFish , el primer organismo genéticamente modificado diseñado como mascota, se comercializó en Estados Unidos en diciembre de 2003. En 2016, se comercializaron salmones modificados con una hormona de crecimiento.

La ingeniería genética se ha aplicado en numerosos campos, incluyendo la investigación, la medicina, la biotecnología industrial y la agricultura. En investigación, los organismos genéticamente modificados (OGM) se utilizan para estudiar la función y la expresión génica mediante experimentos de pérdida y ganancia de función, seguimiento y expresión. Al inactivar genes responsables de ciertas afecciones, es posible crear organismos modelo animales de enfermedades humanas. Además de producir hormonas, vacunas y otros fármacos, la ingeniería genética tiene el potencial de curar enfermedades genéticas mediante terapia génica . Las células de ovario de hámster chino (CHO) se utilizan en la ingeniería genética industrial. Asimismo, se elaboran vacunas de ARNm mediante ingeniería genética para prevenir infecciones por virus como el COVID-19 . Las mismas técnicas que se utilizan para producir fármacos también pueden tener aplicaciones industriales, como la producción de enzimas para detergentes, quesos y otros productos.

El auge de los cultivos genéticamente modificados comercializados ha proporcionado beneficios económicos a los agricultores de muchos países; sin embargo, también ha sido la fuente de la mayor parte de la controversia en torno a esta tecnología. Esta controversia ha estado presente desde sus inicios: los primeros ensayos de campo fueron destruidos por activistas anti-OGM. Si bien existe un consenso científico de que los alimentos derivados de cultivos transgénicos no representan un mayor riesgo para la salud humana que los alimentos convencionales, tras realizar pruebas caso por caso, los críticos consideran la seguridad de los alimentos transgénicos una preocupación fundamental. El flujo genético , el impacto en organismos no objetivo, el control del suministro de alimentos y los derechos de propiedad intelectual también se han planteado como posibles problemas. Estas preocupaciones llevaron al desarrollo de un marco regulatorio, que comenzó en 1975. Finalmente, esto condujo a la propuesta de un tratado internacional, el Protocolo de Cartagena sobre Seguridad de la Biotecnología , que se adoptó oficialmente en el año 2000. Cada país ha desarrollado sus propios sistemas regulatorios con respecto a los OGM, observándose las diferencias más marcadas entre Estados Unidos y Europa .

Definición de la IUPAC

Ingeniería genética : Proceso de insertar nueva información genética en células existentes con el fin de modificar un organismo específico para cambiar sus características.

Nota : Adaptado de las referencias [ 2 ] [ 3 ]

Descripción general

Comparación del mejoramiento vegetal convencional con la modificación genética transgénica y cisgénica.

La ingeniería genética es un proceso que altera la estructura genética de un organismo mediante la eliminación o introducción de ADN , o la modificación in situ del material genético existente. A diferencia del mejoramiento tradicional de animales y plantas , que implica realizar múltiples cruces y seleccionar el organismo con el fenotipo deseado , la ingeniería genética toma el gen directamente de un organismo y lo transfiere a otro. Esto es mucho más rápido, permite insertar cualquier gen de cualquier organismo (incluso de diferentes dominios ) y evita la adición de otros genes indeseables. [ 4 ]

La ingeniería genética podría corregir trastornos genéticos graves en humanos reemplazando el gen defectuoso por uno funcional. [ 5 ] Es una herramienta importante en la investigación que permite estudiar la función de genes específicos. [ 6 ] Se han obtenido fármacos, vacunas y otros productos a partir de organismos modificados genéticamente para producirlos. [ 7 ] Se han desarrollado cultivos que contribuyen a la seguridad alimentaria al aumentar el rendimiento, el valor nutricional y la tolerancia a las condiciones ambientales adversas. [ 8 ]

El ADN puede introducirse directamente en el organismo huésped o en una célula que luego se fusiona o hibrida con el huésped. [ 9 ] Esto se basa en técnicas de ácidos nucleicos recombinantes para formar nuevas combinaciones de material genético hereditario, seguido de la incorporación de ese material ya sea indirectamente a través de un sistema de vector o directamente a través de microinyección , macroinyección o microencapsulación .

La ingeniería genética normalmente no incluye el mejoramiento tradicional, la fertilización in vitro , la inducción de poliploidía , la mutagénesis y las técnicas de fusión celular que no utilizan ácidos nucleicos recombinantes ni un organismo genéticamente modificado en el proceso. [ 9 ] Sin embargo, algunas definiciones amplias de ingeniería genética incluyen el mejoramiento selectivo . [ 10 ] La clonación y la investigación con células madre , aunque no se consideran ingeniería genética, [ 11 ] están estrechamente relacionadas, y la ingeniería genética puede utilizarse en ellas. [ 12 ] La biología sintética es una disciplina emergente que lleva la ingeniería genética un paso más allá al introducir material sintetizado artificialmente en un organismo. [ 13 ]

Las plantas, animales o microorganismos que han sido modificados mediante ingeniería genética se denominan organismos genéticamente modificados u OGM. [ 14 ] Si se añade material genético de otra especie al huésped, el organismo resultante se denomina transgénico . Si se utiliza material genético de la misma especie o de una especie que puede reproducirse naturalmente con el huésped, el organismo resultante se denomina cisgénico . [ 15 ] Si se utiliza ingeniería genética para eliminar material genético del organismo objetivo, el organismo resultante se denomina organismo knockout . [ 16 ] En Europa, modificación genética es sinónimo de ingeniería genética, mientras que en Estados Unidos y Canadá, modificación genética también puede utilizarse para referirse a métodos de reproducción más convencionales. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]

Historia

Los humanos han alterado los genomas de las especies durante miles de años a través de la cría selectiva o selección artificial [ 20 ] : 1 [ 21 ] : 1 en contraste con la selección natural . Más recientemente, la cría por mutación ha utilizado la exposición a sustancias químicas o radiación para producir una alta frecuencia de mutaciones aleatorias con fines de cría selectiva. La ingeniería genética, como la manipulación directa del ADN por parte de los humanos fuera de la cría y las mutaciones, existe solo desde la década de 1970. El término "ingeniería genética" fue acuñado por el genetista de origen ruso Nikolay Timofeev-Ressovsky en su artículo de 1934 "La producción experimental de mutaciones", publicado en la revista británica Biological Reviews. [ 22 ] Jack Williamson utilizó el término en su novela de ciencia ficción Dragon's Island , publicada en 1951 [ 23 ] –un año antes de que Alfred Hershey y Martha Chase confirmaran el papel del ADN en la herencia , [ 24 ] y dos años antes de que James Watson y Francis Crick demostraran que la molécula de ADN tiene una estructura de doble hélice –aunque el concepto general de manipulación genética directa se exploró de forma rudimentaria en el relato de ciencia ficción de Stanley G. Weinbaum de 1936, Proteus Island . [ 25 ] [ 26 ]

En 1974, Rudolf Jaenisch creó un ratón genéticamente modificado , el primer animal transgénico.

En 1972, Paul Berg creó las primeras moléculas de ADN recombinante combinando ADN del virus del mono SV40 con el del virus lambda . [ 27 ] En 1973, Herbert Boyer y Stanley Cohen crearon el primer organismo transgénico insertando genes de resistencia a antibióticos en el plásmido de una bacteria Escherichia coli . [ 28 ] [ 29 ] Un año después, Rudolf Jaenisch creó un ratón transgénico introduciendo ADN extraño en su embrión, convirtiéndolo en el primer animal transgénico del mundo. [ 30 ] Estos logros generaron preocupación en la comunidad científica sobre los riesgos potenciales de la ingeniería genética, que se discutieron en profundidad por primera vez en la Conferencia de Asilomar en 1975. Una de las principales recomendaciones de esta reunión fue que se estableciera la supervisión gubernamental de la investigación con ADN recombinante hasta que la tecnología se considerara segura. [ 31 ] [ 32 ]

En 1976, Herbert Boyer y Robert Swanson fundaron Genentech , la primera empresa de ingeniería genética, y un año después, la compañía produjo una proteína humana ( somatostatina ) en E. coli . Genentech anunció la producción de insulina humana modificada genéticamente en 1978. [ 33 ] En 1980, la Corte Suprema de los Estados Unidos, en el caso Diamond v. Chakrabarty, dictaminó que la vida modificada genéticamente podía ser patentada. [ 34 ] La insulina producida por bacterias fue aprobada para su comercialización por la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) en 1982. [ 35 ]

En 1983, una empresa de biotecnología, Advanced Genetic Sciences (AGS), solicitó autorización al gobierno estadounidense para realizar ensayos de campo con la cepa ice-minus de Pseudomonas syringae para proteger los cultivos de las heladas, pero grupos ambientalistas y manifestantes retrasaron los ensayos de campo durante cuatro años con impugnaciones legales. [ 36 ] En 1987, la cepa ice-minus de P. syringae se convirtió en el primer organismo genéticamente modificado (OGM) en ser liberado al medio ambiente [ 37 ] cuando se roció con ella un campo de fresas y un campo de patatas en California. [ 38 ] Ambos campos de prueba fueron atacados por grupos activistas la noche anterior a que se realizaran los ensayos: "El primer sitio de ensayo del mundo atrajo al primer destructor de campos del mundo". [ 37 ]

Los primeros ensayos de campo de plantas modificadas genéticamente se realizaron en Francia y Estados Unidos en 1986, y se modificaron plantas de tabaco para que fueran resistentes a los herbicidas . [ 39 ] La República Popular China fue el primer país en comercializar plantas transgénicas, introduciendo un tabaco resistente a virus en 1992. [ 40 ] En 1994, Calgene recibió la aprobación oficial para lanzar comercialmente el primer alimento modificado genéticamente , el Flavr Savr , un tomate modificado genéticamente para tener una vida útil más larga. [ 41 ] En 1994, la Unión Europea aprobó el tabaco modificado genéticamente para ser resistente al herbicida bromoxinil , convirtiéndose así en el primer cultivo modificado genéticamente comercializado en Europa. [ 42 ] En 1995, la Agencia de Protección Ambiental aprobó la patata Bt como segura , después de haber sido aprobada por la FDA, convirtiéndose así en el primer cultivo productor de pesticidas aprobado en Estados Unidos. [ 43 ] En 2009, se cultivaron comercialmente 11 cultivos transgénicos en 25 países, siendo los más grandes por superficie cultivada Estados Unidos , Brasil , Argentina , India , Canadá , República Popular China , Paraguay y Sudáfrica . [ 44 ]

En 2010, científicos del Instituto J. Craig Venter crearon el primer genoma sintético y lo insertaron en una célula bacteriana vacía. La bacteria resultante, llamada Mycoplasma laboratorium , podía replicarse y producir proteínas. [ 45 ] [ 46 ] Cuatro años después, se dio un paso más allá cuando se desarrolló una bacteria que replicaba un plásmido que contenía un par de bases único , creando el primer organismo diseñado para usar un alfabeto genético expandido. [ 47 ] [ 48 ] En 2012, Jennifer Doudna y Emmanuelle Charpentier colaboraron para desarrollar el sistema CRISPR/Cas9 , [ 49 ] [ 50 ] una técnica que puede usarse para alterar de manera fácil y específica el genoma de casi cualquier organismo. [ 51 ]

Proceso

La reacción en cadena de la polimerasa es una herramienta poderosa utilizada en la clonación molecular .

La creación de un OGM es un proceso de varias etapas. Los ingenieros genéticos deben elegir primero el gen que desean insertar en el organismo. Esto viene determinado por el objetivo que se busca para el organismo resultante y se basa en investigaciones previas. Se pueden realizar análisis genéticos para determinar genes potenciales, y luego se pueden usar pruebas adicionales para identificar los candidatos más adecuados. El desarrollo de microarrays , transcriptómica y secuenciación del genoma ha facilitado mucho la búsqueda de genes adecuados. [ 52 ] La suerte también influye; el gen Roundup Ready se descubrió después de que los científicos observaran una bacteria que proliferaba en presencia del herbicida. [ 53 ]

Aislamiento genético y clonación

El siguiente paso es aislar el gen candidato. Se abre la célula que contiene el gen y se purifica el ADN. [ 54 ] El gen se separa utilizando enzimas de restricción para cortar el ADN en fragmentos [ 55 ] o mediante reacción en cadena de la polimerasa (PCR) para amplificar el segmento del gen. [ 56 ] Estos segmentos se pueden extraer mediante electroforesis en gel . Si el gen elegido o el genoma del organismo donante se ha estudiado a fondo, puede que ya esté disponible en una biblioteca genética . Si se conoce la secuencia de ADN , pero no hay copias del gen disponibles, también se puede sintetizar artificialmente . [ 57 ] Una vez aislado, el gen se liga a un plásmido que luego se inserta en una bacteria. El plásmido se replica cuando la bacteria se divide, lo que garantiza que haya copias ilimitadas del gen disponibles. [ 58 ] El plásmido RK2 destaca por su capacidad de replicarse en una amplia variedad de organismos unicelulares , lo que lo hace adecuado como herramienta de ingeniería genética. [ 59 ]

Antes de insertar el gen en el organismo diana, debe combinarse con otros elementos genéticos. Estos incluyen una región promotora y una región terminadora , que inician y finalizan la transcripción . [ 60 ] Se añade un gen marcador seleccionable , que en la mayoría de los casos confiere resistencia a los antibióticos , lo que permite a los investigadores determinar fácilmente qué células se han transformado con éxito. El gen también puede modificarse en esta etapa para mejorar su expresión o eficacia. Estas manipulaciones se llevan a cabo mediante técnicas de ADN recombinante , como digestiones con enzimas de restricción , ligaciones y clonación molecular. [ 61 ]

Inserción de ADN en el genoma del huésped.

Una pistola genética utiliza la biobalística para insertar ADN en el tejido vegetal.

Existen diversas técnicas para insertar material genético en el genoma del huésped. Algunas bacterias pueden incorporar ADN extraño de forma natural . Esta capacidad puede inducirse en otras bacterias mediante estrés (por ejemplo, choque térmico o eléctrico), lo que aumenta la permeabilidad de la membrana celular al ADN; el ADN incorporado puede integrarse en el genoma o existir como ADN extracromosómico . Generalmente, el ADN se inserta en células animales mediante microinyección , inyectándolo a través de la envoltura nuclear directamente en el núcleo , o mediante el uso de vectores virales . [ 62 ]

Los genomas de las plantas pueden modificarse mediante métodos físicos o mediante el uso de Agrobacterium para la introducción de secuencias alojadas en vectores binarios de T-DNA . En las plantas, el ADN se inserta frecuentemente mediante transformación mediada por Agrobacterium , [ 63 ] aprovechando la secuencia de T-DNA de Agrobacterium que permite la inserción natural de material genético en las células vegetales. [ 64 ] Otros métodos incluyen la biobalística , donde partículas de oro o tungsteno se recubren con ADN y luego se inyectan en células vegetales jóvenes, [ 65 ] y la electroporación , que consiste en utilizar una descarga eléctrica para hacer permeable la membrana celular al ADN plasmídico. [ 66 ]

Como solo una célula se transforma con material genético, el organismo debe regenerarse a partir de esa única célula. En las plantas, esto se logra mediante el uso de cultivo de tejidos . [ 67 ] [ 68 ] En los animales, es necesario asegurar que el ADN insertado esté presente en las células madre embrionarias . [ 63 ] Las bacterias constan de una sola célula y se reproducen clonalmente, por lo que la regeneración no es necesaria. Se utilizan marcadores seleccionables para diferenciar fácilmente las células transformadas de las no transformadas. Estos marcadores suelen estar presentes en el organismo transgénico, aunque se han desarrollado varias estrategias que pueden eliminar el marcador seleccionable de la planta transgénica madura. [ 69 ]

A. tumefaciens adhiriéndose a una célula de zanahoria

Se realizan pruebas adicionales mediante PCR, hibridación Southern y secuenciación de ADN para confirmar que un organismo contiene el nuevo gen. [ 70 ] Estas pruebas también pueden confirmar la ubicación cromosómica y el número de copias del gen insertado. La presencia del gen no garantiza que se exprese a niveles adecuados en el tejido diana, por lo que también se utilizan métodos que buscan y miden los productos génicos (ARN y proteína). Estos incluyen hibridación Northern , RT-PCR cuantitativa , Western blot , inmunofluorescencia , ELISA y análisis fenotípico. [ 71 ]

El nuevo material genético puede insertarse aleatoriamente en el genoma del huésped o dirigirse a una ubicación específica. La técnica de edición genética utiliza la recombinación homóloga para realizar los cambios deseados en un gen endógeno específico . Esto suele ocurrir con una frecuencia relativamente baja en plantas y animales y generalmente requiere el uso de marcadores seleccionables . La frecuencia de edición genética puede incrementarse considerablemente mediante la edición del genoma . La edición del genoma utiliza nucleasas diseñadas artificialmente que crean rupturas de doble cadena específicas en ubicaciones deseadas del genoma y utilizan los mecanismos endógenos de la célula para reparar la ruptura inducida mediante los procesos naturales de recombinación homóloga y unión de extremos no homólogos . Hay cuatro familias de nucleasas modificadas: meganucleasas , [ 72 ] [ 73 ] nucleasas de dedos de zinc , [ 74 ] [ 75 ] nucleasas efectoras tipo activador de la transcripción (TALENs), [ 76 ] [ 77 ] y el sistema Cas9-ARN guía (adaptado de CRISPR ). [ 78 ] [ 79 ] TALEN y CRISPR son los dos más utilizados, y cada uno tiene sus propias ventajas. [ 80 ] TALENs tienen mayor especificidad de objetivo, mientras que CRISPR es más fácil de diseñar y más eficiente. [ 80 ] Además de mejorar la focalización de genes, las nucleasas modificadas pueden usarse para introducir mutaciones en genes endógenos que generan una eliminación génica . [ 81 ] [ 82 ]

Aplicaciones

La ingeniería genética tiene aplicaciones en medicina, investigación, industria y agricultura, y puede utilizarse en una amplia gama de plantas, animales y microorganismos. Las bacterias , los primeros organismos en ser modificados genéticamente, pueden tener ADN plasmídico insertado que contiene nuevos genes que codifican medicamentos o enzimas que procesan alimentos y otros sustratos . [ 83 ] [ 84 ] Las plantas se han modificado para la protección contra insectos, la resistencia a herbicidas , la resistencia a virus, la mejora de la nutrición, la tolerancia a presiones ambientales y la producción de vacunas comestibles . [ 85 ] La mayoría de los OGM comercializados son plantas de cultivo resistentes a insectos o tolerantes a herbicidas. [ 86 ] Los animales modificados genéticamente se han utilizado para la investigación, como animales modelo y para la producción de productos agrícolas o farmacéuticos. Los animales modificados genéticamente incluyen animales con genes inactivados , mayor susceptibilidad a enfermedades , hormonas para un crecimiento adicional y la capacidad de expresar proteínas en su leche. [ 87 ]

Medicamento

La ingeniería genética tiene muchas aplicaciones en medicina, incluyendo la fabricación de fármacos, la creación de animales modelo que imitan condiciones humanas y la terapia génica . Uno de los primeros usos de la ingeniería genética fue la producción masiva de insulina humana en bacterias. [ 33 ] Esta aplicación se ha extendido a la producción de hormonas de crecimiento humanas , hormonas foliculoestimulantes (para el tratamiento de la infertilidad), albúmina humana , anticuerpos monoclonales , factores antihemofílicos , vacunas y muchos otros fármacos. [ 88 ] [ 89 ] Los hibridomas de ratón , células fusionadas para crear anticuerpos monoclonales , se han adaptado mediante ingeniería genética para crear anticuerpos monoclonales humanos. [ 90 ] Se están desarrollando virus modificados genéticamente que aún pueden conferir inmunidad, pero carecen de secuencias infecciosas . [ 91 ]

La ingeniería genética también se utiliza para crear modelos animales de enfermedades humanas. Los ratones genéticamente modificados son el modelo animal de ingeniería genética más común. [ 92 ] Se han utilizado para estudiar y modelar el cáncer (el oncomoso ), la obesidad, las enfermedades cardíacas, la diabetes, la artritis, el abuso de sustancias, la ansiedad, el envejecimiento y la enfermedad de Parkinson . [ 93 ] Se pueden probar posibles curas en estos modelos de ratón.

La terapia génica es la ingeniería genética de los seres humanos , generalmente mediante la sustitución de genes defectuosos por genes funcionales. Se han realizado investigaciones clínicas con terapia génica somática para diversas enfermedades, como la inmunodeficiencia combinada grave ligada al cromosoma X (SCID ) , [ 94 ] la leucemia linfocítica crónica (LLC), [ 95 ] [ 96 ] y la enfermedad de Parkinson . [ 97 ] En 2012, Alipogene tiparvovec se convirtió en el primer tratamiento de terapia génica aprobado para uso clínico. [ 98 ] [ 99 ] En 2015, se utilizó un virus para insertar un gen sano en las células de la piel de un niño que padecía una enfermedad cutánea rara, la epidermólisis bullosa , con el fin de cultivar y luego injertar piel sana en el 80% del cuerpo del niño, que estaba afectado por la enfermedad. [ 100 ]

La terapia génica de la línea germinal resultaría en que cualquier cambio fuera hereditario, lo que ha generado preocupación dentro de la comunidad científica. [ 101 ] [ 102 ] En 2015, se utilizó CRISPR para editar el ADN de embriones humanos no viables , [ 103 ] [ 104 ] lo que llevó a científicos de las principales academias mundiales a pedir una moratoria sobre las ediciones hereditarias del genoma humano. [ 105 ] También existe la preocupación de que la tecnología pueda usarse no solo para el tratamiento, sino para mejorar, modificar o alterar la apariencia, adaptabilidad, inteligencia, carácter o comportamiento de un ser humano. [ 106 ] La distinción entre cura y mejora también puede ser difícil de establecer. [ 107 ] En noviembre de 2018, He Jiankui anunció que había editado los genomas de dos embriones humanos, para intentar desactivar el gen CCR5 , que codifica un receptor que el VIH utiliza para entrar en las células. El trabajo fue ampliamente condenado como poco ético, peligroso y prematuro. [ 108 ] Actualmente, la modificación de la línea germinal está prohibida en 40 países. Los científicos que realizan este tipo de investigación a menudo dejan que los embriones crezcan durante unos días sin permitirles desarrollarse hasta convertirse en un bebé. [ 109 ]

Los investigadores están alterando el genoma de los cerdos para inducir el crecimiento de órganos humanos, con el objetivo de aumentar el éxito del trasplante de órganos de cerdo a humano . [ 110 ] Los científicos están creando "impulsores genéticos", cambiando los genomas de los mosquitos para hacerlos inmunes a la malaria, y luego buscan propagar los mosquitos genéticamente alterados por toda la población de mosquitos con la esperanza de eliminar la enfermedad. [ 111 ]

Investigación

Ratones knockout
Células humanas en las que algunas proteínas se fusionan con proteína fluorescente verde para permitir su visualización.

La ingeniería genética es una herramienta importante para los científicos naturales , siendo la creación de organismos transgénicos una de las herramientas más importantes para el análisis de la función génica. [ 112 ] Los genes y otra información genética de una amplia gama de organismos pueden insertarse en bacterias para su almacenamiento y modificación, creando bacterias genéticamente modificadas en el proceso . [ 113 ] Las bacterias son baratas, fáciles de cultivar, clonales , se multiplican rápidamente, son relativamente fáciles de transformar y pueden almacenarse a -80  °C casi indefinidamente. Una vez aislado un gen, puede almacenarse dentro de la bacteria, proporcionando un suministro ilimitado para la investigación. [ 114 ]

Los organismos se modifican genéticamente para descubrir las funciones de ciertos genes. Esto puede incluir el efecto sobre el fenotipo del organismo, dónde se expresa el gen o con qué otros genes interactúa. Estos experimentos generalmente implican la pérdida o ganancia de función, el seguimiento y la expresión génica.

  • Experimentos de pérdida de función , como en un experimento de eliminación génica , en el que se modifica un organismo para que carezca de la actividad de uno o más genes. En una eliminación génica simple, se altera una copia del gen deseado para que no sea funcional. Las células madre embrionarias incorporan el gen alterado, que reemplaza la copia funcional ya presente. Estas células madre se inyectan en blastocistos , que se implantan en madres subrogadas. Esto permite al experimentador analizar los defectos causados ​​por esta mutación y, por lo tanto, determinar la función de genes específicos. Se utiliza con especial frecuencia en biología del desarrollo . [ 115 ] Cuando esto se realiza creando una biblioteca de genes con mutaciones puntuales en cada posición del área de interés, o incluso en cada posición del gen completo, se denomina "mutagénesis por escaneo". El método más simple, y el primero en utilizarse, es el "escaneo de alanina", donde cada posición se muta a la alanina, un aminoácido no reactivo . [ 116 ]
  • Los experimentos de ganancia de función son la contraparte lógica de los experimentos de inactivación génica. A veces se realizan junto con estos últimos para establecer con mayor precisión la función del gen deseado. El proceso es muy similar al de la ingeniería de genes inactivados, con la diferencia de que el constructo se diseña para aumentar la función del gen, generalmente mediante la adición de copias extra del gen o la inducción de una síntesis proteica más frecuente. La ganancia de función se utiliza para determinar si una proteína es suficiente para una función, pero no siempre implica que sea necesaria, especialmente cuando se trata de redundancia genética o funcional. [ 115 ]
  • Los experimentos de seguimiento buscan obtener información sobre la localización e interacción de la proteína deseada. Una forma de hacerlo es reemplazar el gen de tipo silvestre con un gen de fusión, que consiste en la yuxtaposición del gen de tipo silvestre con un elemento reportero como la proteína verde fluorescente (GFP), lo que permite visualizar fácilmente los productos de la modificación genética. Si bien esta técnica es útil, la manipulación puede destruir la función del gen, creando efectos secundarios y posiblemente poniendo en duda los resultados del experimento. Actualmente se están desarrollando técnicas más sofisticadas que permiten rastrear los productos proteicos sin alterar su función, como la adición de pequeñas secuencias que actúan como motivos de unión a anticuerpos monoclonales. [ 115 ]
  • Los estudios de expresión génica buscan descubrir dónde y cuándo se producen proteínas específicas. En estos experimentos, la secuencia de ADN anterior a la que codifica una proteína, conocida como promotor del gen , se reintroduce en un organismo, reemplazando la región codificante por un gen reportero como la GFP o una enzima que cataliza la producción de un colorante. De esta manera, se puede observar el momento y el lugar donde se produce una proteína en particular. Los estudios de expresión génica pueden ir un paso más allá, modificando el promotor para identificar qué fragmentos son cruciales para la correcta expresión del gen y a qué proteínas de la transcripción se unen; este proceso se conoce como manipulación del promotor . [ 117 ]

Industrial

Los organismos pueden tener sus células transformadas con un gen que codifica una proteína útil, como una enzima, para que sobreexpresen la proteína deseada. Luego se pueden fabricar grandes cantidades de la proteína cultivando el organismo transformado en un biorreactor mediante fermentación industrial y luego purificando la proteína. [ 118 ] Algunos genes no funcionan bien en bacterias, por lo que también se pueden usar levaduras, células de insectos o células de mamíferos. [ 119 ] Estas técnicas se utilizan para producir medicamentos como insulina , hormona del crecimiento humana y vacunas , suplementos como triptófano , ayuda en la producción de alimentos ( quimosina en la elaboración de queso) y combustibles. [ 120 ] Otras aplicaciones con bacterias modificadas genéticamente podrían incluir hacerlas realizar tareas fuera de su ciclo natural, como producir biocombustibles , [ 121 ] limpiar derrames de petróleo, carbono y otros desechos tóxicos [ 122 ] y detectar arsénico en el agua potable. [ 123 ] Ciertos microbios modificados genéticamente también pueden utilizarse en la biominería y la biorremediación , debido a su capacidad para extraer metales pesados ​​de su entorno e incorporarlos en compuestos que son más fácilmente recuperables. [ 124 ]

En ciencia de materiales , se ha utilizado un virus modificado genéticamente en un laboratorio de investigación como andamio para ensamblar una batería de iones de litio más respetuosa con el medio ambiente . [ 125 ] [ 126 ] También se han modificado genéticamente bacterias para que funcionen como sensores mediante la expresión de una proteína fluorescente bajo ciertas condiciones ambientales. [ 127 ]

Agricultura

Las toxinas Bt presentes en las hojas de maní (imagen inferior) lo protegen del daño extenso causado por las larvas del barrenador menor del tallo del maíz (imagen superior). [ 128 ]

Una de las aplicaciones más conocidas y controvertidas de la ingeniería genética es la creación y el uso de cultivos o ganado genéticamente modificados para producir alimentos genéticamente modificados . Se han desarrollado cultivos para aumentar la producción, incrementar la tolerancia a los estrés abióticos , alterar la composición de los alimentos o producir productos novedosos. [ 129 ]

Los primeros cultivos que se lanzaron comercialmente a gran escala proporcionaron protección contra plagas de insectos o tolerancia a los herbicidas . También se han desarrollado o están en desarrollo cultivos resistentes a hongos y virus. [ 130 ] [ 131 ] Esto facilita el manejo de insectos y malezas en los cultivos y puede aumentar indirectamente el rendimiento de los cultivos. [ 132 ] [ 133 ] También se están desarrollando cultivos transgénicos que mejoran directamente el rendimiento al acelerar el crecimiento o hacer que la planta sea más resistente (al mejorar la tolerancia a la salinidad, el frío o la sequía). [ 134 ] En 2016, el salmón fue modificado genéticamente con hormonas de crecimiento para alcanzar el tamaño adulto normal mucho más rápido. [ 135 ]

Se han desarrollado OGM que modifican la calidad de los productos al aumentar su valor nutricional o proporcionar cualidades o cantidades más útiles para la industria. [ 134 ] La papa Amflora produce una mezcla de almidones más útil para la industria. La soja y la canola se han modificado genéticamente para producir aceites más saludables. [ 136 ] [ 137 ] El primer alimento transgénico comercializado fue un tomate con maduración retardada, lo que aumentó su vida útil . [ 138 ]

Se han modificado genéticamente plantas y animales para producir materiales que normalmente no producen. La farmacología utiliza cultivos y animales como biorreactores para producir vacunas, intermedios de fármacos o los propios fármacos; el producto útil se purifica a partir de la cosecha y luego se utiliza en el proceso estándar de producción farmacéutica. [ 139 ] Se han modificado genéticamente vacas y cabras para que expresen fármacos y otras proteínas en su leche, y en 2009 la FDA aprobó un fármaco producido en leche de cabra. [ 140 ] [ 141 ]

Otras aplicaciones

La ingeniería genética tiene aplicaciones potenciales en la conservación y la gestión de áreas naturales. La transferencia de genes a través de vectores virales se ha propuesto como un medio para controlar especies invasoras, así como para vacunar a la fauna amenazada contra enfermedades. [ 142 ] Se ha sugerido el uso de árboles transgénicos como una forma de conferir resistencia a patógenos en poblaciones silvestres. [ 143 ] Ante el creciente riesgo de mala adaptación en los organismos como resultado del cambio climático y otras perturbaciones, la adaptación facilitada mediante la modificación genética podría ser una solución para reducir los riesgos de extinción. [ 144 ] Hasta el momento, las aplicaciones de la ingeniería genética en la conservación son mayoritariamente teóricas y aún no se han puesto en práctica.

La ingeniería genética también se está utilizando para crear arte microbiano . [ 145 ] Algunas bacterias han sido modificadas genéticamente para crear fotografías en blanco y negro. [ 146 ] Artículos novedosos como claveles de color lavanda , [ 147 ] rosas azules , [ 148 ] y peces que brillan , [ 149 ] [ 150 ] también se han producido mediante ingeniería genética.

Regulación

La regulación de la ingeniería genética se refiere a los enfoques adoptados por los gobiernos para evaluar y gestionar los riesgos asociados con el desarrollo y la liberación de OGM. El desarrollo de un marco regulatorio comenzó en 1975, en Asilomar , California. [ 151 ] La reunión de Asilomar recomendó un conjunto de directrices voluntarias sobre el uso de la tecnología recombinante. [ 31 ] A medida que la tecnología mejoraba, Estados Unidos estableció un comité en la Oficina de Ciencia y Tecnología , [ 152 ] que asignó la aprobación regulatoria de los alimentos transgénicos al USDA, la FDA y la EPA. [ 153 ] El Protocolo de Cartagena sobre Seguridad de la Biotecnología , un tratado internacional que rige la transferencia, manipulación y uso de OGM, [ 154 ] fue adoptado el 29 de enero de 2000. [ 155 ] Ciento cincuenta y siete países son miembros del Protocolo, y muchos lo utilizan como punto de referencia para sus propias regulaciones. [ 156 ]

El estatus legal y regulatorio de los alimentos transgénicos varía según el país, con algunas naciones que los prohíben o restringen, y otras que los permiten con grados de regulación muy diferentes. [ 157 ] [ 158 ] [ 159 ] [ 160 ] Algunos países permiten la importación de alimentos transgénicos con autorización, pero no permiten su cultivo (Rusia, Noruega, Israel) o tienen disposiciones para el cultivo aunque todavía no se produzcan productos transgénicos (Japón, Corea del Sur). La mayoría de los países que no permiten el cultivo de OMG sí permiten la investigación. [ 161 ] Algunas de las diferencias más marcadas se dan entre EE. UU. y Europa. La política de EE. UU. se centra en el producto (no en el proceso), solo considera los riesgos científicos verificables y utiliza el concepto de equivalencia sustancial . [ 162 ] La Unión Europea, por el contrario, tiene posiblemente las regulaciones sobre OMG más estrictas del mundo. [ 163 ] Todos los OMG, junto con los alimentos irradiados , se consideran "nuevos alimentos" y están sujetos a una evaluación alimentaria extensa, caso por caso, basada en la ciencia por parte de la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria . Los criterios de autorización se dividen en cuatro categorías principales: «seguridad», «libertad de elección», «etiquetado» y «trazabilidad». [ 164 ] El nivel de regulación en otros países que cultivan OMG se sitúa entre Europa y Estados Unidos.

Una de las cuestiones clave que preocupan a los reguladores es si los productos transgénicos deben etiquetarse. La Comisión Europea afirma que el etiquetado obligatorio y la trazabilidad son necesarios para permitir una elección informada, evitar la posible publicidad engañosa [ 175 ] y facilitar la retirada de productos si se descubren efectos adversos para la salud o el medio ambiente. [ 176 ] La Asociación Médica Estadounidense [ 177 ] y la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia [ 178 ] afirman que, a falta de evidencia científica de daño, incluso el etiquetado voluntario es engañoso y alarmará falsamente a los consumidores. El etiquetado de productos transgénicos en el mercado es obligatorio en 64 países. [ 179 ] El etiquetado puede ser obligatorio hasta un umbral de contenido transgénico (que varía entre países) o voluntario. En Canadá y Estados Unidos, el etiquetado de alimentos transgénicos es voluntario, [ 180 ] mientras que en Europa todos los alimentos (incluidos los alimentos procesados ) o piensos que contengan más del 0,9 % de transgénicos aprobados deben etiquetarse. [ 163 ]

Controversia

Los críticos se han opuesto al uso de la ingeniería genética por diversas razones, incluyendo preocupaciones éticas, ecológicas y económicas. [ 181 ] Muchas de estas preocupaciones giran en torno a los cultivos transgénicos y la seguridad de los alimentos producidos a partir de ellos, así como el impacto que su cultivo tendrá en el medio ambiente. Estas controversias han dado lugar a litigios, disputas comerciales internacionales, protestas y regulaciones restrictivas de productos comerciales en algunos países. [ 182 ]

Las acusaciones de que los científicos están " jugando a ser Dios " y otras cuestiones religiosas se han atribuido a la tecnología desde el principio. [ 183 ] Otras cuestiones éticas planteadas incluyen la patentación de la vida , [ 184 ] el uso de los derechos de propiedad intelectual , [ 185 ] el nivel de etiquetado en los productos, [ 186 ] [ 187 ] el control del suministro de alimentos [ 188 ] y la objetividad del proceso regulatorio. [ 189 ] Aunque se han planteado dudas, [ 190 ] económicamente la mayoría de los estudios han encontrado que el cultivo de cultivos transgénicos es beneficioso para los agricultores. [ 191 ] [ 192 ] [ 193 ]

El flujo genético entre cultivos transgénicos y plantas compatibles, junto con el mayor uso de herbicidas selectivos , puede aumentar el riesgo de que se desarrollen " supermalezas ". [ 194 ] Otras preocupaciones ambientales incluyen los posibles impactos en organismos no objetivo, incluidos los microbios del suelo , [ 195 ] y un aumento de plagas de insectos secundarias y resistentes. [ 196 ] [ 197 ] Muchos de los impactos ambientales relacionados con los cultivos transgénicos pueden tardar muchos años en comprenderse y también son evidentes en las prácticas agrícolas convencionales. [ 195 ] [ 198 ] Con la comercialización de peces genéticamente modificados, existen preocupaciones sobre cuáles serán las consecuencias ambientales si escapan. [ 199 ]

Hay tres preocupaciones principales sobre la seguridad de los alimentos genéticamente modificados: si pueden provocar una reacción alérgica ; si los genes podrían transferirse de los alimentos a las células humanas; y si los genes no aprobados para el consumo humano podrían cruzarse con otros cultivos. [ 200 ] Existe un consenso científico [ 201 ] [ 202 ] [ 203 ] [ 204 ] de que los alimentos actualmente disponibles derivados de cultivos transgénicos no representan un mayor riesgo para la salud humana que los alimentos convencionales, [ 205 ] [ 206 ] [ 207 ] [ 208 ] [ 209 ] pero que cada alimento transgénico debe ser probado caso por caso antes de su introducción. [ 210 ] [ 211 ] [ 212 ] Sin embargo, es menos probable que los miembros del público que los científicos perciban los alimentos transgénicos como seguros. [ 213 ] [ 214 ] [ 215 ] [ 216 ]

La ingeniería genética aparece en muchas historias de ciencia ficción . [ 25 ] La novela de Frank Herbert, La peste blanca, describe el uso deliberado de la ingeniería genética para crear un patógeno que mata específicamente a las mujeres. [ 25 ] Otra de las creaciones de Herbert, la serie de novelas Dune , utiliza la ingeniería genética para crear al poderoso Tleilaxu . [ 217 ] Pocas películas han informado al público sobre la ingeniería genética, con la excepción de Los niños del Brasil de 1978 y Parque Jurásico de 1993 , ambas utilizan una lección, una demostración y un fragmento de película científica. [ 218 ] [ 219 ] Los métodos de ingeniería genética están débilmente representados en el cine; Michael Clark, escribiendo para Wellcome Trust , dice que la representación de la ingeniería genética y la biotecnología está "gravemente distorsionada" [ 219 ] en películas como El sexto día . En opinión de Clark, la biotecnología suele recibir "formas fantásticas pero visualmente impactantes", mientras que la ciencia queda relegada a un segundo plano o se ficcionaliza para adaptarse a un público joven. [ 219 ]

Véase también

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  202. "Estado de la Alimentación y la Agricultura 2003-2004. Biotecnología Agrícola: Satisfacer las Necesidades de los Pobres. Impactos sanitarios y ambientales de los cultivos transgénicos" . Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura . Consultado el 8 de febrero de 2016. Los cultivos transgénicos disponibles actualmente y los alimentos derivados de ellos se han considerado seguros para el consumo y los métodos utilizados para probar su seguridad se han considerado apropiados. Estas conclusiones representan el consenso de la evidencia científica examinada por el ICSU (2003) y son consistentes con las opiniones de la Organización Mundial de la Salud (OMS, 2002). Estos alimentos han sido evaluados en cuanto a mayores riesgos para la salud humana por varias autoridades reguladoras nacionales (entre otros, Argentina, Brasil, Canadá, China, Reino Unido y Estados Unidos) utilizando sus procedimientos nacionales de seguridad alimentaria (ICSU). Hasta la fecha, no se han descubierto en ninguna parte del mundo efectos tóxicos adversos o nutricionalmente perjudiciales verificables resultantes del consumo de alimentos derivados de cultivos genéticamente modificados (Panel de Revisión Científica de GM). Muchos millones de personas han consumido alimentos derivados de plantas transgénicas, principalmente maíz, soja y colza, sin que se hayan observado efectos adversos (ICSU).
  203. Ronald P (mayo de 2011). "Genética vegetal, agricultura sostenible y seguridad alimentaria mundial" . Genetics . 188 (1): 11– 20. Bibcode : 2011Genet.188...11R . doi : 10.1534/genetics.111.128553 . PMC 3120150. PMID 21546547. Existe un amplio consenso científico de que los cultivos genéticamente modificados que se encuentran actualmente en el mercado son seguros para el consumo. Después de 14 años de cultivo y un total acumulado de 2 mil millones de acres plantados, no se han producido efectos adversos para la salud ni para el medio ambiente como resultado de la comercialización de cultivos genéticamente modificados (Junta de Agricultura y Recursos Naturales, Comité de Impactos Ambientales Asociados con la Comercialización de Plantas Transgénicas, Consejo Nacional de Investigación y División de Estudios de la Tierra y la Vida 2002). Tanto el Consejo Nacional de Investigación de EE. UU. como el Centro Común de Investigación (laboratorio de investigación científica y técnica de la Unión Europea y parte integrante de la Comisión Europea) han concluido que existe un amplio conjunto de conocimientos que aborda adecuadamente la cuestión de la seguridad alimentaria de los cultivos modificados genéticamente (Comité para la Identificación y Evaluación de los Efectos No Deseados de los Alimentos Modificados Genéticamente en la Salud Humana y Consejo Nacional de Investigación, 2004; Centro Común de Investigación de la Comisión Europea, 2008). Estos y otros informes recientes concluyen que los procesos de ingeniería genética y mejora genética convencional no difieren en cuanto a las consecuencias no deseadas para la salud humana y el medio ambiente (Dirección General de Investigación e Innovación de la Comisión Europea, 2010).  
  204. Pero véase también: Domingo JL, Giné Bordonaba J (mayo de 2011). "Una revisión bibliográfica sobre la evaluación de la seguridad de las plantas genéticamente modificadas". Environment International . 37 (4): 734– 42. Bibcode : 2011EnInt..37..734D . doi : 10.1016/j.envint.2011.01.003 . PMID 21296423. A pesar de esto, el número de estudios específicamente centrados en la evaluación de la seguridad de las plantas transgénicas sigue siendo limitado. Sin embargo, es importante señalar que , por primera vez, se observó un cierto equilibrio en el número de grupos de investigación que sugieren, basándose en sus estudios, que varias variedades de productos transgénicos (principalmente maíz y soja) son tan seguras y nutritivas como la planta convencional no transgénica correspondiente, y aquellos que aún plantean serias preocupaciones. Además, cabe mencionar que la mayoría de los estudios que demuestran que los alimentos transgénicos son tan nutritivos y seguros como los obtenidos mediante el mejoramiento convencional han sido realizados por empresas de biotecnología o sus asociados, quienes también se encargan de la comercialización de estas plantas transgénicas. En cualquier caso, esto representa un avance notable en comparación con la escasez de estudios publicados en los últimos años en revistas científicas por dichas empresas. Krimsky S (2015). "Un consenso ilusorio sobre la evaluación de la salud de los OMG" (PDF) . Ciencia, tecnología y valores humanos . 40 (6): 883– 914. doi : 10.1177/0162243915598381 . S2CID 40855100. Archivado del original (PDF) el 7 de febrero de 2016. Recuperado el 30 de octubre de 2016. Comencé este artículo con los testimonios de científicos respetados que afirman que literalmente no existe controversia científica sobre los efectos de los OMG en la salud. Mi investigación en la literatura científica cuenta otra historia.  Y contraste: Panchin AY , Tuzhikov AI (marzo de 2017). "Los estudios publicados sobre OMG no encuentran evidencia de daño cuando se corrigen para comparaciones múltiples". Critical Reviews in Biotechnology . 37 (2): 213– 217. doi : 10.3109/07388551.2015.1130684 . PMID 26767435. S2CID 11786594. Aquí, mostramos que varios artículos , algunos de los cuales han influido fuerte y negativamente en la opinión pública sobre los cultivos transgénicos e incluso provocado acciones políticas, como el embargo de OMG, comparten fallas comunes en la evaluación estadística de los datos. Habiendo tenido en cuenta estas fallas, concluimos que los datos presentados en estos artículos no proporcionan ninguna evidencia sustancial de daño de OMG. Los artículos presentados que sugieren un posible daño de los OMG recibieron alta atención pública. Sin embargo, a pesar de sus afirmaciones, en realidad debilitan la evidencia sobre el daño y la falta de equivalencia sustancial de los OGM estudiados. Subrayamos que, con más de 1783 artículos publicados sobre OGM en los últimos 10 años, es de esperar que algunos de ellos hayan informado sobre diferencias indeseadas entre los OGM y los cultivos convencionales, incluso si tales diferencias no existen en la realidad.   y Yang YT, Chen B (abril de 2016). "Gobernando los OGM en los EE. UU.: ciencia, ley y salud pública". Journal of the Science of Food and Agriculture . 96 (6): 1851– 5. Bibcode : 2016JSFA...96.1851Y . doi : 10.1002/jsfa.7523 . PMID 26536836. Por lo tanto , no es sorprendente que los esfuerzos para exigir el etiquetado y prohibir los OGM hayan sido un tema político creciente en los EE. UU. (citando a Domingo y Bordonaba, 2011) . En general, un amplio consenso científico sostiene que los alimentos transgénicos comercializados actualmente no representan un mayor riesgo que los alimentos convencionales... Las principales asociaciones científicas y médicas nacionales e internacionales han declarado que hasta la fecha no se han reportado ni corroborado efectos adversos para la salud humana relacionados con los alimentos transgénicos en la literatura revisada por pares. A pesar de las diversas preocupaciones, hoy en día, la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia, la Organización Mundial de la Salud y muchas organizaciones científicas internacionales independientes coinciden en que los OGM son tan seguros como otros alimentos. En comparación con las técnicas de mejoramiento convencionales, la ingeniería genética es mucho más precisa y, en la mayoría de los casos, tiene menos probabilidades de generar resultados inesperados. 
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Lecturas adicionales

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  • Donnellan, Craig (2004). Modificación genética (Cuestiones) . Independence Educational Publishers. ISBN 1-86168-288-3.
  • Morgan S (1 de enero de 2009). Superalimentos: Modificación genética de los alimentos . Biblioteca Heinemann. ISBN 978-1-4329-2455-3.
  • Smiley, Sophie (2005). Modificación genética: Guía de estudio (Explorando los temas) . Independence Educational Publishers. ISBN 1-86168-307-3.
  • Watson JD (2007). ADN recombinante: Genes y genomas: Un curso breve . San Francisco: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-2866-5.
  • Weaver S, Michael M (2003). Bibliografía anotada de publicaciones científicas sobre los riesgos asociados a la modificación genética (Informe). Wellington, Nueva Zelanda: Universidad Victoria.
  • Zaid A, Hughes HG, Porceddu E, Nicholas F (2001). Glosario de biotecnología para la alimentación y la agricultura: edición revisada y ampliada del glosario de biotecnología e ingeniería genética . Roma, Italia: FAO . ISBN 92-5-104683-2.
  • Seguridad de los OMG: Información sobre proyectos de investigación acerca de la seguridad biológica de las plantas modificadas genéticamente.
  • GMO-compass, noticias sobre transgénicos en la UE