Grüne Gentechnik
Risikodiskurs update
Angelika Hilbeck
Swiss Federal Institute of Technology, Zurich, Switzerland
New techniques developed to ‘edit’ genomes in a more ‘targeted’ way than previous GE techniques
Recognizes 3 base‐pairs (nucleotide‐triplets)
Recognizes single nucleotides (1 base‐pair)
RNA‐guided editing tool for genome engineering. Can delete larger pieces of DNS
ZINC FINGER, TALEN, CRISPR ….
All are derived from bacterial gene repair and defense mechanisms against viral intruders
Most work via gene disruption and silencing/deleting genes
A few (e.g. ZFN3) can at best transfer/’edit’ (silence/delete) single genes = simple traits – as limited possibilities as before
POSSIBILITIES OF NEW GENETIC MODIFICATION TECHNIQUES
INTERESTINGLY!
All ‘praise’ site-specificity as superior to random insertion of earlier transgenic technologies.
Note: Previously, site-specificity was deemed irrelevant-transgenic technologies claimed superiority over breeding because of known sequence of inserted piece of DNA
RISKS OF NEW GENETIC MODIFICATION TECHNIQUES
Postulated advantages:
• ‘Site’- specificity – superior to random insertion of known sequence! Increased precision –improved control – more safety!
• No ‘recombinant’ gene transfer necessary –more safety
• No ‘baggage’ from regulatory and other elements – more safety
Aim: generate a ‘novel’ organism not considered GMO to avoid regulations BUT still ‘novel’ invention to enjoy strict private property rights –PATENTS
Issues of Risk Discussion
All remain risky:
• re-arranging genes• interfering with gene functioning • interfering with epigenetically modified
genes
Hardly any systematic safety studiesFocus – product development
Risks – ZNFs & TALEN- Failure rate of cleaving at all or at right site still
substantial (20-50%)*
- Off-target cleavage events may also promote random integration of donor DNA**
- Lack sufficient resolution to target single-nucleotide polymorphisms (SNPs), precise boundaries of genetic elements*
- More effective than ZNFs but higher “mutagenesis at off-target sites can lead to cytotoxicity”*
*Segal & Meckler 2013. Genome engineering at the dawn of the golden age. Annu. Rev. Genomics Hum. Genet. 14: 135-58; ** Durai S, Mani M, Kandavelou K, Wu J, Porteus MH, Chandrasegaran S (2005). Zinc finger nucleases: custom‐designed molecular scissors for genome engineering of plant and mammalian cells. Nucleic Acids res. 33: 5978–90
Risks - CRISPR:
Cutting DNA at places where the sequence is similar but not identical to that of the guide RNA
Disrupting/deleting knock-on functions
Disrupting/deleting epigenes
Gene manipulations may end up turning down, or off, genes other than those that were targeted
‘Applied engineering’ field of molecular biology still builds on ‘central dogma’:
- Genetic information is conveyed by DNAsequences only (construction instructions)and
- a particular DNA sequence will code for the same and the only gene product - in both the donor and the recipient organism
- Plasticity, variability and diversity are problems and road blocks
State of ‘disconnect’ between knowledge groups
‘Dogma’ hielt sich bis ins Jahr 2000!
Liang, F., et al. 2000. "Gene Index Analysis of the Human Genome Estimates Approximately 120,000 Gene," Nature Genetics 25, 239‐40.
International Human Genome Sequencing Consortium
February 15, 2001:…estimated only about 30,000 to 40,000 protein-coding genes…
2003: 24,500 or fewerPennisi, E. 2003. "Gene Counters Struggle to Get the Right Answer," Science 301, 1040-1041
October 2004:… reduce the estimated number of human protein-coding genes … to only 20,000-25,000, a surprisingly low number for our species
Since 2007: The current consensus predicts about 20,500 genes, ….
“….estimate came as a shock to many scientists because counting genes was viewed as a way of quantifying genetic complexity.”http://www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/faq/genenumber.shtml
Nematode (C. elegans) = ca. 20 000 genes
Mouse = ca. 22 000 genes
Maize = ca. 32 000 genes
Rice = 40 000 – 56 000 genes
Organisms are more than the sum of ist parts anddo not function (linear) mechanistically (1 gene = multifunctional, many possible products)
„Biology NOT another physics!“
Paradigm shift in basic genetics
Gene networks … multidirectional flow of information (instructions) & feedback circuits
Regulatorisches Netzwerk bei der Mesodermbildung, Teil 2. Die Bindung der Regulatorproteine Tcf7 (rot), Lef1 (violett), Brachyury (grasgrün), Tbx6 (dunkelgrün), Snail1 (türkisblau), Srf (marineblau) an die Promotoren ihrer Zielgene imkaudalen Bereich von Mausembryonen wurde mithilfe der ChIP‐Methode sichtbar gemacht und nach bioinformatischenAnalysen in Form eines Netzwerks dargestellt. Ein Teil der Zielgene wird von mehreren Regulatorengemeinsam, andere von einzelnen kontrolliert.
http://www.mpg.de/417604/forschungsSchwerpunkt?c=166522
Zellkern ein Ökosystem?
Nucleus = Ecological system
- complex (not necessarily complicated)- non-linear (feedback-)processes and functions- Multiplicity and redundancy (error-friendly!)- Real-time adaptation results in constantly(co-)evolving systems (cooperation!)
Key for survival: Variability, diversity andstringent rules (barriers – but not absolute)
EMERGENCE and (simple) algorithms!
complex ADAPTIVE (learning) SYSTEMS, that rather resemble fluids than static objects
The big Disconnect!!
The KNOWN
PredictabilityReduction to certaintyControl
A disconnecting filter
Biology PlasticityEcology UnpredictabilityGenetics Variability
Biology PlasticityEcology UnpredictabilityGenetics Variability
The KNOWN
PredictabilityReduction to certaintyControl
A disconnecting filter
FILTER Effect: Variability & diversity is ‘Noise’ in need of control by engineering
The effects of gene expression noise, mutation, cell death, undefined and changing extracellular environments, and interactions with cellular context currently hinder us from engineering single cells with the confidence that we can engineer computers to do specific tasks.
In need of control and improvement!
Andrianantoandro E, Basu S, Karig DK, Weiss R
HolistischeNutzenvereinnahmungvs enge RisikoanalyseFokus Zieleffekt• Kontrolle• Wissen• Präzision
AusgewogenesVerhältnis in Breite der Risikoanalyse gemessenan Nutzenanalyse• Nichtzieleffekte• Nichtwissen• Unsicherheit
Konkurrierende Narrativen/Typen
Umweltrisiko Diskussion
TYP I TYP II
Vorteile – NutzenRisiken
Nicht vorsorglich
vorsorglich
Welches Risikoabschätzungsmodelmöchten wir?
Asymmetrisch -Nutzen
Symmetrisch, eng gefasst
Symmetrisch, breiter gefasst
Asymmetrisch –Risiken
Vorteile – Nutzen
vorsorglich
Momentanes Modell
Welches Risikoabschätzungsmodelmöchten wir?
Nicht vorsorglich
Risiken
Asymmetrisch -Nutzen
Symmetrisch, eng gefasst
Symmetrisch, breiter gefasst
Asymmetrisch –Risiken
Bt Pflanzen
Pestizid-intensive, agrar-industrielleRohstoffproduktionssysteme
-
• Keine Pestizidanwendung gegenZielschädlinge – geringere Exposition und Gefährdung der Umwelt und Menschen
• Vereinfachte Schädlingskontrolle• Wirtschaftlicherer Anbau• Mehr Einkommen, besseres Leben, etc
Reduzierter Pestizideinsatz
gegenZielschädling
Insekten-resistente Pflanze
Breiter ‘holistischer’ Nutzen – Gentechnik -relevant
Bt Toxin
+
Erhöhter Pestizideinsatz
gegenNicht-Zielschädlinge
Insekten-resistente Pflanze
Bt Toxin
Breite ‘holistische’ Risiken – nicht gentechnik -relevant
+
Erhöhter Pestizideinsatz
gegenNicht-Zielschädlinge
Insekten-resistente Pflanze
Bt Toxin
Breite ‘holistische’ Risiken – nicht gentechnik -relevant
Geht so …..
+
Erhöhter Pestizideinsatz
gegenNicht-Zielschädlinge
Insekten-resistente Pflanze
Bt Toxin
Breite ‘holistische’ Risiken – nicht gentechnik -relevant
+
Enge, reduktionistische Risikoabschätzung
Bt ToxinMaispflanze
+
Pflanze getrennt von eingefügtemneuartigen Toxin = grundsätzlich‘sicher’ deklariert
Bt ToxinKonzept der ‘substantiellenÄquivalenz’
+
Pflanze getrennt von eingefügtemneuartigen Toxin = grundsätzlich‘sicher’ deklariert
Bt Toxin
Neuartiges Bt Toxin isoliertvon Pflanzenkontextbetrachtet
Neuartiges Bt Toxin isoliertvon Pflanzenkontextbetrachtet
Geprüft nach Pestizidrichtlinien:Einmalige Akuttoxizitätstests mitisolierten, mikrobiellhergestellten Bt Toxinen und universellen OECD Standardorganismen(Surrogat-Organismen,kommen nicht in Agraröko-system vor)
Bt Toxin
+
…systemische RISIKEN/adverse Effekte :
• Resistenzen in Zielorganismen (Südafrika, Südamerika, Indien, USA)
• Sekundärschädlinge• Auswirkungen auf Nichtzielorganismen in Nahrungskette
(einschl. nützlicher Insekten) – Biodiversitätsauswirkungenim Feld
• Zunahme des Pestizideinsatzes (gegen Ziel- und Sekundärschädlinge)
Bt Toxin
+
…systemische RISIKEN/adverse Effekte :
• Resistenzen in Zielorganismen (GRASSIEREN in Südafrika, Südamerika, Indien, USA) – BIG BATTLES!!!
• Sekundärschädlinge• Auswirkungen auf Nichtzielorganismen in Nahrungskette
(einschl. nützlicher Insekten) – Biodiversitätsauswirkungenim Feld
• Zunahme des Pestizideinsatzes (gegen Ziel- und Sekundärschädlinge)
Bt Toxin
HolistischeNutzenvereinnahmungvs enge RisikoanalyseFokus Zieleffekt• Kontrolle• Wissen• Präzision
AusgewogenesVerhältnis in Breite der Risikoanalyse gemessenan Nutzenanalyse• Nichtzieleffekte• Nichtwissen• Unsicherheit
Konkurrierende Narrativen/Typen
Umweltrisiko Diskussion
TYP I TYP II
KEIN PROBLEM- externalisiert!
VIELE PROBLEME- internalisiert!
Prinzip der Konzentrierung der Gewinne und Sozialisierung der Risiken und Schäden
Planetarische Grenzen überschritten – der sichere‘Spielraum’ für die Menscheit
9 Planetarische Lebens-erhaltungssysteme
Rockström et al., Nature 2009
Der Planet istim Begriff einenmassiven ‘Shift’ – abrupterSystemwechselzu erleben
Vorteile – NutzenRisiken
Nicht vorsorglich
vorsorglich
Welches Risikoabschätzungsmodelmöchten wir?
Asymmetrisch -Nutzen
Symmetrisch, eng gefasst
Symmetrisch, breiter gefasst
Asymmetrisch –Risiken
Vorteile – NutzenRisiken
Nicht vorsorglich
vorsorglich
Welches Risikoabschätzungsmodelmöchten wir?
Asymmetrisch -Nutzen
Symmetrisch, eng gefasst
Symmetrisch, breiter gefasst
Asymmetrisch –Risiken
Vorteile – NutzenRisiken
Nicht vorsorglich
vorsorglich
Momentanes GVO Hersteller-Modell
Welches Risikoabschätzungsmodelmöchten wir?
Asymmetrisch -Nutzen
Symmetrisch, eng gefasst
Symmetrisch, breiter gefasst
Asymmetrisch –Risiken
Vorteile – NutzenRisiken
Nicht vorsorglich
Vorsorge-Prinzip in EU Vertragverankert!
Welches Risikoabschätzungsmodelmöchten wir?
Asymmetrisch -Nutzen
Symmetrisch, eng gefasst
Symmetrisch, breiter gefasst
Asymmetrisch –Risiken
Gefordertes umwelt-relevantes Modell für Europa
THANK YOU!!
+
Glyphosat-basierte HerbizideGlyphosat-resistente GV Pflanze
• Pflugloser Anbau (Kostenersparnis)Kollateralnutzen: Reduziertes Bodenerosionsrisiko
• Anwendung weniger schädlicher Herbizide• Vereinfachtes Unkrautmanagement• Wirtschaftlicherer Anbau
Breiter, ‘holistischer’ Nutzen durch Einsatz von Totalherbizid
+
…RISKEN/adverse Effekte durch ‘EinsatzTotalherbizid’ nicht gentechnik-relevant (= KeinGVO Effekt):
+
Und das geht so…..
…RISKEN/adverse Effekte durch ‘EinsatzTotalherbizid’ nicht gentechnik-relevant (= KeinGVO Effekt):
+
+
Neue GV Pflanze
Einsatz TotalherbizidNeue GV Pflanze isoliert von
Neue GV Pflanze Einsatz Totalherbizid
Frühere Pestizidzulassung
Pflanze
GV Protein+ DNA
Pflanze
GV Protein+ DNA
Pflanze = sicher
GV Protein+ DNA
Nichts Neues für Sicherheit, nurErsatzenzym
Nichts Neues für Sicherheit, nurErsatzenzym
Keine relevanten, zu testendenSicherheitsfragen
GV Protein+ DNA
Substantiell Neues, Erfindung
Striktester Schutz – Patente!
GV Protein+ DNA
+
RISIKEN/adverse Effekte durch Herbizideinsatz alsnicht technik-relevant (= Kein GVO Effekt) negiert:
• Einseitige Anwendung von Roundup führte zu massivenResistenzen und Superunkräutern
Anwendung alter, toxischerer Herbizide nötig• Gesundheitseffekte durch massiven Einsatz von Roundup• Enorme Rückstandsproblematik im Erntegut• Grosse Umweltprobleme: reduzierte Aktivität der
Bodenmikroben, reduzierte Mikronährstoffverfügbarkeit, erhöhte Düngung nötig, massiv reduzierte Biodiversität
Dokumentierte Schäden und Risiken:
+
RISIKEN/adverse Effekte durch Herbizideinsatz alsnicht technik-relevant (= Kein GVO Effekt) negiert:
• Einseitige Anwendung von Roundup führte zu massivenResistenzen und Superunkräutern
Anwendung alter, toxischerer Herbizide nötig• Gesundheitseffekte durch massiven Einsatz von Roundup• Enorme Rückstandsproblematik im Erntegut• Grosse Umweltprobleme: reduzierte Aktivität der
Bodenmikroben, reduzierte Mikronährstoffverfügbarkeit, erhöhte Düngung nötig, massiv reduzierte Biodiversität
Kein Risiko
Dokumentierte Schäden und Risiken:
Experience with crop genetic engineering – genetic ambiguity!
The terminator sequence got lost!
At least 4 ‘unintended’ RNAs synthesized from added transgenic DNA containing sequences from both plant genomes and engineered construct.
Relevance for Risk Assessment:Unknown consequences – don’t look – don’t see! We were lucky?
Cartagena Protocol; Article 3, Use of Terms
g) ‘Living modified organism’ means any living organism that possesses a novel combination of genetic material obtained through the use of modern biotechnology;
h) ‘Living organism’ means any biological entity capable of transferring or replicating genetic material, including sterile organisms, viruses and viroids;
i) ‘Modern biotechnology’ means the application of:a. In vitro nucleic acid techniques, including recombinantdeoxyribonucleic acid (DNA) and direct injection of nucleic acidinto cells or organelles, or
b. Fusion of cells beyond the taxonomic family, that overcomenatural physiological reproductive or recombination barriers and that are not techniques used in traditional breeding and selection;
REGULATIONS – fit for purpose?
Husby, J. 2007. Definitions of GMO/LMO and modern biotechnology. Biosafety First, Chap 3
EU Directive 2001/18/EC, Article 2, 1) 2, 2a, 2b and article 3, Article 2, Definitions
1) ‘Organism’ means any biological entity capable of replication or of transferring genetic material;
2) ‘Genetically modified organism (GMO)’ means an organism, with the exception of human beings, in which the genetic material has been altered in a way that does not occur naturally by mating and/or natural recombination;
Within the terms of this definition:a) Genetic modification occurs at least through the use of the techniques listed in Annex I A, part1;…
REGULATIONS – fit for purpose?
Husby, J. 2007. Definitions of GMO/LMO and modern biotechnology. Biosafety First, Chap 23
ANNEX I A, TECHNIQUES REFERRED TO IN ARTICLE 2(2)PART 1Techniques of genetic modification referred to in Article 2(2)(a) are inter alia:1) Recombinant nucleic acid techniques involving the formation of new combinations of genetic material by the insertion of nucleic acid molecules produced by whatever means outside an organism, into any virus, bacterial plasmid or other vector system and their incorporation into a host organism in which they do not naturally occur but in which they are capable of continued propagation;
2) Techniques involving the direct introduction into an organism of heritable material prepared outside the organism including micro-injection, macro-injection and micro-encapsulation;
3) Cell fusion (including protoplast fusion) or hybridisationtechniques where live cells with new combinations of heritable genetic material are formed through the fusion of two or more cells by means of methods that do not occur naturally.
REGULATIONS – fit for purpose?
300 Wissenschaftler, PhD, aus Biologie, Medizin, Ökologie, Jura, Soziologie haben unterzeichnet