La historia de las armas genéticas
La pistola genética de primera generación es una pistola genética de escritorio, y la pistola genética de escritorio de pólvora es el tipo más primitivo de pistola genética. La primera pistola genética fue un nuevo método de transferencia de genes desarrollado por Sanford de la Universidad de Cornell en 1987 en colaboración con los expertos en ingeniería de la escuela, Wolf y Cullen. Una vez que se inventó este método, saltó a la fama en el mundo académico. Klein et al. utilizaron una pistola genética para transformar células epidérmicas de cebolla por primera vez en 1987 y lograron el éxito.
La pistola genética se ha desarrollado rápidamente desde su nacimiento en 1987. Desde 1988, la Universidad de Cornell en los Estados Unidos ha solicitado tres patentes de tecnología de armas genéticas (EP 0331 855A2, 1988: patente estadounidense n.° 4.945.050, 31 de julio de 1990: patente estadounidense n.° 5.036). De 1987 a 1990, aparecieron una tras otra varias armas genéticas, como la descarga de alto voltaje y el accionamiento de gas comprimido, todas las cuales se mejoraron y desarrollaron continuamente mediante la práctica repetida. En 1988, McCabe utilizó polvo de tungsteno para recubrir el gen objetivo y bombardeó el meristemo apical del brote de soja. Como resultado, alrededor del 2% de los tejidos obtenidos fueron plantas regeneradas mediante organogénesis y se detectaron genes extraños en la descendencia. En 1989, la pistola genética neumática transformó con éxito el tabaco y otras plantas y obtuvo una expresión transitoria. En comparación con otras plantas, el desarrollo de la tecnología genéticamente modificada en la cebada ha sido relativamente lento. Hasta 1989, Kartha et al. cultivaron células y tejidos de cebada y detectaron con éxito la expresión transitoria de genes informadores.
En 1990, DuPont de Estados Unidos lanzó el primer sistema comercial de pistola genética PDS-1000. Este instrumento es una pistola genética de escritorio "biolística", y la tecnología relacionada se compró a una pequeña empresa de biolística (la persona a cargo es de la Universidad de Cornell). Según W. Haeussler, vicepresidente de la Cornell Research Foundation y director de los mercados de patentes y tecnología de la universidad, la tecnología transferida a DuPont fue la transacción más grande para los inventos de Cornell en ese momento, con un pago único de un total de 2,28 millones a la Universidad de Cornell en concepto de regalías y honorarios de apoyo a la investigación. En ese momento, Bio-Rad Laboratories, Inc. firmó un acuerdo de distribuidor y OEM con DuPont. Posteriormente, Bole introdujo el arma PDS-1000/He en 1992. A nivel nacional, el Instituto de Biofísica de la Academia de Ciencias de China y la Universidad de Tsinghua también lanzaron nuevos tipos de armas y solicitaron patentes en 1989 y 1991 respectivamente (patentes chinas 89109334 y 91207467). A diferencia de las nuevas pistolas genéticas portátiles, las pistolas genéticas de escritorio son demasiado grandes y tienen sitios experimentales limitados, lo que hace que no puedan usarse de manera flexible en el campo. Es necesario evacuar el gas a alta presión y el compresor hace mucho ruido cuando funciona. Además, la alta presión del aire promueve el bombardeo de partículas, lo que hace que la pistola genética de escritorio se limite al trasplante de células y no pueda usarse para el trasplante de donantes vivos. El costo de cada bombardeo de la pistola genética de primera generación también fue muy alto, y el polvo de oro y los discos de ruptura utilizados para controlar la presión del aire eran costosos.
La segunda generación de pistolas genéticas apareció en 1996, cuando Bole lanzó la pistola genética portátil Helios. Esta fue la primera pistola genética de mano de la historia. El sistema utiliza pulsos de helio ajustables para impulsar partículas de oro empaquetadas con ADN, ARN u otros materiales biológicos en la pared interna de un pequeño tubo de plástico e inyectarlas directamente en las células. En comparación con la pistola genética de escritorio de primera generación, la pistola genética portátil Helios abandona el compresor de vacío y sacrifica parte de la presión del gas, lo que hace posible el trasplante de animales vivos y puede trasplantar directamente los músculos y la piel de animales vivos. Debido a su pequeño tamaño, es fácil de transportar para los experimentadores, lo que amplía enormemente el alcance de aplicación de la pistola genética. En los 10 años siguientes, la pistola genética portátil Helios se utilizó ampliamente para la transferencia de genes en plantas monocotiledóneas que son difíciles de regenerar a partir de protoplastos y son insensibles a la infección por Agrobacterium. Antes de la pistola genética, era difícil que el ADN extraño atravesara el orgánulo de doble membrana después de ingresar al citoplasma. La tecnología de pistola genética es la tecnología de introducción de ADN más utilizada y eficaz en este campo debido a su alta frecuencia de transformación y buena reproducibilidad. En comparación con la pistola genética de escritorio de primera generación, la pistola genética portátil no puede penetrar la pared celular de las hojas maduras debido a la baja presión del aire (solo 100-600 psi), lo que afecta hasta cierto punto su alcance de aplicación en plantas transgénicas. A diferencia de las armas genéticas de escritorio, son complementarias y Helios amplía muy bien los campos de aplicación de las armas genéticas.
Del mismo modo, se utiliza gas a alta presión para transferir genes. La mejora de la tecnología de producción ha permitido que la pistola genética se transfiera de células a cuerpos vivos, de escritorio a portátil, y el rango de aplicación de las pistolas genéticas. se ha ido ampliando paso a paso. El nivel de investigación científica de los trabajadores de las ciencias biológicas que fueron los primeros en darse cuenta e intentar activamente utilizar armas genéticas en el trabajo transgénico ha mejorado enormemente, liberando la imaginación de los trabajadores transgénicos. La floreciente tecnología de armas genéticas tiene grandes esperanzas por parte de la comunidad académica y se la considera una estrella en ascenso en el campo de la modificación genética. Sin embargo, poco a poco se fue descubriendo que los órganos de los animales vivos son mucho más frágiles que la piel y los músculos. Por ejemplo, el hígado y el bazo de ratones vivos sólo pueden soportar una presión máxima de 40 psi. Bajo el impacto de un gas de alta presión de 100 psi, los órganos resultarán gravemente dañados, lo que provocará un fracaso experimental. Sin embargo, una presión de aire demasiado baja no permite que los microportadores de genes tengan suficiente impulso para penetrar en las células. La contradicción entre la presión del gas y la velocidad de transferencia de partículas se ha convertido en un cuello de botella en el desarrollo de pistolas genéticas y ha estado plagando a los equipos de I+D de los principales fabricantes de instrumentos de ciencias biológicas durante los próximos 10 años.
Hasta 2009, Wealtec lanzó el sistema de administración de genes de baja presión GDS-80 (también conocido como pistola genética GDS-80) (patente estadounidense n.° 6436709 b 1), liderando la dirección de desarrollo del tercer sistema. tecnología de pistola genética de generación. La pistola genética portátil GDS-80 parte inteligentemente de la dinámica de fluidos y la aerodinámica, utilizando helio o nitrógeno para acelerar biomoléculas a velocidades extremadamente altas bajo baja presión para completar la transferencia de genes, resolviendo el problema de la presión del aire y la velocidad de las partículas desde una nueva perspectiva contradictoria. La presión ultrabaja (10-80 psi) de la pistola genética de tercera generación no solo aumenta en gran medida el volumen de transporte de partículas sin sacrificio, sino que también permite que la pistola genética se utilice con éxito en el trasplante de órganos de animales vivos sólo a baja presión. Además, en comparación con la pistola genética portátil de segunda generación, las partículas portadoras de genes emitidas por el GDS-80 tienen un gran impulso y pueden penetrar la pared celular de la planta y completar la transformación como las partículas emitidas por la pistola genética de escritorio. Antes de esto, las pistolas genéticas de mesa de primera generación requerían al menos entre 1000 y 2000 psi de gas a alta presión para realizar el trabajo. En experimentos con células animales, especialmente animales vivos, no es necesario utilizar portadores de partículas (como partículas de oro) para transferir partículas biológicas de alto impulso al cuerpo objetivo, lo que evita el problema de los residuos de materia extraña en las células objetivo y en gran medida reduce el coste experimental. La conducción de bajo voltaje del arma genética de tercera generación reduce en gran medida el daño celular y el ruido del bombardeo del arma, lo que reduce efectivamente los costosos costos de los microportadores de polvo de oro en experimentos con animales. La preparación de las "balas" de la pistola genética GDS-80 también se ha cambiado del método seco al método húmedo, lo que ahorra tiempo de secado y simplifica el proceso.