Биотехнологии и генно инженерство: Общ преглед

Биотехнологии е област на науката за живота, която използва живи организми и биологични системи за създаване на модифицирани или нови организми или полезни продукти. Основен компонент на биотехнологиите е генното инженерство.

Популярната концепция за биотехнологиите е един от експериментите, които се провеждат в лабораториите и са най-модерни индустриален напредък, но биотехнологиите са много по-интегрирани в ежедневието на повечето хора от него Изглежда.

Ваксините, които получавате, соевият сос, сиренето и хляба, които купувате в хранителния магазин, пластмасите във вашия ден околната среда, вашето памучно облекло, устойчиво на бръчки, почистването след новини за нефтени разливи и други са примери за това биотехнология. Всички те „наемат“ живи микроби, за да създадат продукт.

Дори кръвен тест за болест на Лайм, химиотерапия на рак на гърдата или инжекция с инсулин може да са резултат от биотехнологиите.

TL; DR (твърде дълго; Не прочетох)

Биотехнологиите разчитат на областта на генното инженерство, която модифицира ДНК, за да промени функцията или други черти на живите организми.

Ранните примери за това са селективно отглеждане на растения и животни преди хиляди години. Днес учените редактират или прехвърлят ДНК от един вид в друг. Биотехнологиите използват тези процеси за широк спектър от индустрии, включително медицина, храни и селско стопанство, производство и биогорива.

Биотехнологиите не биха били възможни без генното инженерство. В съвременни термини този процес манипулира генетичната информация на клетките, използвайки лабораторни техники, за да промени характеристиките на живите организми.

Учените могат да използват генно инженерство, за да променят начина, по който организмът изглежда, се държи, функционира или взаимодейства със специфични материали или стимули в заобикалящата го среда. Във всички живи клетки е възможно генно инженерство; това включва микроорганизми като бактерии и отделни клетки на многоклетъчни организми, като растения и животни. Дори човешки геном може да се редактира с помощта на тези техники.

Понякога учените променят генетичната информация в клетката, като директно променят нейните гени. В други случаи парчета ДНК от един организъм се имплантират в клетките на друг организъм. Извикват се новите хибридни клетки трансгенен.

Генетичното инженерство може да изглежда като ултрамодерен технологичен напредък, но се използва от десетилетия в много области. Всъщност съвременното генно инженерство има своите корени в древните човешки практики, които за първи път са определени от Чарлз Дарвин като изкуствен подбор.

Изкуствен подбор, който също се нарича селективно развъждане, е метод за съзнателен избор на чифтосващи двойки за растения, животни или други организми въз основа на желаните черти. Причината да се направи това е да се създаде потомство с тези черти и да се повтори процесът с бъдещите поколения за постепенно укрепване на чертите в популацията.

Въпреки че изкуственият подбор не изисква микроскопия или друго усъвършенствано лабораторно оборудване, той е ефективна форма на генното инженерство. Въпреки че започва като древна техника, хората все още я използват и днес.

Често срещаните примери включват:

• Развъждане на добитък.
• Създаване на сортове цветя.
• Развъждане на животни, като гризачи или примати, със специфични желани черти като чувствителност към болести за научни изследвания.

Първият известен пример за хора, участващи в изкуствения подбор на организъм, е възходът на Canus lupus familiisили, както е по-известно, кучето. Преди около 32 000 години хората в район на Източна Азия, който сега е Китай, са живели в групи ловци-събирачи. Дивите вълци последвали човешките групи и почиствали трупове, които ловците оставили след себе си.

Учените смятат, че най-вероятно хората са допуснали да живеят само послушните вълци, които не са заплаха. По този начин разклоняването на кучета от вълци започва чрез самоизбор, като индивидите с чертата което им позволи да толерират присъствието на хора, станаха опитомени спътници на ловци-събирачи.

В крайна сметка хората започнали умишлено да опитомяват и след това да развъждат поколения кучета за желани черти, особено покорност. Кучетата станаха лоялни и защитни спътници на хората. В продължение на хиляди години хората селективно ги отглеждат за специфични черти като дължина и цвят на козината, размер на очите и дължина на муцуната, размер на тялото, разположение и др.

Дивите вълци от Източна Азия от преди 32 000 години, които са се разделили преди 32 000 години на кучета, включват почти 350 различни породи кучета. Тези ранни кучета са най-тясно генетично свързани със съвременните кучета, наречени китайски местни кучета.

Изкуствен подбор, проявен и по други начини в древните човешки култури. Когато хората се придвижвали към селскостопанските общества, те използвали изкуствен подбор с нарастващ брой растителни и животински видове.

Те опитомявали животни, като ги отглеждали поколение след поколение, само чифтосвайки потомството, което показвало желаните черти. Тези черти зависеха от целта на животното. Например съвременните опитомени коне често се използват в много култури като транспорт и като товарни животни, част от група животни, които обикновено се наричат зверове на бреме.

Следователно чертите, които коневъдите биха могли да търсят, са подвижност и сила, както и устойчивост в студ или жега и способност за размножаване в плен.

Древните общества са използвали генното инженерство и по начини, различни от изкуствения подбор. Преди 6000 години египтяните използваха мая за заквасване на хляб и ферментирала мая за производство на вино и бира.

Съвременното генно инженерство се случва в лаборатория, вместо чрез селективно размножаване, тъй като гените са копирани и преместени от едно парче ДНК в друго или от клетка на един организъм в клетка на друг организъм ДНК. Това разчита на пръстен от ДНК, наречен a плазмид.

Плазмиди присъстват в бактериални и дрождени клетки и са отделни от хромозомите. Въпреки че и двете съдържат ДНК, плазмидите обикновено не са необходими за оцеляването на клетката. Докато бактериалните хромозоми съдържат хиляди гени, плазмидите съдържат само толкова гени, колкото бихте броили от едната ръка. Това ги прави много по-лесни за манипулиране и анализ.

Откритието през 60 - те години на рестрикционни ендонуклеази, също известен като рестрикционни ензими, доведе до пробив в редактирането на гени. Тези ензими режат ДНК на определени места във веригата на базови двойки.

Основните двойки са свързани нуклеотиди които образуват ДНК веригата. В зависимост от вида на бактериите, рестрикционният ензим ще бъде специализиран за разпознаване и отрязване на различни последователности на базови двойки.

Свързано съдържание: Определението на молекулярната биология

Учените открили, че са успели да използват рестрикционните ензими, за да изрежат парчета от плазмидните пръстени. След това те успяха да въведат ДНК от различен източник.

Друг ензим, наречен ДНК лигаза прикрепва чуждата ДНК към оригиналния плазмид в празната празнина, оставена от липсващата ДНК последователност. Крайният резултат от този процес е плазмид с чужд генен сегмент, който се нарича a вектор.

Ако източникът на ДНК е различен вид, се нарича новият плазмид рекомбинантна ДНКили a химера. След като плазмидът бъде въведен отново в бактериалната клетка, новите гени се експресират така, сякаш бактерията винаги е притежавала този генетичен състав. Тъй като бактерията се репликира и размножава, генът също ще бъде копиран.

Ако целта е да се въведе новата ДНК в клетката на организъм, който не е бактерия, се изискват различни техники. Един от тях е ген пистолет, който взривява много малки частици от тежки метални елементи, покрити с рекомбинантната ДНК в растителна или животинска тъкан.

Две други техники изискват да се използва силата на процесите на инфекциозни заболявания. Бактериален щам, наречен Agrobacterium tumefaciens заразява растенията, причинявайки растеж на тумори в растението. Учените премахват болестотворните гени от плазмида, отговорен за туморите, наречен Tiили индуциращ тумор плазмид. Те заместват тези гени с каквито гени искат да ги прехвърлят в растението, така че растението да се „зарази“ с желаната ДНК.

Свързано съдържание: Клетъчна биология: Общ преглед на прокариотните и еукариотните клетки

Вирусите често нахлуват в други клетки, от бактерии до човешки клетки, и вмъкват собствената си ДНК. A вирусен вектор се използва от учените за прехвърляне на ДНК в растителна или животинска клетка. Гените, причиняващи болести, се отстраняват и заменят с желаните гени, които могат да включват маркери, които да сигнализират, че трансферът е настъпил.

Първият случай на съвременна генетична модификация е през 1973 г., когато Хърбърт Бойер и Стенли Коен прехвърлят ген от един щам бактерии в друг. Генът, кодиран за антибиотична резистентност.

На следващата година учените създават първия случай на генетично модифицирано животно, когато Рудолф Яениш и Беатрис Минц успешно вкарват чужда ДНК в миши ембриони.

Учените започнаха да прилагат генно инженерство в широко поле на организми, за процъфтяващ брой нови технологии. Например, те разработиха растения с устойчивост на хербициди, така че фермерите да могат да пръскат за плевели, без да увреждат посевите си.

Те също така модифицират храни, особено зеленчуци и плодове, така че да растат много по-големи и да продължат по-дълго от немодифицираните си братовчеди.

Генното инженерство е основата на биотехнологиите, тъй като биотехнологичната индустрия в общ смисъл е обширно поле, което включва използването на други живи видове за нуждите на хората.

Вашите предци от преди хиляди години, които селективно развъждат кучета или определени култури, използват биотехнологии. Същите са и съвременните фермери и животновъди, както и всяка пекарна или винарна.

Свързано съдържание: Как да се свържете с вашия представител относно изменението на климата

Индустриалната биотехнология се използва за източници на гориво; оттук произлиза терминът „биогорива“. Микроорганизмите консумират мазнини и ги превръщат в етанол, който е източник на гориво за консумация.

Ензимите се използват за производство на химикали с по-малко отпадъци и разходи в сравнение с традиционните методи или за почистване на производствените процеси чрез разграждане на химичните странични продукти.

От лечението със стволови клетки до подобрените кръвни тестове до различни фармацевтични продукти, лицето на здравеопазването е променено от биотехнологиите. Медицинските биотехнологични компании използват микроби за създаване на нови лекарства, като напр моноклонални антитела (тези лекарства се използват за лечение на различни състояния, включително рак), антибиотици, ваксини и хормони.

Значителен медицински напредък е разработването на процес за създаване на синтетичен инсулин с помощта на генното инженерство и микробите. ДНК за човешки инсулин се вкарва в бактериите, които се размножават и растат и произвеждат инсулина, докато инсулинът може да бъде събран и пречистен.

През 1991 г. Инго Потрикус използва селскостопански биотехнологични изследвания, за да разработи вид ориз, подсилен с бета каротин, който тялото превръща се във витамин А и е идеален за отглеждане в азиатските страни, където детската слепота от недостиг на витамин А е особено важна проблем.

Неправилната комуникация между научната общност и обществеността доведе до големи противоречия относно генетично модифицираните организми или ГМО. Имаше такъв страх и недоволство заради генетично модифициран хранителен продукт като Златен ориз, както се нарича, че въпреки че растенията са били готови за разпространение сред азиатските фермери през 1999 г., това разпространение все още не е настъпили.