Βιοτεχνολογία & Γενετική Μηχανική: Μια επισκόπηση

Βιοτεχνολογία είναι ένα πεδίο της επιστήμης της ζωής που χρησιμοποιεί ζωντανούς οργανισμούς και βιολογικά συστήματα για τη δημιουργία τροποποιημένων ή νέων οργανισμών ή χρήσιμων προϊόντων. Ένα σημαντικό συστατικό της βιοτεχνολογίας είναι γενετική μηχανική.

Η δημοφιλής ιδέα της βιοτεχνολογίας είναι ένα από τα πειράματα που πραγματοποιούνται σε εργαστήρια και πρωτοποριακά βιομηχανική πρόοδος, αλλά η βιοτεχνολογία είναι πολύ πιο ενσωματωμένη στην καθημερινή ζωή των περισσότερων ανθρώπων από αυτήν φαίνεται.

Τα εμβόλια που παίρνετε, η σάλτσα σόγιας, το τυρί και το ψωμί που αγοράζετε στο μανάβικο, τα πλαστικά στο καθημερινό σας περιβάλλον, τα ανθεκτικά στις ρυτίδες βαμβακερά ρούχα σας, ο καθαρισμός μετά από ειδήσεις για πετρελαιοκηλίδες και πολλά άλλα είναι όλα παραδείγματα βιοτεχνολογία Όλοι «χρησιμοποιούν» ζωντανά μικρόβια για να δημιουργήσουν ένα προϊόν.

Ακόμη και μια εξέταση αίματος για τη νόσο του Lyme, μια χημειοθεραπεία με καρκίνο του μαστού ή μια ένεση ινσουλίνης μπορεί να είναι το αποτέλεσμα της βιοτεχνολογίας.

TL; DR (Πάρα πολύ καιρό; Δεν διαβάστηκε)

Η βιοτεχνολογία βασίζεται στον τομέα της γενετικής μηχανικής, η οποία τροποποιεί το DNA για να αλλάξει τη λειτουργία ή άλλα χαρακτηριστικά των ζωντανών οργανισμών.

Τα πρώτα παραδείγματα αυτού είναι η επιλεκτική αναπαραγωγή φυτών και ζώων πριν από χιλιάδες χρόνια. Σήμερα, οι επιστήμονες επεξεργάζονται ή μεταφέρουν DNA από το ένα είδος στο άλλο. Η βιοτεχνολογία αξιοποιεί αυτές τις διαδικασίες για μια μεγάλη ποικιλία βιομηχανιών, συμπεριλαμβανομένης της ιατρικής, των τροφίμων και της γεωργίας, της μεταποίησης και των βιοκαυσίμων.

Η βιοτεχνολογία δεν θα ήταν δυνατή χωρίς γενετική μηχανική. Σε σύγχρονους όρους, αυτή η διαδικασία χειρίζεται τις γενετικές πληροφορίες των κυττάρων χρησιμοποιώντας εργαστηριακές τεχνικές προκειμένου να αλλάξει τα χαρακτηριστικά των ζωντανών οργανισμών.

Οι επιστήμονες μπορούν να χρησιμοποιήσουν τη γενετική μηχανική για να αλλάξουν τον τρόπο με τον οποίο ένας οργανισμός φαίνεται, συμπεριφέρεται, λειτουργεί ή αλληλεπιδρά με συγκεκριμένα υλικά ή ερεθίσματα στο περιβάλλον του. Η γενετική μηχανική είναι δυνατή σε όλα τα ζωντανά κύτταρα. Αυτό περιλαμβάνει μικροοργανισμούς όπως βακτήρια και μεμονωμένα κύτταρα πολυκυτταρικών οργανισμών, όπως φυτά και ζώα. Ακόμα και το ανθρώπινο γονιδίωμα μπορεί να επεξεργαστεί χρησιμοποιώντας αυτές τις τεχνικές.

Μερικές φορές, οι επιστήμονες αλλάζουν τις γενετικές πληροφορίες σε ένα κύτταρο αλλάζοντας άμεσα τα γονίδια του. Σε άλλες περιπτώσεις, κομμάτια DNA από έναν οργανισμό εμφυτεύονται στα κύτταρα ενός άλλου οργανισμού. Τα νέα υβριδικά κύτταρα ονομάζονται διαγονιδιακό.

Η γενετική μηχανική μπορεί να φαίνεται σαν μια υπερσύγχρονη τεχνολογική πρόοδος, αλλά χρησιμοποιείται εδώ και δεκαετίες, σε πολλούς τομείς. Στην πραγματικότητα, η σύγχρονη γενετική μηχανική έχει τις ρίζες της στις αρχαίες ανθρώπινες πρακτικές που ορίστηκαν για πρώτη φορά από τον Charles Darwin ως τεχνητή επιλογή.

Τεχνητή επιλογή, η οποία ονομάζεται επίσης επιλεκτική αναπαραγωγή, είναι μια μέθοδος για τη σκόπιμη επιλογή ζευγαριών ζευγαρώματος για φυτά, ζώα ή άλλους οργανισμούς με βάση τα επιθυμητά χαρακτηριστικά. Ο λόγος για να γίνει αυτό είναι να δημιουργήσετε έναν απόγονο με αυτά τα χαρακτηριστικά και να επαναλάβετε τη διαδικασία με τις μελλοντικές γενιές για να ενισχύσετε σταδιακά τα χαρακτηριστικά του πληθυσμού.

Αν και η τεχνητή επιλογή δεν απαιτεί μικροσκοπία ή άλλο προηγμένο εργαστηριακό εξοπλισμό, είναι μια αποτελεσματική μορφή γενετικής μηχανικής. Αν και ξεκίνησε ως αρχαία τεχνική, οι άνθρωποι το χρησιμοποιούν ακόμα και σήμερα.

Τα κοινά παραδείγματα περιλαμβάνουν:

• Αναπαραγωγή ζώων.
• Δημιουργία ποικιλιών λουλουδιών.
• Αναπαραγωγικά ζώα, όπως τρωκτικά ή πρωτεύοντα, με συγκεκριμένα επιθυμητά χαρακτηριστικά όπως ευαισθησία σε ασθένειες για ερευνητικές μελέτες.

Το πρώτο γνωστό παράδειγμα ανθρώπων που ασχολούνται με την τεχνητή επιλογή ενός οργανισμού είναι η άνοδος του Canis lupus familiaris, ή όπως είναι πιο γνωστό, ο σκύλος. Πριν από περίπου 32.000 χρόνια, οι άνθρωποι σε μια περιοχή της Ανατολικής Ασίας που είναι τώρα η Κίνα, ζούσαν σε ομάδες κυνηγών. Οι άγριοι λύκοι ακολούθησαν τις ανθρώπινες ομάδες και σάρωσαν τα σφάγια που άφησαν πίσω τους οι κυνηγοί.

Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι είναι πολύ πιθανό ότι οι άνθρωποι επιτρέπουν μόνο τους υπάκουους λύκους που δεν ήταν απειλή για να ζήσουν. Με αυτόν τον τρόπο, η διακλάδωση των σκύλων από τους λύκους ξεκίνησε με την αυτο-επιλογή, ως τα άτομα με το χαρακτηριστικό που τους επέτρεψαν να ανεχθούν την παρουσία των ανθρώπων έγιναν οι εξημερωμένοι σύντροφοι του κυνηγοί-συλλέκτες.

Τελικά, οι άνθρωποι άρχισαν σκόπιμα να εξημερώσουν και στη συνέχεια να γεννήσουν γενιές σκύλων για τα επιθυμητά χαρακτηριστικά, ιδιαίτερα την ευθυμία. Τα σκυλιά έγιναν πιστοί και προστατευτικοί σύντροφοι στον άνθρωπο. Πάνω από χιλιάδες χρόνια, οι άνθρωποι τα εκτρέφουν επιλεκτικά για συγκεκριμένα χαρακτηριστικά όπως το μήκος και το χρώμα του παλτού, το μέγεθος των ματιών και το μήκος ρύγχους, το μέγεθος του σώματος, τη διάθεση και άλλα.

Οι άγριοι λύκοι της Ανατολικής Ασίας πριν από 32.000 χρόνια που χωρίστηκαν πριν από 32.000 χρόνια σε σκύλους αποτελούν σχεδόν 350 διαφορετικές φυλές σκύλων. Αυτά τα πρώιμα σκυλιά σχετίζονται στενότερα γενετικά με τα σύγχρονα σκυλιά που ονομάζονται κινέζικα εγγενή σκυλιά.

Η τεχνητή επιλογή εκδηλώνεται με άλλους τρόπους και στους αρχαίους ανθρώπινους πολιτισμούς. Καθώς οι άνθρωποι προχώρησαν προς τις γεωργικές κοινωνίες, χρησιμοποίησαν τεχνητή επιλογή με έναν αυξανόμενο αριθμό ειδών φυτών και ζώων.

Εξημερώθηκαν ζώα αναπαράγοντάς τους γενιά σε γενιά, ζευγαρώνοντας μόνο τον απόγονο που εμφάνισε επιθυμητά χαρακτηριστικά. Αυτά τα χαρακτηριστικά εξαρτώνται από τον σκοπό του ζώου. Για παράδειγμα, τα σύγχρονα εξημερωμένα άλογα χρησιμοποιούνται συνήθως σε πολλούς πολιτισμούς ως μεταφορά και ως ζώα συσκευασίας, μέρος μιας ομάδας ζώων που συνήθως ονομάζεται θηρία βάρους.

Επομένως, τα χαρακτηριστικά που μπορεί να έχουν αναζητήσει οι κτηνοτρόφοι είναι η ευγένεια και η δύναμη, καθώς και η ανθεκτικότητα στο κρύο ή η ζέστη και η ικανότητα αναπαραγωγής σε αιχμαλωσία.

Οι αρχαίες κοινωνίες χρησιμοποίησαν τη γενετική μηχανική με άλλους τρόπους εκτός από την τεχνητή επιλογή. Πριν από 6.000 χρόνια, οι Αιγύπτιοι χρησιμοποιούσαν μαγιά για να φτιάξουν ψωμί και ζύμωση για να φτιάξουν κρασί και μπύρα.

Η σύγχρονη γενετική μηχανική συμβαίνει σε εργαστήριο αντί για επιλεκτική αναπαραγωγή, καθώς τα γονίδια είναι αντιγράφηκε και μετακινήθηκε από ένα κομμάτι DNA σε άλλο, ή από ένα κύτταρο ενός οργανισμού σε άλλο οργανισμό DNA. Αυτό βασίζεται σε έναν δακτύλιο DNA που ονομάζεται α πλασμίδιο.

Πλασμίδια υπάρχουν σε βακτηριακά και ζυμομύκητα, και είναι χωριστά από τα χρωμοσώματα. Αν και και τα δύο περιέχουν DNA, τα πλασμίδια συνήθως δεν είναι απαραίτητα για να επιβιώσει το κύτταρο. Ενώ τα βακτηριακά χρωμοσώματα περιέχουν χιλιάδες γονίδια, τα πλασμίδια περιέχουν μόνο όσα γονίδια θα μπορούσατε να υπολογίζετε σε ένα χέρι. Αυτό τους καθιστά πολύ πιο απλούς για χειρισμό και ανάλυση.

Η ανακάλυψη της δεκαετίας του 1960 περιοριστικές ενδονουκλεάσες, επίσης γνωστός ως ένζυμα περιορισμού, οδήγησε σε μια σημαντική ανακάλυψη στην επεξεργασία γονιδίων. Αυτά τα ένζυμα κόβουν το DNA σε συγκεκριμένες θέσεις στην αλυσίδα ζεύγη βάσεων.

Τα ζεύγη βάσεων είναι τα συνδεδεμένα νουκλεοτίδια που σχηματίζουν τον κλώνο του DNA. Ανάλογα με το είδος των βακτηρίων, το ένζυμο περιορισμού θα είναι εξειδικευμένο για την αναγνώριση και αποκοπή διαφορετικών αλληλουχιών ζευγών βάσεων.

Σχετικό περιεχόμενο: Ο ορισμός της μοριακής βιολογίας

Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι μπόρεσαν να χρησιμοποιήσουν τα περιοριστικά ένζυμα για να κόψουν κομμάτια των πλασμιδικών δακτυλίων. Στη συνέχεια μπόρεσαν να εισαγάγουν DNA από διαφορετική πηγή.

Ένα άλλο ένζυμο που ονομάζεται Λιγάση DNA συνδέει το ξένο DNA στο αρχικό πλασμίδιο στο κενό κενό που αφήνεται από την αλληλουχία DNA που λείπει. Το τελικό αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας είναι ένα πλασμίδιο με ένα ξένο γονιδιακό τμήμα, το οποίο ονομάζεται α διάνυσμα.

Εάν η πηγή του DNA ήταν ένα διαφορετικό είδος, το νέο πλασμίδιο ονομάζεται ανασυνδυασμένο DNA, ή α χίμαιρα. Μόλις το πλασμίδιο επανεισαχθεί στο βακτηριακό κύτταρο, τα νέα γονίδια εκφράζονται σαν το βακτήριο να είχε πάντα αυτό το γενετικό μακιγιάζ. Καθώς το βακτήριο αντιγράφεται και πολλαπλασιάζεται, το γονίδιο θα αντιγραφεί επίσης.

Εάν ο στόχος είναι να εισαχθεί το νέο DNA στο κύτταρο ενός οργανισμού που δεν είναι βακτήρια, απαιτούνται διαφορετικές τεχνικές. Ένα από αυτά είναι ένα πιστόλι γονιδίων, το οποίο εκτοξεύει πολύ μικρά σωματίδια βαρέων μετάλλων στοιχείων επικαλυμμένα με το ανασυνδυασμένο DNA σε φυτικό ή ζωικό ιστό.

Δύο άλλες τεχνικές απαιτούν αξιοποίηση της ισχύος των διαδικασιών μολυσματικών ασθενειών. Ένα βακτηριακό στέλεχος που ονομάζεται Agrobacterium tumefaciens μολύνει φυτά, προκαλώντας ανάπτυξη όγκων στο φυτό. Οι επιστήμονες απομακρύνουν τα γονίδια που προκαλούν ασθένειες από το πλασμίδιο που είναι υπεύθυνο για τους όγκους, που ονομάζεται Τίή πλασμίδιο που προκαλεί όγκο. Αντικαθιστούν αυτά τα γονίδια με όποια γονίδια θέλουν να μεταφέρουν στο φυτό έτσι ώστε το φυτό να «μολυνθεί» με το επιθυμητό DNA.

Σχετικό περιεχόμενο: Κυτταρική βιολογία: Μια επισκόπηση των προκαρυωτικών και ευκαρυωτικών κυττάρων

Οι ιοί συχνά εισβάλλουν σε άλλα κύτταρα, από βακτήρια έως ανθρώπινα κύτταρα και εισάγουν το δικό τους DNA. ΕΝΑ ιικός φορέας χρησιμοποιείται από επιστήμονες για τη μεταφορά DNA σε φυτικό ή ζωικό κύτταρο. Τα γονίδια που προκαλούν ασθένειες αφαιρούνται και αντικαθίστανται με τα επιθυμητά γονίδια, τα οποία μπορεί να περιλαμβάνουν γονίδια-δείκτες για να σηματοδοτήσουν ότι έγινε η μεταφορά.

Η πρώτη εμφάνιση της σύγχρονης γενετικής τροποποίησης ήταν το 1973, όταν οι Herbert Boyer και Stanley Cohen μετέφεραν ένα γονίδιο από ένα στέλεχος βακτηρίων σε ένα άλλο. Το γονίδιο κωδικοποιεί αντοχή στα αντιβιοτικά.

Τον επόμενο χρόνο, οι επιστήμονες δημιούργησαν την πρώτη εμφάνιση ενός γενετικά τροποποιημένου ζώου, όταν οι Rudolf Jaenisch και Beatrice Mintz εισήγαγαν με επιτυχία ξένο DNA σε έμβρυα ποντικού.

Οι επιστήμονες άρχισαν να εφαρμόζουν γενετική μηχανική σε ένα ευρύ πεδίο οργανισμών, για έναν αυξανόμενο αριθμό νέων τεχνολογιών. Για παράδειγμα, ανέπτυξαν φυτά με αντοχή στα ζιζανιοκτόνα έτσι ώστε οι αγρότες να μπορούν να ψεκάζουν ζιζάνια χωρίς να καταστρέφουν τις καλλιέργειές τους.

Επίσης τροποποίησαν τα τρόφιμα, ειδικά τα λαχανικά και τα φρούτα, έτσι ώστε να μεγαλώσουν πολύ μεγαλύτερα και να διαρκέσουν περισσότερο από τα μη τροποποιημένα ξαδέλφια τους.

Η γενετική μηχανική είναι το θεμέλιο της βιοτεχνολογίας, δεδομένου ότι η βιομηχανία βιοτεχνολογίας είναι, γενικά, ένας τεράστιος τομέας που περιλαμβάνει τη χρήση άλλων ζωντανών ειδών για τις ανάγκες των ανθρώπων.

Οι πρόγονοί σας από χιλιάδες χρόνια πριν που εκτρέφουν επιλεκτικά σκύλους ή συγκεκριμένες καλλιέργειες χρησιμοποιούν τη βιοτεχνολογία. Το ίδιο ισχύει και για τους σύγχρονους αγρότες και τους κτηνοτρόφους σκυλιών, όπως και κάθε αρτοποιείο ή οινοποιείο.

Σχετικό περιεχόμενο: Πώς να επικοινωνήσετε με τον εκπρόσωπό σας σχετικά με την αλλαγή του κλίματος

Η βιομηχανική βιοτεχνολογία χρησιμοποιείται για πηγές καυσίμων. από εδώ προέρχεται ο όρος «βιοκαύσιμα». Οι μικροοργανισμοί καταναλώνουν λίπη και τα μετατρέπουν σε αιθανόλη, η οποία είναι πηγή αναλώσιμου καυσίμου.

Τα ένζυμα χρησιμοποιούνται για την παραγωγή χημικών με λιγότερα απόβλητα και κόστος από τις παραδοσιακές μεθόδους, ή για τον καθαρισμό των διεργασιών παραγωγής με διάσπαση των χημικών υποπροϊόντων.

Από τις θεραπείες βλαστικών κυττάρων έως τις βελτιωμένες εξετάσεις αίματος σε μια ποικιλία φαρμακευτικών προϊόντων, το πρόσωπο της υγειονομικής περίθαλψης έχει αλλάξει από τη βιοτεχνολογία. Οι ιατρικές εταιρείες βιοτεχνολογίας χρησιμοποιούν μικρόβια για να δημιουργήσουν νέα φάρμακα, όπως μονοκλωνικά αντισώματα (αυτά τα φάρμακα χρησιμοποιούνται για τη θεραπεία ποικίλων καταστάσεων, συμπεριλαμβανομένου του καρκίνου), αντιβιοτικών, εμβολίων και ορμονών.

Μια σημαντική ιατρική πρόοδος ήταν η ανάπτυξη μιας διαδικασίας για τη δημιουργία συνθετικής ινσουλίνης με τη βοήθεια της γενετικής μηχανικής και των μικροβίων. Το DNA για ανθρώπινη ινσουλίνη εισάγεται σε βακτήρια, τα οποία αναπαράγονται και μεγαλώνουν και παράγουν την ινσουλίνη, έως ότου η ινσουλίνη μπορεί να συλλεχθεί και να καθαριστεί.

Το 1991, ο Ingo Potrykus χρησιμοποίησε γεωργική βιοτεχνολογική έρευνα για να αναπτύξει ένα είδος ρυζιού που είναι εμπλουτισμένο με β-καροτένιο, το οποίο το σώμα μετατρέπεται σε βιταμίνη Α και είναι ιδανικό για καλλιέργεια σε ασιατικές χώρες, όπου η παιδική τύφλωση από έλλειψη βιταμίνης Α είναι ιδιαίτερη πρόβλημα.

Η εσφαλμένη επικοινωνία μεταξύ της επιστημονικής κοινότητας και του κοινού έχει οδηγήσει σε μεγάλη διαμάχη για γενετικά τροποποιημένους οργανισμούς ή ΓΤΟ. Υπήρχε τέτοιος φόβος και κατακραυγή για ένα γενετικώς τροποποιημένο προϊόν διατροφής όπως το Golden Rice, όπως λέγεται, ότι παρά το γεγονός ότι τα φυτά είναι έτοιμα για διανομή σε ασιατικούς αγρότες το 1999, η διανομή αυτή δεν έχει ακόμη συνέβη.