Biotehnoloogia ja geenitehnoloogia: ülevaade

Biotehnoloogia on bioteaduste valdkond, mis kasutab elusorganisme ja bioloogilisi süsteeme modifitseeritud või uute organismide või kasulike toodete loomiseks. Biotehnoloogia peamine komponent on geenitehnoloogia.

Biotehnoloogia populaarne kontseptsioon on üks eksperimente, mis toimuvad laborites ja tipptasemel tööstuse areng, kuid biotehnoloogia on enamiku inimeste igapäevaellu palju integreeritum kui see tundub.

Vaktsiinid, mida saate, toidupoest ostetud sojakaste, juust ja leib, teie igapäevased plastmassid keskkond, kortsukindlad puuvillased rõivad, puhastus pärast uudiseid õlireostustest ja muu on kõik näited biotehnoloogia. Nad kõik kasutavad toote loomiseks elavaid mikroobe.

Isegi puukborrelioosi vereanalüüs, rinnavähi keemiaravi või insuliini süstimine võivad olla biotehnoloogia tulemus.

TL; DR (liiga pikk; Ei lugenud)

Biotehnoloogia tugineb geenitehnoloogia valdkonnale, mis muudab DNA-d elusorganismide funktsiooni või muude tunnuste muutmiseks.

Selle varajased näited on tuhandete aastate tagune taimede ja loomade valikuline aretamine. Täna muudavad teadlased või viivad DNA-d ühelt liigilt teisele. Biotehnoloogia rakendab neid protsesse paljudes tööstusharudes, sealhulgas meditsiin, toit ja põllumajandus, tootmine ja biokütused.

Biotehnoloogia ei oleks ilma selleta võimalik geenitehnoloogia. Moodsas perspektiivis manipuleerib see protsess rakkude geneetilise informatsiooniga laboratoorsete meetodite abil, et muuta elusorganismide tunnuseid.

Teadlased võivad geenitehnoloogiat kasutada selleks, et muuta organismi välimust, käitumist, funktsioneerimist või suhtlemist konkreetsete materjalide või stiimulitega oma keskkonnas. Geenitehnoloogia on võimalik kõigis elusrakkudes; see hõlmab mikroorganisme nagu bakterid ja mitmerakuliste organismide üksikud rakud, näiteks taimed ja loomad. Isegi inimese genoom saab neid tehnikaid kasutades muuta.

Mõnikord muudavad teadlased raku geneetilist teavet, muutes otseselt selle geene. Muudel juhtudel implanteeritakse ühe organismi DNA tükid teise organismi rakkudesse. Uusi hübriidrakke nimetatakse transgeensed.

Geenitehnoloogia võib tunduda ultramoodsa tehnoloogilise edusammuna, kuid seda on aastakümneid kasutatud paljudes valdkondades. Tegelikult on tänapäevase geenitehnoloogia juured iidsetes inimtegevustes, mille Charles Darwin määratles esimesena kunstlik valik.

Kunstlik valik, mida nimetatakse ka valikuline aretus, on meetod taimede, loomade või muude organismide paarituspaaride tahtlikuks valimiseks soovitud tunnuste põhjal. Selle põhjuseks on nende tunnustega järglaste loomine ja protsessi kordamine tulevaste põlvedega, et elanikkonna omadusi järk-järgult tugevdada.

Kuigi kunstlik valik ei vaja mikroskoopiat ega muid arenenud laboriseadmeid, on see geenitehnoloogia tõhus vorm. Kuigi see sai alguse iidsest tehnikast, kasutavad inimesed seda ka tänapäeval.

Levinumad näited on järgmised:

• Aretuskarja.
• Lillesortide loomine.
• Aretusloomad, näiteks närilised või primaadid, kellel on konkreetsed soovitud tunnused, näiteks vastuvõtlikkus haigustele uurimistööks.

Esimene teadaolev näide inimorganismi kunstliku valiku tegemisest on organismi tõus Canis lupus familiaris, või nagu on rohkem teada, koer. Umbes 32 000 aastat tagasi elasid inimesed Ida-Aasia piirkonnas, mis on nüüd Hiina, jahimeeste-korilaste rühmades. Metsikud hundid järgisid inimrühmi ja korjasid korjuseid, mille jahimehed maha jätsid.

Teadlaste arvates on kõige tõenäolisem, et inimesed lubasid elada ainult kuulekatel huntidel, kes ei olnud ohuks. Sel moel algas koerte hargnemine hundid iseenda selektsiooni järgi kui tunnusega isikud mis võimaldas neil taluda inimeste olemasolu said kodustatud kaaslasteks jahimehed-korilased.

Lõpuks hakkasid inimesed tahtlikult kodustama ja seejärel paljundama koerte põlvkondi soovitud tunnuste, eriti kuulekuse jaoks. Koertest said inimestele ustavad ja kaitsvad kaaslased. Tuhandete aastate jooksul aretasid inimesed neid valikuliselt selliste konkreetsete tunnuste järgi nagu karvkatte pikkus ja värv, silmade suurus ja koonu pikkus, keha suurus, paigutus ja palju muud.

Ida-Aasia 32 000 aasta tagused looduslikud hundid, kes jagunesid 32 000 aastat tagasi koerteks, koosnevad peaaegu 350 erinevast koeratõust. Need varased koerad on geneetiliselt kõige tihedamalt seotud tänapäevaste koertega, keda nimetatakse hiina põliskoerteks.

Kunstlik valik ilmnes ka muistsetes inimkultuurides muul viisil. Inimesed liikusid põllumajandusühiskondade suunas, kasutades kunstlikku valikut koos suurema arvu taime- ja loomaliikidega.

Nad kodustasid loomi, kasvatades neid põlvest põlve, paaritades ainult järglasi, kellel olid soovitud omadused. Need omadused sõltusid looma eesmärgist. Näiteks kasutatakse tänapäevaseid kodustatud hobuseid paljudes kultuurides tavaliselt transpordi ja pakiloomadena, mis on osa loomade rühmast, mida tavaliselt nimetatakse metsalised.

Seetõttu on hobusekasvatajate poolt otsitavateks omadusteks kuulekus ja tugevus, samuti robustsus külmas või kuumas ning võime paljuneda vangistuses.

Iidsed ühiskonnad kasutasid geenitehnoloogiat ka muul viisil kui kunstlik selektsioon. 6000 aastat tagasi kasutasid egiptlased pärmi leiva juuretiseks ning kääritatud pärmi veini ja õlle valmistamiseks.

Kaasaegne geenitehnoloogia toimub laboris, mitte selektiivse paljundamise teel, kuna geenid on kopeeritakse ja viiakse ühest DNA tükist teise või ühe organismi rakust teise organismi DNA. See tugineb DNA-rõngale, mida nimetatakse a plasmiid.

Plasmiidid esinevad bakteri- ja pärmirakkudes ning on kromosoomidest eraldi. Kuigi mõlemad sisaldavad DNA-d, ei ole plasmiidid raku ellujäämiseks tavaliselt vajalikud. Kui bakteriaalsed kromosoomid sisaldavad tuhandeid geene, siis plasmiidid sisaldavad ainult nii palju geene, kui ühe käega arvestada. See muudab nende manipuleerimise ja analüüsimise palju lihtsamaks.

Avastus 1960ndatel aastatel restriktsiooni endonukleaasid, tuntud ka kui restriktsiooniensüümid, viisid läbimurdeni geenide redigeerimises. Need ensüümid lõikavad DNA teatud ahela kohtades aluspaarid.

Aluspaarid on seotud nukleotiidid mis moodustavad DNA ahela. Sõltuvalt bakteriliigist on restriktsiooniensüüm spetsialiseerunud aluspaaride erinevate järjestuste äratundmiseks ja lõikamiseks.

Seotud sisu: Molekulaarbioloogia määratlus

Teadlased avastasid, et nad suutsid restriktsiooniensüüme kasutada plasmiidrõngaste tükkide lõikamiseks. Seejärel said nad juurutada DNA-d teisest allikast.

Teine ensüüm nimega DNA ligaas kinnitab võõra DNA esialgsele plasmiidile tühja tühiku vahele, mille on jätnud puuduv DNA järjestus. Selle protsessi lõpptulemuseks on võõra geenisegmendiga plasmiid, mida nimetatakse a vektor.

Kui DNA allikas oli erinev liik, nimetatakse uut plasmiidi rekombinantne DNAvõi a kimäär. Kui plasmiid on bakterirakku tagasi viidud, ekspresseeritakse uusi geene nii, nagu oleks bakteril alati olnud selline geneetiline koostis. Kui bakter paljuneb ja paljuneb, kopeeritakse ka geen.

Kui eesmärk on viia uus DNA organismi rakku, mis ei ole bakter, on vaja erinevaid tehnikaid. Üks neist on a geenipüstol, mis lõhkab taime- või loomakoes rekombinantse DNA-ga kaetud raskmetallielementide väikseid osakesi.

Kaks teist tehnikat nõuavad nakkushaiguse protsesside jõu kasutamist. Nimetatud bakteritüvi Agrobacterium tumefaciens nakatab taimi, põhjustades taimes kasvajate kasvu. Teadlased eemaldavad haigust põhjustavad geenid kasvajate eest vastutavast plasmiidist, mida nimetatakse Tivõi kasvajat indutseeriv plasmiid. Nad asendavad need geenid mis tahes geenidega, mida nad tahavad taime kanda, nii et taim nakatub soovitavasse DNA-sse.

Seotud sisu: Rakubioloogia: ülevaade prokarüootsetest ja eukarüootsetest rakkudest

Viirused tungivad sageli teistesse rakkudesse, alates bakteritest kuni inimrakkudeni, ja sisestavad oma DNA. A viirusvektor kasutatakse teadlaste poolt DNA viimiseks taime- või loomarakku. Haigust põhjustavad geenid eemaldatakse ja asendatakse soovitud geenidega, mis võivad sisaldada markergeene ülekande toimumise signaaliks.

Esimene moodsa geneetilise muundamise juhtum oli 1973. aastal, kui Herbert Boyer ja Stanley Cohen kandsid geeni ühest bakteritüvest teise. Geen kodeeris antibiootikumiresistentsust.

Järgmisel aastal lõid teadlased geneetiliselt muundatud looma esimese eksemplari, kui Rudolf Jaenisch ja Beatrice Mintz sisestasid hiire embrüotesse edukalt võõra DNA.

Teadlased hakkasid geenitehnoloogiat rakendama laiale organismide valdkonnale, kasvava hulga uute tehnoloogiate jaoks. Näiteks töötasid nad välja herbitsiidiresistentsed taimed, et põllumehed saaksid umbrohtu pritsida, saaki kahjustamata.

Samuti muutsid nad toiduaineid, eriti köögivilju ja puuvilju, nii et need kasvaksid palju suuremaks ja püsiksid kauem kui nende modifitseerimata nõod.

Geenitehnoloogia on biotehnoloogia alus, kuna biotehnoloogiatööstus on üldiselt lai valdkond, mis hõlmab teiste elusliikide kasutamist inimeste vajaduste rahuldamiseks.

Teie tuhandete aastate tagused esivanemad, kes aretasid valikuliselt koeri või teatud kultuure, kasutasid biotehnoloogiat. Nii on ka tänapäevased talupidajad ja koerakasvatajad ning sama on iga pagariäri või veinikelder.

Seotud sisu: Kuidas kliimamuutuste kohta oma esindajaga ühendust võtta

Tööstuslikku biotehnoloogiat kasutatakse kütuseallikatena; siit pärineb mõiste „biokütused”. Mikroorganismid tarbivad rasvu ja muudavad need etanooliks, mis on tarbitav kütuseallikas.

Ensüüme kasutatakse kemikaalide tootmiseks vähem jäätmete ja kuludega kui traditsioonilised meetodid või tootmisprotsesside puhastamiseks keemiliste kõrvalsaaduste lagundamise teel.

Alates tüvirakkude ravist kuni täiustatud vereanalüüsideni kuni mitmesuguste ravimiteni on biotehnoloogia muutnud tervishoiu nägu. Meditsiinilise biotehnoloogia ettevõtted loovad mikroobe uute ravimite loomiseks, näiteks monoklonaalsed antikehad (neid ravimeid kasutatakse mitmesuguste haiguste, sealhulgas vähi raviks), antibiootikumid, vaktsiinid ja hormoonid.

Oluline meditsiiniline edasiminek oli sünteetilise insuliini loomise protsessi väljatöötamine geenitehnoloogia ja mikroobide abil. Iniminsuliini DNA sisestatakse bakteritesse, mis paljunevad, kasvavad ja toodavad insuliini, kuni insuliini saab koguda ja puhastada.

1991. aastal arendas Ingo Potrykus põllumajandusliku biotehnoloogia uuringute abil välja riisi, mis on rikastatud beetakaroteeniga, mida keha muundub A-vitamiiniks ja sobib ideaalselt kasvatada Aasia riikides, kus A-vitamiini puudusest põhjustatud laste pimedus on eriti oluline probleem.

Teadusringkondade ja avalikkuse omavaheline suhtlemine on tekitanud suuri vaidlusi geneetiliselt muundatud organismide ehk GMOde üle. A pärast oli selline hirm ja kisa geneetiliselt muundatud toiduaine, nagu Kuldne Riis, nagu seda nimetatakse, et hoolimata sellest, et taimed olid 1999. aastal Aasia põllumeestele levitamiseks toimunud.