ביוטכנולוגיה והנדסה גנטית: סקירה כללית

ביוטכנולוגיה הוא תחום מדעי החיים המשתמש באורגניזמים חיים ובמערכות ביולוגיות ליצירת אורגניזמים מתוקנים או חדשים או מוצרים שימושיים. מרכיב עיקרי בביוטכנולוגיה הוא הנדסה גנטית.

הרעיון הפופולרי של ביוטכנולוגיה הוא אחד הניסויים המתרחשים במעבדות ובמתקדמים ההתקדמות התעשייתית, אך הביוטכנולוגיה הרבה יותר משולבת בחיי היומיום של רוב האנשים נראה.

החיסונים שאתה מקבל, רוטב הסויה, הגבינה והלחם שאתה קונה במכולת, הפלסטיק ביומיום שלך הסביבה, בגדי הכותנה העמידים בפני קמטים, הניקוי לאחר הידיעה על דליפת שמן ועוד הם דוגמאות לכך ביוטכנולוגיה. כולם "מעסיקים" חיידקים חיים ליצירת מוצר.

אפילו בדיקת דם במחלת ליים, טיפול כימותרפי בסרטן השד או זריקת אינסולין עשויים להיות תוצאה של ביוטכנולוגיה.

TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)

ביוטכנולוגיה מסתמכת על תחום ההנדסה הגנטית, המשנה את ה- DNA כדי לשנות את תפקודם או תכונות אחרות של אורגניזמים חיים.

דוגמאות מוקדמות לכך הן גידול סלקטיבי של צמחים ובעלי חיים לפני אלפי שנים. כיום מדענים עורכים או מעבירים דנ"א ממין אחד למשנהו. ביוטכנולוגיה רותמת תהליכים אלה למגוון רחב של תעשיות, כולל רפואה, מזון וחקלאות, ייצור ודלקים ביולוגיים.

ביוטכנולוגיה לא תתאפשר בלי הנדסה גנטית. במונחים מודרניים, תהליך זה מתפעל את המידע הגנטי של התאים באמצעות טכניקות מעבדה על מנת לשנות את תכונות היצורים החיים.

מדענים עשויים להשתמש בהנדסה גנטית במטרה לשנות את האופן שבו אורגניזם נראה, מתנהג, מתפקד או מתקשר עם חומרים או גירויים ספציפיים בסביבתו. הנדסה גנטית אפשרית בכל התאים החיים; זה כולל מיקרואורגניזמים כגון חיידקים ותאים בודדים של אורגניזמים רב תאיים, כגון צמחים ובעלי חיים. אפילו ה גנום אנושי ניתן לערוך באמצעות טכניקות אלה.

לפעמים מדענים משנים מידע גנטי בתא על ידי שינוי ישיר בגנים שלו. במקרים אחרים, חלקי DNA מאורגניזם אחד מושתלים לתאים של אורגניזם אחר. התאים ההיברידיים החדשים נקראים מהונדס.

הנדסה גנטית אולי נראית כמו התקדמות טכנולוגית אולטרה-מודרנית, אך היא נמצאת בשימוש כבר עשרות שנים, בתחומים רבים. למעשה, להנדסה הגנטית המודרנית שורשיה בפרקטיקות אנושיות קדומות שהוגדרו לראשונה על ידי צ'רלס דרווין כ- ברירה מלאכותית.

מבחר מלאכותי, שנקרא גם גידול סלקטיבי, היא שיטה לבחירת זוגות זיווג בכוונה לצמחים, בעלי חיים או אורגניזמים אחרים על בסיס התכונות הרצויות. הסיבה לעשות זאת היא ליצור צאצאים עם אותן תכונות, ולחזור על התהליך עם הדורות הבאים כדי לחזק את התכונות באוכלוסייה בהדרגה.

למרות שבחירה מלאכותית אינה מצריכה מיקרוסקופיה או ציוד מעבדה מתקדם אחר, זוהי צורה יעילה של הנדסה גנטית. למרות שהתחילה כטכניקה עתיקה, בני האדם משתמשים בה עד היום.

דוגמאות נפוצות כוללות:

• גידול בעלי חיים.
• יצירת זני פרחים.
• גידול בעלי חיים, כמו מכרסמים או פרימטים, עם תכונות רצויות ספציפיות כמו רגישות למחלות למחקרי מחקר.

הדוגמה הידועה הראשונה לבני אדם העוסקים בבחירה מלאכותית של אורגניזם היא עלייתו של משפחה של זאבת זאבת, או כפי שזה ידוע יותר, הכלב. לפני כ -32,000 שנה, בני אדם באזור מזרח אסיה שהוא כיום סין, חיו בקבוצות ציידים-לקטים. זאבים פראיים עקבו אחר הקבוצות האנושיות ונפשו על פגרים שהציידים השאירו אחריהם.

מדענים סבורים כי קרוב לוודאי שבני אדם אפשרו לחיות את הזאבים הצייתניים שלא היוו איום. באופן זה, הסתעפותם של כלבים מזאבים החלה בבחירה עצמית, כפרטים בעלי התכונה שאיפשר להם לסבול את נוכחותם של בני אדם הפכו לחברים מבויתים ל ציידים לקטים.

בסופו של דבר, בני אדם החלו לביית בכוונה ואז לגדל דורות של כלבים לתכונות רצויות, במיוחד כושר. כלבים הפכו לבני לוויה נאמנים ומגנים. במשך אלפי שנים, בני אדם גידלו אותם באופן סלקטיבי לתכונות ספציפיות כגון אורך המעיל וצבע, גודל העין ואורך החוטם, גודל הגוף, הניתוח ועוד.

זאבי הבר של מזרח אסיה לפני 32,000 שנה שהתפצלו לפני 32,000 שנה לכלבים כוללים כמעט 350 גזעי כלבים שונים. אותם כלבים מוקדמים קשורים באופן גנטי ביותר לכלבים המודרניים הנקראים כלבים ילידי סין.

הברירה המלאכותית באה לידי ביטוי בדרכים אחרות גם בתרבויות אנושיות קדומות. כאשר בני האדם עברו לעבר חברות חקלאיות, הם השתמשו בבחירה מלאכותית עם מספר הולך וגדל של מיני צמחים ובעלי חיים.

הם בייתו בעלי חיים בכך שהם גידלו אותם דור אחר דור, והזדווגו רק עם הצאצאים שהפגינו תכונות רצויות. תכונות אלה היו תלויות במטרת החיה. לדוגמא, סוסים מבויתים מודרניים משמשים בדרך כלל בתרבויות רבות כתחבורה וכחיות חבילה, חלק מקבוצת בעלי חיים המכונים בדרך כלל בהמות משא.

לכן, תכונות שמגדלי סוסים עשויים לחפש הם צייתנות וכוח, כמו גם עמידות בקור או בחום, ויכולת להתרבות בשבי.

חברות קדומות השתמשו גם בהנדסה גנטית בדרכים אחרות מלבד סלקציה מלאכותית. לפני 6,000 שנה השתמשו המצרים בשמרים בכדי לחמץ לחם ובשמרים מותססים להכנת יין ובירה.

הנדסה גנטית מודרנית מתרחשת במעבדה במקום על ידי גידול סלקטיבי, שכן גנים הם הועתק ועבר מחתיכת DNA אחת לאחרת, או מתא של אורגניזם אחד לאורגניזם אחר DNA. זה מסתמך על טבעת DNA הנקראת a פלסמיד.

פלסמידים נמצאים בתאי חיידקים ושמרים, והם נפרדים מכרומוזומים. למרות ששניהם מכילים DNA, בדרך כלל אין צורך בפלסמידים כדי שהתא ישרוד. בעוד שכרומוזומי חיידקים מכילים אלפי גנים, פלסמידים מכילים גנים רבים ככל שתסמוך על יד אחת. זה הופך אותם להרבה יותר פשוטים לתמרון וניתוח.

התגלית בשנות השישים של המאה הקודמת אנדונוקליזות הגבלה, מוכר גם בשם אנזימי הגבלה, הובילה לפריצת דרך בעריכת גנים. אנזימים אלה חותכים DNA במקומות ספציפיים בשרשרת זוגות בסיסים.

זוגות בסיס הם קשורים נוקלאוטידים היוצרים את גדיל ה- DNA. בהתאם לסוג החיידקים, אנזים ההגבלה יתמחה בכדי לזהות ולחתוך רצפים שונים של זוגות בסיס.

תוכן קשור: הגדרת הביולוגיה המולקולרית

מדענים גילו כי הם מסוגלים להשתמש באנזימי ההגבלה כדי לחתוך חלקים מטבעות הפלסמיד. לאחר מכן הם הצליחו להציג DNA ממקור אחר.

אנזים נוסף שנקרא ליגאז DNA מצמיד את ה- DNA הזר לפלסמיד המקורי בפער הריק שהותיר רצף ה- DNA החסר. התוצאה הסופית של תהליך זה היא פלסמיד עם קטע גנים זר, הנקרא a וֶקטוֹר.

אם מקור ה- DNA היה ממין אחר, נקרא הפלסמיד החדש DNA רקומביננטי, או א חֲזוֹן תַעתוּעִים. ברגע שהפלסמיד מוחזר לתא החיידק, הגנים החדשים באים לידי ביטוי כאילו החיידק תמיד החזיק במרכיב הגנטי הזה. כאשר החיידק משכפל ומתרבה, גם הגן יועתק.

אם המטרה היא להכניס את ה- DNA החדש לתא של אורגניזם שאינו חיידק, נדרשת טכניקות שונות. אחד מאלה הוא א אקדח גנים, אשר מפוצצים חלקיקים זעירים מאוד של אלמנטים מתכתיים כבדים המצופים ב- DNA רקומביננטי ברקמת הצמח או החיה.

שתי טכניקות אחרות דורשות לרתום את כוחם של תהליכי מחלות זיהומיות. זן חיידקי שנקרא Agrobacterium tumefaciens מדביק צמחים וגורם לגידולים לצמוח בצמח. מדענים מסירים את הגנים הגורמים למחלה מהפלסמיד האחראי לגידולים, המכונים טי, או פלסמיד המביא לגידול. הם מחליפים את הגנים הללו בכל הגנים שהם רוצים להעביר לצמח כדי שהצמח "יידבק" בדנ"א הרצוי.

תוכן קשור: ביולוגיה של תאים: סקירה כללית של תאים פרוקריוטים ואיקריוטים

וירוסים לעיתים קרובות פולשים לתאים אחרים, מחיידקים ועד לתאים אנושיים, ומכניסים DNA משלהם. א וקטור ויראלי משמש מדענים להעברת DNA לתא צמח או בעלי חיים. הגנים הגורמים למחלה מוסרים ומוחלפים בגנים הרצויים, שעשויים לכלול גנים של סמן כדי לאותת על ההעברה.

המקרה הראשון של שינוי גנטי מודרני היה בשנת 1973, כאשר הרברט בויר וסטנלי כהן העבירו גן מזן חיידקים אחד למשנהו. הגן מקודד לעמידות לאנטיביוטיקה.

בשנה שלאחר מכן יצרו מדענים את המופע הראשון של חיה מהונדסת גנטית, כאשר רודולף ייניש וביאטריס מינץ הכניסו בהצלחה DNA זר לעוברי העכבר.

מדענים החלו ליישם הנדסה גנטית לתחום רחב של אורגניזמים, למספר מתפתח של טכנולוגיות חדשות. לדוגמה, הם פיתחו צמחים בעלי עמידות בפני קוטלי עשבים, כך שהחקלאים יוכלו לרסס לעשבים שוטים מבלי לפגוע בגידולם.

הם גם שינו מזון, במיוחד ירקות ופירות, כך שהם יגדלו הרבה יותר ויחזיקו מעמד זמן רב יותר מבני דודיהם שלא השתנו.

הנדסה גנטית היא היסוד של הביוטכנולוגיה, מכיוון שתעשיית הביוטכנולוגיה היא, במובן הכללי, תחום עצום הכרוך בשימוש במינים חיים אחרים לצרכי בני האדם.

אבותיך מלפני אלפי שנים שגדלו באופן סלקטיבי כלבים או גידולים מסוימים השתמשו בביוטכנולוגיה. כך גם חקלאים ומגדלי כלבים בימינו, וכך גם כל מאפייה או יקב.

תוכן קשור: כיצד ליצור קשר עם נציגך בנוגע לשינויי אקלים

ביוטכנולוגיה תעשייתית משמשת למקורות דלק; מכאן מקור המונח "דלק ביולוגי". מיקרואורגניזמים צורכים שומנים והופכים אותם לאתנול, שהוא מקור דלק מתכלה.

אנזימים משמשים לייצור כימיקלים עם פחות פסולת ועלות משיטות מסורתיות, או לניקוי תהליכי ייצור על ידי פירוק תוצרי לוואי כימיים.

החל מטיפולי תאי גזע ועד בדיקות דם משופרות למגוון תרופות, פנים הבריאות שונו על ידי ביוטכנולוגיה. חברות ביוטכנולוגיה רפואיות משתמשות בחיידקים כדי ליצור תרופות חדשות, כגון נוגדנים חד שבטיים (תרופות אלו משמשות לטיפול במגוון מצבים, כולל סרטן), אנטיביוטיקה, חיסונים והורמונים.

התקדמות רפואית משמעותית הייתה פיתוח תהליך ליצירת אינסולין סינתטי בעזרת הנדסה גנטית וחיידקים. דנ"א לאינסולין אנושי מוחדר לחיידקים, המשכפלים וגדלים ומייצרים את האינסולין, עד שניתן לאסוף את האינסולין ולטהר אותו.

בשנת 1991 השתמשה אינגו פוטריקוס במחקר ביוטכנולוגיה חקלאי לפיתוח סוג של אורז המועשר בטא קרוטן, אשר הגוף הופך לוויטמין A, והוא אידיאלי לגידול במדינות אסיה, בהן עיוורון בילדות מחסר בוויטמין A בְּעָיָה.

התקשורת המוטעית בין קהילת המדע והציבור הובילה למחלוקת רבה ביחס לאורגניזמים מהונדסים גנטית, או גמ"חים. היה כזה פחד וזעקה על א מוצר מזון מהונדס גנטית כמו אורז הזהב, כשמו כן הוא, שלמרות שהצמחים היו מוכנים להפצה לחקלאים אסייתיים בשנת 1999, ההפצה הזו עדיין לא התרחש.