Biotehnoloģija un gēnu inženierija: pārskats

Biotehnoloģija ir dzīvības zinātnes joma, kas izmanto dzīvos organismus un bioloģiskās sistēmas, lai radītu modificētus vai jaunus organismus vai noderīgus produktus. Galvenā biotehnoloģijas sastāvdaļa ir gēnu inženierija.

Populārā biotehnoloģijas koncepcija ir viens no eksperimentiem, kas notiek laboratorijās un vismodernākajā līmenī rūpniecības attīstība, bet biotehnoloģija ir daudz vairāk integrēta lielākās daļas cilvēku ikdienas dzīvē nekā tā šķiet.

Saņemtās vakcīnas, sojas mērce, siers un maize, ko iegādājaties pārtikas preču veikalā, plastmasas jūsu ikdienas vide, jūsu pret grumbām izturīgais kokvilnas apģērbs, tīrīšana pēc ziņām par naftas noplūdēm un vēl citi piemēri biotehnoloģija. Viņi visi produkta radīšanai "nodarbina" dzīvos mikrobus.

Pat Laimas slimības asins analīze, krūts vēža ķīmijterapija vai insulīna injekcija var būt biotehnoloģijas rezultāts.

TL; DR (pārāk ilgi; Nelasīju)

Biotehnoloģija balstās uz gēnu inženierijas jomu, kas pārveido DNS, lai mainītu dzīvo organismu funkciju vai citas iezīmes.

Pirmie to piemēri ir selektīva augu un dzīvnieku audzēšana pirms tūkstošiem gadu. Mūsdienās zinātnieki rediģē vai pārnes DNS no vienas sugas uz otru. Biotehnoloģija izmanto šos procesus dažādās nozarēs, tostarp medicīnā, pārtikā un lauksaimniecībā, ražošanā un biodegvielā.

Biotehnoloģija nebūtu iespējama bez gēnu inženierija. Mūsdienu izteiksmē šis process manipulē ar šūnu ģenētisko informāciju, izmantojot laboratorijas metodes, lai mainītu dzīvo organismu iezīmes.

Zinātnieki var izmantot gēnu inženieriju, lai mainītu organisma izskatu, uzvedību, funkcijas vai mijiedarbību ar konkrētiem materiāliem vai stimuliem tā vidē. Gēnu inženierija ir iespējama visās dzīvajās šūnās; tas ietver tādus mikroorganismus kā baktērijas un atsevišķas daudzšūnu organismu šūnas, piemēram, augus un dzīvniekus. Pat cilvēka genoms var rediģēt, izmantojot šīs metodes.

Dažreiz zinātnieki maina šūnas ģenētisko informāciju, tieši mainot tās gēnus. Citos gadījumos viena organisma DNS gabali tiek implantēti cita organisma šūnās. Tiek sauktas jaunās hibrīdās šūnas transgēns.

Gēnu inženierija var šķist ultramoderns tehnoloģiskais progress, taču tā ir izmantota jau gadu desmitiem daudzās jomās. Faktiski mūsdienu gēnu inženierijas saknes meklējamas senās cilvēku praksēs, kuras Čārlzs Darvins vispirms definēja kā mākslīgā atlase.

Mākslīgā atlase, ko sauc arī par selektīva audzēšana, ir metode, kā apzināti izvēlēties pārošanās pārus augiem, dzīvniekiem vai citiem organismiem, pamatojoties uz vēlamajām īpašībām. Iemesls to darīt ir radīt pēcnācējus ar šīm iezīmēm un atkārtot procesu ar nākamajām paaudzēm, lai pakāpeniski nostiprinātu iedzīvotāju iezīmes.

Kaut arī mākslīgai atlasei nav nepieciešama mikroskopija vai citas modernas laboratorijas iekārtas, tā ir efektīva gēnu inženierijas forma. Lai gan tas sākās kā sena tehnika, cilvēki to izmanto joprojām.

Biežākie piemēri ir:

• Vaislas mājlopi.
• Ziedu šķirņu veidošana.
• Vaislas dzīvnieki, piemēram, grauzēji vai primāti, ar īpašām vēlamām īpašībām, piemēram, uzņēmība pret slimībām, pētījumiem.

Pirmais zināmais piemērs, kad cilvēki iesaistās organisma mākslīgā atlasē, ir Canis lupus familiaris, vai, kā tas ir vairāk zināms, suns. Apmēram pirms 32 000 gadiem cilvēki Austrumāzijas apgabalā, kas tagad ir Ķīna, dzīvoja mednieku un vācēju grupās. Savvaļas vilki sekoja cilvēku grupām un sagrāva liemeņus, kurus mednieki atstāja.

Zinātnieki domā, ka, visticamāk, cilvēki ļāva dzīvot tikai paklausīgajiem vilkiem, kuri nebija draudi. Tādā veidā suņu atzarošana no vilkiem sākās ar pašu atlasi kā indivīdiem ar šo pazīmi kas ļāva viņiem paciest cilvēku klātbūtni, kļuva par pieradinātiem ceļabiedriem mednieku pulcētāji.

Galu galā cilvēki sāka apzināti pieradināt un pēc tam audzēt suņu paaudzes pēc vēlamajām īpašībām, īpaši pakļāvības. Suņi kļuva par cilvēkiem uzticīgiem un aizsargājošiem pavadoņiem. Tūkstošiem gadu cilvēki tos selektīvi audzēja, ņemot vērā īpašas iezīmes, piemēram, mēteļa garumu un krāsu, acu izmēru un purnas garumu, ķermeņa izmēru, izvietojumu un daudz ko citu.

Pirms 32 000 gadiem Austrumāzijas savvaļas vilki, kas pirms 32 000 gadiem sadalījās suņos, satur gandrīz 350 dažādas suņu šķirnes. Šie agrīnie suņi ir visciešāk ģenētiski saistīti ar mūsdienu suņiem, kurus sauc par ķīniešu vietējiem suņiem.

Mākslīgā atlase citādi izpaudās arī seno cilvēku kultūrās. Kad cilvēki virzījās uz lauksaimniecības sabiedrību, viņi izmantoja mākslīgo atlasi, palielinot augu un dzīvnieku sugu skaitu.

Viņi pieradināja dzīvniekus, audzējot tos paaudzē pēc paaudzes, tikai pārojot pēcnācējus, kuriem piemita vēlamās iezīmes. Šīs īpašības bija atkarīgas no dzīvnieka mērķa. Piemēram, mūsdienu pieradinātos zirgus parasti izmanto daudzās kultūrās kā transportēšanai un kā fermu dzīvniekus, kas ir daļa no dzīvnieku grupas, ko parasti sauc nastu zvēri.

Tāpēc pazīmes, kuras zirgu audzētāji varētu būt meklējuši, ir pakļāvība un izturība, kā arī izturība aukstumā vai karstumā un spēja vairoties nebrīvē.

Senās sabiedrības gēnu inženieriju izmantoja arī citādi, nevis mākslīgi. Pirms 6000 gadiem ēģiptieši izmantoja raugu, lai raugu maizi, un raudzēto raugu - vīna un alus pagatavošanai.

Mūsdienu gēnu inženierija notiek laboratorijā, nevis selektīva selekcija, jo gēni ir kopēt un pārvietot no viena DNS gabala uz citu vai no viena organisma šūnas uz citu organismu DNS. Tas balstās uz DNS gredzenu, ko sauc par a plazmīds.

Plazmīdi ir baktēriju un rauga šūnās un ir atsevišķi no hromosomām. Lai gan abi satur DNS, plazmīdas parasti nav nepieciešamas, lai šūna varētu izdzīvot. Kamēr baktēriju hromosomas satur tūkstošiem gēnu, plazmīdās ir tikai tik daudz gēnu, cik jūs varētu rēķināties ar vienu roku. Tas padara tos daudz vienkāršāk manipulējamus un analizējamus.

60. gadu atklājums ierobežošanas endonukleāzes, zināms arī kā restrikcijas fermenti, noveda pie sasnieguma gēnu rediģēšanā. Šie fermenti sagriež DNS noteiktās ķēdes vietās bāzes pāri.

Bāzes pāri ir saistīti nukleotīdi kas veido DNS virkni. Atkarībā no baktēriju sugas, restrikcijas ferments būs specializēts, lai atpazītu un sagrieztu dažādas bāzes pāru secības.

Saistīts saturs: Molekulārās bioloģijas definīcija

Zinātnieki atklāja, ka viņi varēja izmantot restrikcijas enzīmus, lai izgrieztu plazmīdu gredzenu gabalus. Pēc tam viņi varēja ieviest DNS no cita avota.

Vēl viens ferments, ko sauc DNS ligāze svešo DNS pievieno sākotnējai plazmīdai tukšajā spraugā, ko atstāj trūkstošā DNS secība. Šī procesa gala rezultāts ir plazmīds ar svešu gēnu segmentu, ko sauc par a vektors.

Ja DNS avots bija cita suga, jauno plazmīdu sauc rekombinantā DNSvai a himera. Kad plazmīds ir atkārtoti ievadīts baktēriju šūnā, jaunie gēni tiek izteikti tā, it kā baktērijai vienmēr būtu bijusi šī ģenētiskā struktūra. Kad baktērija atkārtojas un vairojas, gēns arī tiks kopēts.

Ja mērķis ir ievadīt jauno DNS organisma šūnā, kas nav baktērijas, ir nepieciešamas dažādas metodes. Viens no tiem ir a gēnu lielgabals, kas augu vai dzīvnieku audos izdala ļoti mazas smago metālu elementu daļiņas, kas pārklātas ar rekombinanto DNS.

Divām citām metodēm ir jāizmanto infekcijas slimību spēks. Baktēriju celms, ko sauc Agrobacterium tumefaciens inficē augus, izraisot audzēja augšanu augā. Zinātnieki noņem slimību izraisošos gēnus no plazmīdas, kas atbild par audzējiem, ko sauc par Tivai audzēju inducējoša plazmīda. Viņi aizstāj šos gēnus ar jebkādiem gēniem, kurus viņi vēlas pārnest uz augu, lai augs “inficētos” ar vēlamo DNS.

Saistīts saturs: Šūnu bioloģija: prokariotu un eikariotu šūnu pārskats

Vīrusi bieži iebrūk citās šūnās, sākot no baktērijām līdz cilvēka šūnām, un ievieto paši savu DNS. A vīrusu vektors zinātnieki izmanto, lai DNS pārnestu augu vai dzīvnieku šūnā. Slimību izraisošie gēni tiek noņemti un aizstāti ar vēlamajiem gēniem, kas var ietvert marķiera gēnus, lai norādītu, ka notiek pārnešana.

Pirmais mūsdienu ģenētiskās modifikācijas gadījums bija 1973. gadā, kad Herberts Bojers un Stenlijs Koens pārnesa gēnu no viena baktēriju celma uz citu. Gēns kodēja rezistenci pret antibiotikām.

Nākamajā gadā zinātnieki izveidoja pirmo ģenētiski modificētā dzīvnieka gadījumu, kad Rūdolfs Jaenisčs un Beatrise Mintca veiksmīgi ievietoja svešus DNS peles embrijos.

Zinātnieki sāka pielietot gēnu inženieriju plašam organismu laukam, lai iegūtu arvien vairāk jaunu tehnoloģiju. Piemēram, viņi izstrādāja augus ar rezistenci pret herbicīdiem, lai lauksaimnieki varētu izsmidzināt nezāles, nesabojājot kultūraugus.

Viņi arī pārveidoja pārtiku, it īpaši dārzeņus un augļus, lai tie izaugtu daudz lielāki un kalpotu ilgāk nekā viņu nemodificētie brālēni.

Gēnu inženierija ir biotehnoloģijas pamats, jo biotehnoloģijas nozare vispārējā nozīmē ir plaša joma, kas ietver citu dzīvo sugu izmantošanu cilvēku vajadzībām.

Jūsu senči pirms tūkstošiem gadu, kuri selektīvi audzēja suņus vai noteiktas kultūras, izmantoja biotehnoloģiju. Tāpat ir arī mūsdienu lauksaimnieki un suņu audzētāji, tāpat kā jebkura maiznīca vai vīna darītava.

Saistīts saturs: Kā sazināties ar pārstāvi par klimata pārmaiņām

Rūpniecisko biotehnoloģiju izmanto degvielas avotiem; šeit rodas termins “biodegviela”. Mikroorganismi patērē taukus un pārvērš tos par etanolu, kas ir patērējams degvielas avots.

Fermentus izmanto ķīmisko vielu ražošanai ar mazākiem atkritumiem un izmaksām nekā tradicionālās metodes, vai ražošanas procesu attīrīšanai, sadalot ķīmiskos blakusproduktus.

Sākot ar cilmes šūnu ārstēšanu, uzlabojot asins analīzes un beidzot ar dažādiem farmaceitiskiem līdzekļiem, biotehnoloģija ir mainījusi veselības aprūpes seju. Medicīniskās biotehnoloģijas uzņēmumi izmanto mikrobus, lai radītu jaunus medikamentus, piemēram monoklonālas antivielas (šīs zāles lieto dažādu slimību ārstēšanai, ieskaitot vēzi), antibiotikām, vakcīnām un hormoniem.

Ievērojams medicīniskais progress bija sintētiskā insulīna radīšanas procesa izstrāde ar gēnu inženierijas un mikrobu palīdzību. Cilvēka insulīna DNS ievieto baktērijās, kas atkārtojas, aug un ražo insulīnu, līdz insulīnu var savākt un attīrīt.

1991. gadā Ingo Potrjuks izmantoja lauksaimniecības biotehnoloģijas pētījumus, lai izstrādātu sava veida rīsus, kas bagātināti ar beta karotīnu, kuru organisms pārvēršas par A vitamīnu un ir ideāli piemērots audzēšanai Āzijas valstīs, kur bērnības aklums no A vitamīna deficīta ir problēmu.

Nepareiza saziņa starp zinātnes aprindām un sabiedrību ir izraisījusi lielas diskusijas par ģenētiski modificētiem organismiem jeb ĢMO. Bija tādas bailes un sašutums par a ģenētiski modificēts pārtikas produkts, piemēram, zelta rīsi, kā to sauc, ka, neskatoties uz to, ka augi bija gatavi izplatīšanai Āzijas lauksaimniekiem 1999. gadā, šī izplatīšana vēl nav notika.