Биотехнология и генная инженерия: обзор

Биотехнологии это область науки о жизни, в которой живые организмы и биологические системы используются для создания модифицированных или новых организмов или полезных продуктов. Важным компонентом биотехнологии является генная инженерия.

Популярная концепция биотехнологии - это эксперименты, проводимые в лабораториях и передовые технологии. промышленных достижений, но биотехнология гораздо больше интегрирована в повседневную жизнь большинства людей, чем кажется.

Вакцины, которые вы получаете, соевый соус, сыр и хлеб, которые вы покупаете в продуктовом магазине, пластмассы в повседневной окружающая среда, ваша одежда из устойчивого к морщинам хлопка, уборка после новостей о разливах нефти и многое другое - все это примеры биотехнология. Все они «используют» живых микробов для создания продукта.

Даже анализ крови на болезнь Лайма, курс химиотерапии рака груди или инъекция инсулина могут быть результатом биотехнологии.

TL; DR (слишком длинный; Не читал)

Биотехнология опирается на область генной инженерии, которая модифицирует ДНК, чтобы изменить функции или другие характеристики живых организмов.

Ранние примеры этого - селективное разведение растений и животных тысячи лет назад. Сегодня ученые редактируют или передают ДНК от одного вида к другому. Биотехнология использует эти процессы в самых разных отраслях промышленности, включая медицину, пищевую промышленность и сельское хозяйство, производство и производство биотоплива.

Биотехнология была бы невозможна без генная инженерия. Говоря современным языком, этот процесс манипулирует генетической информацией клеток с помощью лабораторных методов, чтобы изменить черты живых организмов.

Ученые могут использовать генную инженерию, чтобы изменить то, как организм выглядит, ведет себя, функционирует или взаимодействует с конкретными материалами или стимулами в окружающей среде. Генная инженерия возможна во всех живых клетках; это включает микроорганизмы, такие как бактерии, и отдельные клетки многоклеточных организмов, таких как растения и животные. Даже человеческий геном можно редактировать, используя эти методы.

Иногда ученые изменяют генетическую информацию в клетке, напрямую изменяя ее гены. В других случаях фрагменты ДНК одного организма имплантируются в клетки другого организма. Новые гибридные клетки называются трансгенный.

Генная инженерия может показаться ультрасовременным технологическим достижением, но она использовалась десятилетиями во многих областях. Фактически, современная генная инженерия уходит корнями в древние человеческие практики, которые впервые были определены Чарльзом Дарвином как искусственный отбор.

Искусственный отбор, который еще называют селекционное скрещивание, представляет собой метод преднамеренного выбора пар для спаривания растений, животных или других организмов на основе желаемых признаков. Причина в том, чтобы создать потомство с этими чертами и повторить процесс с будущими поколениями, чтобы постепенно усилить эти черты в популяции.

Хотя для искусственного отбора не требуется микроскопия или другое современное лабораторное оборудование, это эффективная форма генной инженерии. Хотя это началось как древняя техника, люди все еще используют ее сегодня.

Общие примеры включают:

• Племенное животноводство.
• Создание цветочных сортов.
• Разведение животных, таких как грызуны или приматы, с конкретными желаемыми характеристиками, такими как восприимчивость к болезням, для исследовательских исследований.

Первым известным примером того, как люди занимаются искусственным отбором организма, является рост Обыкновенная волчанка, или, как его еще называют, собака. Около 32000 лет назад люди в районе Восточной Азии, который сейчас является Китаем, жили группами охотников-собирателей. Дикие волки преследовали группы людей и питались тушами, оставленными охотниками.

Ученые считают, что люди, скорее всего, позволили жить только послушным волкам, которые не представляли угрозы. Таким образом, отделение собак от волков началось путем самоотбора, поскольку особи с признаком которые позволяли им терпеть присутствие людей, стали домашними компаньонами для охотники-собиратели.

В конце концов, люди начали намеренно приручить, а затем разводить поколения собак для получения желаемых качеств, особенно послушания. Собаки стали верными и защитными товарищами для людей. На протяжении тысяч лет люди выборочно разводили их по определенным признакам, таким как длина и цвет шерсти, размер глаз и длина морды, размер тела, расположение и многое другое.

Дикие волки Восточной Азии 32 000 лет назад, которые отделились 32 000 лет назад на собак, составляют почти 350 различных пород собак. Эти ранние собаки наиболее близко генетически связаны с современными собаками, называемыми местными китайскими собаками.

Искусственный отбор проявлялся и в других формах в древних человеческих культурах. По мере того, как люди двигались в сторону сельскохозяйственных обществ, они использовали искусственный отбор с растущим числом видов растений и животных.

Они приручили животных, разводя их поколение за поколением, спаривая только потомство, которое проявляло желаемые черты. Эти черты зависели от предназначения животного. Например, современные одомашненные лошади обычно используются во многих культурах в качестве транспортных средств и в качестве вьючных животных, входящих в группу животных, обычно называемых вьючные животные.

Следовательно, те черты, которые могли интересовать коневоды, - это послушание и сила, а также устойчивость к холоду или жаре и способность размножаться в неволе.

Древние общества использовали генную инженерию не только для искусственного отбора. 6000 лет назад египтяне использовали дрожжи для закваски хлеба и ферментированные дрожжи для приготовления вина и пива.

Современная генная инженерия происходит в лаборатории, а не путем селективного разведения, поскольку гены копируются и перемещаются из одного фрагмента ДНК в другой или из клетки одного организма в клетки другого организма. ДНК. Это зависит от кольца ДНК, называемого плазмида.

Плазмиды присутствуют в бактериальных и дрожжевых клетках и отделены от хромосом. Хотя оба содержат ДНК, плазмиды обычно не нужны для выживания клетки. В то время как бактериальные хромосомы содержат тысячи генов, плазмиды содержат ровно столько генов, сколько вы можете пересчитать на одной руке. Это значительно упрощает управление и анализ ими.

Открытие в 1960-х гг. эндонуклеазы рестрикции, также известен как рестрикционные ферменты, привело к прорыву в редактировании генов. Эти ферменты разрезают ДНК в определенных местах в цепи пар оснований.

Базовые пары связаны нуклеотиды которые образуют нить ДНК. В зависимости от вида бактерий рестрикционный фермент будет специализироваться для распознавания и разрезания различных последовательностей пар оснований.

Связанное содержание: Определение молекулярной биологии

Ученые обнаружили, что они смогли использовать рестрикционные ферменты, чтобы вырезать части плазмидных колец. Затем они смогли ввести ДНК из другого источника.

Другой фермент под названием ДНК-лигаза прикрепляет чужеродную ДНК к исходной плазмиде в пустом промежутке, оставленном отсутствующей последовательностью ДНК. Конечным результатом этого процесса является плазмида с сегментом чужеродного гена, которая называется вектор.

Если источником ДНК был другой вид, новая плазмида называется рекомбинантная ДНК, или химера. Как только плазмида повторно вводится в бактериальную клетку, новые гены экспрессируются так, как если бы бактерия всегда обладала этим генетическим составом. По мере того, как бактерия реплицируется и размножается, ген также будет копироваться.

Если цель состоит в том, чтобы ввести новую ДНК в клетку организма, которая не является бактериями, требуются другие методы. Один из них - генная пушка, который взрывает очень крошечные частицы элементов тяжелых металлов, покрытых рекомбинантной ДНК, в тканях растений или животных.

Два других метода требуют использования силы процессов инфекционных заболеваний. Бактериальный штамм под названием Agrobacterium tumefaciens поражает растения, вызывая рост опухолей на растении. Ученые удаляют болезнетворные гены из плазмиды, ответственной за опухоли. Ti, или плазмида, индуцирующая опухоль. Они заменяют эти гены любыми генами, которые хотят передать растению, так что растение «заражается» желаемой ДНК.

Связанное содержание: Клеточная биология: обзор прокариотических и эукариотических клеток

Вирусы часто проникают в другие клетки, от бактерий до клеток человека, и вставляют свою собственную ДНК. А вирусный вектор используется учеными для переноса ДНК в клетки растений или животных. Гены, вызывающие заболевание, удаляются и заменяются желаемыми генами, которые могут включать маркерные гены, сигнализирующие о том, что перенос произошел.

Первый случай современной генетической модификации произошел в 1973 году, когда Герберт Бойер и Стэнли Коэн перенесли ген из одного штамма бактерий в другой. Ген, кодирующий устойчивость к антибиотикам.

В следующем году ученые создали первый экземпляр генетически модифицированного животного, когда Рудольф Яениш и Беатрис Минц успешно вставили чужеродную ДНК в эмбрионы мыши.

Ученые начали применять генную инженерию к широкому кругу организмов для растущего числа новых технологий. Например, они вывели растения с устойчивостью к гербицидам, чтобы фермеры могли опрыскивать сорняки, не повреждая свои посевы.

Они также модифицировали продукты питания, особенно овощи и фрукты, чтобы они стали намного больше и сохранялись дольше, чем их неизмененные собратья.

Генная инженерия - это основа биотехнологии, поскольку биотехнологическая промышленность, в общем смысле, представляет собой обширную область, в которой используются другие живые виды для нужд человека.

Ваши предки тысячи лет назад, которые селективно разводили собак или выращивали определенные культуры, использовали биотехнологии. То же самое и с современными фермерами и собаководами, и с любой пекарней или винодельней.

Связанное содержание: Как связаться с вашим представителем по поводу изменения климата

В качестве источников топлива используется промышленная биотехнология; отсюда и возник термин «биотопливо». Микроорганизмы потребляют жиры и превращают их в этанол, который является расходным источником топлива.

Ферменты используются для производства химикатов с меньшими отходами и меньшими затратами, чем традиционные методы, или для очистки производственных процессов путем разложения побочных химических продуктов.

От лечения стволовыми клетками до улучшенных анализов крови до различных фармацевтических препаратов - лицо здравоохранения изменилось благодаря биотехнологиям. Медицинские биотехнологические компании используют микробы для создания новых лекарств, таких как моноклональные антитела (эти препараты используются для лечения различных состояний, включая рак), антибиотиков, вакцин и гормонов.

Значительным медицинским достижением стала разработка процесса создания синтетического инсулина с помощью генной инженерии и микробов. ДНК человеческого инсулина вставляется в бактерии, которые размножаются, растут и производят инсулин, пока инсулин не будет собран и очищен.

В 1991 году Инго Потрикус использовал исследования сельскохозяйственной биотехнологии для создания сорта риса, обогащенного бета-каротином, который организм превращается в витамин А и идеально подходит для выращивания в азиатских странах, где детская слепота из-за дефицита витамина А является особой проблемой. проблема.

Непонимание между научным сообществом и общественностью привело к большим спорам по поводу генетически модифицированных организмов или ГМО. Был такой страх и возмущение по поводу генетически модифицированный пищевой продукт, такой как золотой рис, как его называют, который, несмотря на то, что растения были готовы к распределению среди азиатских фермеров в 1999 году, это распределение еще не произошел.