Biotehnologija in genski inženiring: pregled

Biotehnologija je področje znanosti o življenju, ki uporablja žive organizme in biološke sisteme za ustvarjanje spremenjenih ali novih organizmov ali uporabnih izdelkov. Glavna sestavina biotehnologije je genski inženiring.

Priljubljeni koncept biotehnologije je eden od eksperimentov, ki se izvajajo v laboratorijih in so vrhunski industrijski napredek, vendar je biotehnologija veliko bolj vključena v vsakdanje življenje večine ljudi kot sama se zdi.

Cepiva, ki jih dobite, sojino omako, sir in kruh, ki jih kupite v trgovini, plastika za vsak dan okolje, vaša bombažna oblačila, odporna proti gubam, čiščenje po novicah o razlitju nafte in še več, so vsi primeri biotehnologija. Vsi "zaposlujejo" žive mikrobe, da ustvarijo izdelek.

Celo krvni test za Lymsko bolezen, kemoterapija raka dojke ali injekcija insulina so lahko rezultat biotehnologije.

TL; DR (predolgo; Nisem prebral)

Biotehnologija se opira na področje genskega inženiringa, ki spreminja DNK, da spremeni funkcijo ali druge lastnosti živih organizmov.

Prvi primeri tega so selektivno gojenje rastlin in živali pred tisočletji. Danes znanstveniki urejajo ali prenašajo DNK iz ene vrste v drugo. Biotehnologija te procese izkorišča za najrazličnejše panoge, vključno z medicino, hrano in kmetijstvom, proizvodnjo in biogorivi.

Biotehnologija brez tega ne bi bila mogoča genski inženiring. V sodobnem smislu ta postopek z laboratorijskimi tehnikami manipulira genetske informacije celic, da bi spremenil lastnosti živih organizmov.

Znanstveniki lahko z genskim inženiringom spremenijo način, kako organizem izgleda, se obnaša, deluje ali sodeluje s posebnimi materiali ali dražljaji v svojem okolju. Genski inženiring je mogoč v vseh živih celicah; to vključuje mikroorganizme, kot so bakterije, in posamezne celice večceličnih organizmov, kot so rastline in živali. Tudi človeški genom je mogoče urejati s pomočjo teh tehnik.

Včasih znanstveniki spremenijo genetske informacije v celici z neposrednim spreminjanjem genov. V drugih primerih se koščki DNA iz enega organizma vsadijo v celice drugega organizma. Kličejo se nove hibridne celice transgenih.

Genski inženiring se morda zdi ultra sodoben tehnološki napredek, vendar ga že desetletja uporabljajo na številnih področjih. Dejansko ima sodobni genski inženiring korenine v starodavnih človeških praksah, ki jih je Charles Darwin najprej opredelil kot umetna selekcija.

Umetna selekcija, ki jo imenujemo tudi selektivna vzreja, je metoda za namerno izbiro paritvenih parov za rastline, živali ali druge organizme na podlagi želenih lastnosti. Razlog za to je ustvariti potomstvo s temi lastnostmi in ponoviti postopek s prihodnjimi generacijami, da bi postopoma okrepili lastnosti v populaciji.

Čeprav umetna selekcija ne zahteva mikroskopije ali druge napredne laboratorijske opreme, je učinkovita oblika genskega inženiringa. Čeprav se je začela kot starodavna tehnika, jo ljudje uporabljajo še danes.

Pogosti primeri vključujejo:

• Plemenska živina.
• Ustvarjanje sort cvetov.
• Plemenske živali, kot so glodalci ali primati, s posebnimi želenimi lastnostmi, kot je dovzetnost za bolezni, za raziskovalne študije.

Prvi znan primer, kako se ljudje ukvarjajo z umetno selekcijo organizma, je vzpon Canis lupus familiarisali, kot je bolj znano, pes. Pred približno 32.000 leti so ljudje na območju vzhodne Azije, ki je danes Kitajska, živeli v skupinah lovcev in nabiralcev. Divji volkovi so sledili človeškim skupinam in odstranjevali trupla, ki so jih lovci pustili za seboj.

Znanstveniki menijo, da je najverjetneje, da so ljudje dovolili živeti le pokornim volkom, ki niso bili grožnja. Na ta način se je ločevanje psov od volkov začelo s samoizbiro kot posamezniki s to lastnostjo ki so jim omogočili, da so dopuščali prisotnost ljudi, so postali udomačeni spremljevalci lovci-nabiralci.

Sčasoma so se ljudje začeli namerno udomačevati in nato vzrejati generacije psov zaradi želenih lastnosti, zlasti pokornosti. Psi so postali zvesti in zaščitniški sopotniki ljudem. V tisočih letih so jih ljudje selektivno vzrejali za posebne lastnosti, kot so dolžina in barva dlake, velikost oči in dolžina gobca, velikost telesa, naravnanost in še več.

Divji volkovi iz vzhodne Azije izpred 32.000 let, ki so se pred 32.000 leti razdelili na pse, obsegajo skoraj 350 različnih pasem psov. Ti zgodnji psi so genetsko najtesneje povezani s sodobnimi psi, imenovanimi kitajski avtohtoni psi.

Umetna selekcija, ki se kaže tudi v starih človeških kulturah. Ko so se ljudje premikali proti kmetijskim društvom, so uporabljali umetno selekcijo z naraščajočim številom rastlinskih in živalskih vrst.

Udomačili so živali, tako da so jih vzrejali iz roda v rod, le da so parili potomce, ki so pokazali želene lastnosti. Te lastnosti so bile odvisne od namena živali. Na primer, sodobni udomačeni konji se v mnogih kulturah pogosto uporabljajo kot prevoz in kot tovorne živali, del skupine živali, ki se običajno imenujejo tovorne zveri.

Zato so lastnosti, ki so jih rejci konj lahko iskali, pokornost in moč, pa tudi robustnost v mrazu ali vročini ter sposobnost vzreje v ujetništvu.

Starodavne družbe so uporabljale genski inženiring tudi drugače kot umetna selekcija. Pred 6000 leti so Egipčani iz kvasa kvasili kruh, iz kvašenega kvasa pa vino in pivo.

Sodobno gensko inženirstvo se zgodi v laboratoriju namesto s selektivno vzrejo, saj so geni kopirali in premaknili iz enega kosa DNK v drugega ali iz celice enega organizma v celico drugega DNK. Ta temelji na obroču DNK, imenovanem a plazmid.

Plazmidi so prisotni v bakterijskih in kvasnih celicah in so ločeni od kromosomov. Čeprav oba vsebujeta DNA, plazmidi običajno niso potrebni za preživetje celice. Medtem ko bakterijski kromosomi vsebujejo na tisoče genov, plazmidi vsebujejo le toliko genov, kot bi jih šteli na eno roko. Zaradi tega je z njimi veliko preprosteje upravljati in jih analizirati.

Odkritje v šestdesetih letih 20. stoletja restrikcijske endonukleaze, poznan tudi kot restrikcijski encimi, je privedlo do preboja v urejanju genov. Ti encimi režejo DNA na določenih mestih v verigi osnovni pari.

Osnovni pari so povezani nukleotidi ki tvorijo verigo DNA. Odvisno od vrste bakterij bo restrikcijski encim specializiran za prepoznavanje in rezanje različnih zaporedij baznih parov.

Povezana vsebina: Definicija molekularne biologije

Znanstveniki so odkrili, da so lahko z restrikcijskimi encimi izrezali koščke plazmidnih obročev. Nato so lahko DNK uvedli iz drugega vira.

Še en encim, imenovan DNA ligaza pritrdi tujo DNA na prvotni plazmid v prazno režo, ki jo pušča manjkajoče zaporedje DNA. Končni rezultat tega procesa je plazmid s tujim genskim segmentom, ki se imenuje a vektor.

Če je bil vir DNA drugačna vrsta, se imenuje novi plazmid rekombinantna DNAali a kimera. Ko je plazmid ponovno uveden v bakterijsko celico, se novi geni izrazijo, kot da bi bakterija vedno imela to gensko sestavo. Ko se bakterija razmnožuje in razmnožuje, bo gen tudi kopiran.

Če je cilj vnesti novo DNA v celico organizma, ki ni bakterija, so potrebne različne tehnike. Eden od teh je genska pištola, ki razstreli zelo majhne delce elementov težkih kovin, prevlečenih z rekombinantno DNA v rastlinskem ali živalskem tkivu.

Dve drugi tehniki zahtevata izkoriščanje moči procesov nalezljivih bolezni. Bakterijski sev, imenovan Agrobacterium tumefaciens okuži rastline in povzroči rast tumorjev v rastlini. Znanstveniki odstranjujejo gene, ki povzročajo bolezni, iz plazmida, odgovornega za tumorje, imenovanega Tiali plazmid, ki inducira tumor. Te gene nadomestijo z vsemi geni, ki jih želijo prenesti v rastlino, tako da se bo rastlina "okužila" z zaželeno DNA.

Povezana vsebina: Celična biologija: pregled prokariontskih in evkariontskih celic

Virusi pogosto napadajo druge celice, od bakterij do človeških celic, in vstavijo svojo lastno DNA. A virusni vektor znanstveniki uporabljajo za prenos DNK v rastlinsko ali živalsko celico. Geni, ki povzročajo bolezni, se odstranijo in nadomestijo z želenimi geni, ki lahko vključujejo markerske gene, ki signalizirajo, da je prišlo do prenosa.

Prvi primer sodobne genske modifikacije je bil leta 1973, ko sta Herbert Boyer in Stanley Cohen prenesla gen iz enega seva bakterij v drugega. Gen, kodiran za odpornost na antibiotike.

Naslednje leto so znanstveniki ustvarili prvi primer gensko spremenjene živali, ko sta Rudolf Jaenisch in Beatrice Mintz uspešno vstavila tujo DNA v mišičeve zarodke.

Znanstveniki so začeli uporabljati genski inženiring na širokem področju organizmov za naraščajoče število novih tehnologij. Na primer, razvili so rastline z odpornostjo proti herbicidom, da so kmetje lahko škropili plevel, ne da bi poškodovali pridelke.

Spreminjali so tudi živila, zlasti zelenjavo in sadje, tako da so rasla veliko večja in trajala dlje kot njihovi nespremenjeni bratranci.

Genski inženiring je temelj biotehnologije, saj je biotehnološka industrija na splošno široko področje, ki vključuje uporabo drugih živih vrst za potrebe ljudi.

Vaši predniki pred tisočletji, ki so selektivno redili pse ali nekatere pridelke, so uporabljali biotehnologijo. Takšni so tudi sodobni kmetje in rejci psov, prav tako katera koli pekarna ali klet.

Povezana vsebina: Kako stopiti v stik s svojim predstavnikom glede podnebnih sprememb

Za vire goriva se uporablja industrijska biotehnologija; tu izvira izraz "biogoriva". Mikroorganizmi porabijo maščobe in jih spremenijo v etanol, ki je potrošni vir goriva.

Encimi se uporabljajo za proizvodnjo kemikalij z manj odpadki in stroški kot pri običajnih metodah ali za čiščenje proizvodnih procesov z razgradnjo kemičnih stranskih produktov.

Od zdravljenja z matičnimi celicami do izboljšanih krvnih preiskav do različnih farmacevtskih izdelkov je bil videz zdravstva spremenjen z biotehnologijo. Podjetja za medicinsko biotehnologijo uporabljajo mikrobe za ustvarjanje novih zdravil, kot npr monoklonska protitelesa (ta zdravila se uporabljajo za zdravljenje različnih stanj, vključno z rakom), antibiotiki, cepiva in hormoni.

Pomemben medicinski napredek je bil razvoj postopka za ustvarjanje sintetičnega insulina s pomočjo genskega inženiringa in mikrobov. DNA za človeški inzulin se vstavi v bakterije, ki se razmnožujejo in rastejo ter proizvajajo inzulin, dokler insulina ni mogoče zbrati in očistiti.

Leta 1991 je Ingo Potrykus z raziskavami kmetijske biotehnologije razvil vrsto riža, ki je obogaten z beta karotenom, ki ga telo pretvori se v vitamin A in je idealen za gojenje v azijskih državah, kjer je otroška slepota zaradi pomanjkanja vitamina A še posebej pomembna problem.

Napačna komunikacija med znanstveno skupnostjo in javnostjo je povzročila velike polemike glede gensko spremenjenih organizmov ali GSO. Tak strah in vzklik je bil nad gensko spremenjeni živilski izdelek, kot je zlati riž, kot se imenuje, da kljub temu, da so bile rastline pripravljene za razdeljevanje azijskim kmetom leta 1999, ta distribucija še ni zgodilo.