Bioteknik och genteknik: En översikt

Bioteknik är ett fält av livsvetenskap som använder levande organismer och biologiska system för att skapa modifierade eller nya organismer eller användbara produkter. En viktig del av biotekniken är genteknik.

Det populära begreppet bioteknik är ett av experiment som händer i laboratorier och banbrytande industriella framsteg, men bioteknik är mycket mer integrerad i de flesta människors vardag än den verkar.

De vacciner du får, sojasås, ost och bröd du köper i mataffären, plasten i ditt dagliga miljö, dina rynkresistenta bomullskläder, saneringen efter nyheter om oljeutsläpp och mer är alla exempel på bioteknik. De "använder" levande mikrober för att skapa en produkt.

Även ett blodprov av Lyme-sjukdomen, en kemoterapi för bröstcancer eller en insulininjektion kan vara resultatet av bioteknik.

TL; DR (för lång; Läste inte)

Bioteknik förlitar sig på området genteknik, som modifierar DNA för att ändra funktionen eller andra egenskaper hos levande organismer.

Tidiga exempel på detta är selektiv avel av växter och djur för tusentals år sedan. Idag redigerar eller överför forskare DNA från en art till en annan. Bioteknik utnyttjar dessa processer för en mängd olika branscher, inklusive medicin, livsmedel och jordbruk, tillverkning och biodrivmedel.

Bioteknik skulle inte vara möjligt utan genteknik. I moderna termer manipulerar denna process cellernas genetiska information med laboratorietekniker för att förändra egenskaper hos levande organismer.

Forskare kan använda genteknik för att förändra hur en organism ser ut, beter sig, fungerar eller interagerar med specifika material eller stimuli i sin miljö. Genteknik är möjlig i alla levande celler; detta inkluderar mikroorganismer såsom bakterier och enskilda celler i flercelliga organismer, såsom växter och djur. Även mänskligt genom kan redigeras med hjälp av dessa tekniker.

Ibland ändrar forskare genetisk information i en cell genom att direkt ändra dess gener. I andra fall implanteras DNA-bitar från en organism i cellerna i en annan organism. De nya hybridcellerna kallas transgena.

Genteknik kan verka som ett ultramodernt tekniskt framsteg, men det har använts i årtionden inom många områden. I själva verket har modern genteknik sina rötter i forntida mänskliga metoder som först definierades av Charles Darwin som artificiellt urval.

Artificiellt urval, som också kallas selektiv avel, är en metod för att medvetet välja parpar för växter, djur eller andra organismer baserat på önskade egenskaper. Anledningen till detta är att skapa avkommor med dessa egenskaper och att upprepa processen med kommande generationer för att gradvis stärka egenskaperna i befolkningen.

Även om artificiellt urval inte kräver mikroskopi eller annan avancerad laboratorieutrustning är det en effektiv form av genteknik. Även om det började som en gammal teknik använder människor det fortfarande idag.

Vanliga exempel är:

• Uppfödning av boskap.
• Skapa blommansorter.
• Avelsdjur, såsom gnagare eller primater, med specifika önskade egenskaper som känslighet för sjukdomar för forskningsstudier.

Det första kända exemplet på människor som deltar i det artificiella urvalet av en organism är uppkomsten av Canis lupus familiaris, eller som det är mer känt, hunden. För ungefär 32 000 år sedan bodde människor i ett område i Östasien som nu är Kina i jägare-samlargrupper. Vilda vargar följde de mänskliga grupperna och rensade på slaktkroppar som jägare lämnade.

Forskare tycker att det är mest troligt att människor bara tillät de fogliga vargarna som inte var ett hot att leva. På detta sätt började förgreningen av hundar från vargar med självval, som individer med egenskapen som gjorde det möjligt för dem att tolerera närvaron av människor blev de domesticerade följeslagare till jägare-samlare.

Så småningom började människor avsiktligt tämja och sedan föda upp generationer av hundar för önskade egenskaper, särskilt skicklighet. Hundar blev lojala och skyddande följeslagare för människor. Under tusentals år uppfödde människor dem selektivt för specifika egenskaper som pälslängd och färg, ögonstorlek och trusselängd, kroppsstorlek, disposition och mer.

De vilda vargarna i Östasien för 32 000 år sedan som delades upp för 32 000 år sedan i hundar består av nästan 350 olika hundraser. Dessa tidiga hundar är närmast genetiskt besläktade med de moderna hundarna som kallas kinesiska infödda hundar.

Konstgjort urval manifesteras också på andra sätt i forntida mänskliga kulturer. När människor rörde sig mot jordbrukssamhällen använde de artificiellt urval med ett ökande antal växter och djurarter.

De tämjde djur genom att föda upp dem generation efter generation och parade bara ihop avkomman som uppvisade önskade egenskaper. Dessa egenskaper berodde på djurets syfte. Till exempel används moderna tama hästar ofta i många kulturer som transport och som packdjur, en del av en grupp av djur som vanligtvis kallas bördjur.

Därför är egenskaper som hästuppfödare kan ha letat efter är skicklighet och styrka, såväl som robusthet i kyla eller värme och en förmåga att föda upp i fångenskap.

Forntida samhällen använde genteknik på annat sätt än artificiellt urval också. För 6000 år sedan använde egyptierna jäst för att sura bröd och jäst jäst för att göra vin och öl.

Modern genteknik sker i ett laboratorium istället för genom selektiv avel, eftersom gener är det kopieras och flyttas från en bit DNA till en annan, eller från en organisms cell till en annan organism DNA. Detta förlitar sig på en ring av DNA som kallas a plasmid.

Plasmider finns i bakterie- och jästceller och är separata från kromosomer. Även om båda innehåller DNA är plasmider vanligtvis inte nödvändiga för att cellen ska överleva. Medan bakteriekromosomer innehåller tusentals gener, innehåller plasmider bara så många gener som du kan räkna på en hand. Detta gör dem mycket enklare att manipulera och analysera.

Upptäckten på 1960-talet av restriktionsendonukleaser, också känd som restriktionsenzymer, ledde till ett genombrott inom genredigering. Dessa enzymer skär DNA på specifika platser i kedjan av baspar.

Baspar är bundna nukleotider som bildar DNA-strängen. Beroende på typen av bakterier kommer restriktionsenzymet att vara specialiserat för att känna igen och klippa olika sekvenser av baspar.

Relaterat innehåll: Definitionen av molekylärbiologi

Forskare upptäckte att de kunde använda restriktionsenzymerna för att skära ut bitar av plasmidringarna. De kunde sedan introducera DNA från en annan källa.

Ett annat enzym kallas DNA-ligas fäster det främmande DNA: t till den ursprungliga plasmiden i det tomma gap som lämnas av den saknade DNA-sekvensen. Slutresultatet av denna process är en plasmid med ett främmande gensegment, som kallas a vektor.

Om DNA-källan var en annan art kallas den nya plasmiden rekombinant DNA, eller a chimär. När plasmiden väl har återintroducerats i bakteriecellen uttrycks de nya generna som om bakterien alltid hade haft den genetiska sammansättningen. När bakterien replikerar och multipliceras kommer genen också att kopieras.

Om målet är att införa det nya DNA i cellen i en organism som inte är bakterie krävs olika tekniker. En av dessa är en genpistol, som spränger mycket små partiklar av tungmetallelement belagda med det rekombinanta DNA i växt- eller djurvävnad.

Två andra tekniker kräver att man utnyttjar kraften i smittsamma processer. En bakteriestam som kallas Agrobacterium tumefaciens infekterar växter och orsakar tumörer att växa i växten. Forskare tar bort de sjukdomsframkallande generna från plasmiden som är ansvarig för tumörerna, kallad Tieller tumörinducerande plasmid. De ersätter dessa gener med vilka gener de vill överföra till växten så att växten blir "infekterad" med önskvärt DNA.

Relaterat innehåll: Cellbiologi: En översikt över prokaryota och eukaryota celler

Virus invaderar ofta andra celler, från bakterier till humana celler, och infogar sitt eget DNA. A viral vektor används av forskare för att överföra DNA till en växt- eller djurcell. De sjukdomsframkallande generna avlägsnas och ersätts med önskade gener, som kan inkludera markörgener för att signalera att överföringen inträffade.

Den första förekomsten av modern genetisk modifiering var 1973, när Herbert Boyer och Stanley Cohen överförde en gen från en bakteriestam till en annan. Genen kodad för antibiotikaresistens.

Året därpå skapade forskare den första instansen av ett genetiskt modifierat djur när Rudolf Jaenisch och Beatrice Mintz framgångsrikt införde främmande DNA i musembryon.

Forskare började tillämpa genteknik på ett brett område av organismer för ett växande antal nya tekniker. Till exempel utvecklade de växter med resistens mot herbicider så att bönderna kunde spraya för ogräs utan att skada deras grödor.

De modifierade också livsmedel, särskilt grönsaker och frukter, så att de skulle växa mycket större och hålla längre än sina omodifierade kusiner.

Genteknik är grunden för bioteknik, eftersom bioteknikindustrin i allmänhet är ett stort område som innebär att man använder andra levande arter för människors behov.

Dina förfäder från tusentals år sedan som selektivt uppfödde hundar eller vissa grödor använde bioteknik. Det är också nutida bönder och hunduppfödare, och så är det också med något bageri eller vingård.

Relaterat innehåll: Hur du kontaktar din representant om klimatförändringar

Industriell bioteknik används för bränslekällor; det är här termen ”biodrivmedel” har sitt ursprung. Mikroorganismer konsumerar fett och förvandlar dem till etanol, som är en förbrukningsbar bränslekälla.

Enzymer används för att producera kemikalier med mindre avfall och kostnad än traditionella metoder, eller för att städa upp tillverkningsprocesser genom att bryta ner kemiska biprodukter.

Från stamcellsbehandlingar till förbättrade blodprov till en mängd olika läkemedel har hälso- och sjukvårdens ansikte förändrats av bioteknik. Medicinska bioteknikföretag använder mikrober för att skapa nya mediciner, t.ex. monoklonala antikroppar (dessa läkemedel används för att behandla en mängd olika tillstånd, inklusive cancer), antibiotika, vacciner och hormoner.

Ett betydande medicinskt framsteg var utvecklingen av en process för att skapa syntetiskt insulin med hjälp av genteknik och mikrober. DNA för humant insulin sätts in i bakterier som replikerar och växer och producerar insulinet tills insulinet kan samlas upp och renas.

1991 använde Ingo Potrykus jordbruksbioteknisk forskning för att utveckla ett slags ris som är berikat med betakaroten, som kroppen omvandlas till A-vitamin och är perfekt att odla i asiatiska länder, där barndomsblindhet från vitamin A-brist är ett särskilt problem.

Felkommunikationen mellan vetenskapssamhället och allmänheten har lett till stor kontrovers över genetiskt modifierade organismer eller GMO. Det var sådan rädsla och skrik över en genetiskt modifierad livsmedelsprodukt som Golden Rice, som det kallas, att trots att växterna var redo för distribution till asiatiska jordbrukare 1999, har distributionen ännu inte inträffade.