เทคโนโลยีชีวภาพและพันธุวิศวกรรม: ภาพรวม

เทคโนโลยีชีวภาพ เป็นสาขาวิชาชีววิทยาศาสตร์ที่ใช้สิ่งมีชีวิตและระบบชีวภาพเพื่อสร้างสิ่งมีชีวิตดัดแปลงหรือสิ่งมีชีวิตใหม่หรือผลิตภัณฑ์ที่มีประโยชน์ องค์ประกอบหลักของเทคโนโลยีชีวภาพคือ พันธุวิศวกรรม.

แนวคิดยอดนิยมของเทคโนโลยีชีวภาพเป็นหนึ่งในการทดลองที่เกิดขึ้นในห้องปฏิบัติการและทันสมัย ความก้าวหน้าทางอุตสาหกรรม แต่เทคโนโลยีชีวภาพถูกบูรณาการเข้ากับชีวิตประจำวันของคนส่วนใหญ่มากกว่าที่เป็นอยู่ ดูเหมือนว่า

วัคซีนที่คุณได้รับ ซีอิ๊ว ชีส และขนมปังที่คุณซื้อที่ร้านขายของชำ พลาสติกในชีวิตประจำวันของคุณ สิ่งแวดล้อม, เสื้อผ้าฝ้ายที่ทนต่อการยับ, การทำความสะอาดหลังข่าวการรั่วไหลของน้ำมัน และอื่นๆ ล้วนเป็นตัวอย่างของ เทคโนโลยีชีวภาพ พวกเขาทั้งหมด "ใช้" จุลินทรีย์ที่มีชีวิตเพื่อสร้างผลิตภัณฑ์

แม้แต่การตรวจเลือดด้วยโรค Lyme การรักษาด้วยเคมีบำบัดมะเร็งเต้านม หรือการฉีดอินซูลิน ก็อาจเป็นผลมาจากเทคโนโลยีชีวภาพ

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

เทคโนโลยีชีวภาพอาศัยสาขาพันธุวิศวกรรม ซึ่งดัดแปลงดีเอ็นเอเพื่อเปลี่ยนแปลงการทำงานหรือลักษณะอื่นๆ ของสิ่งมีชีวิต

ตัวอย่างแรก ๆ ของเรื่องนี้คือการคัดเลือกพันธุ์พืชและสัตว์เมื่อหลายพันปีก่อน วันนี้นักวิทยาศาสตร์แก้ไขหรือถ่ายโอน DNA จากสายพันธุ์หนึ่งไปยังอีกสายพันธุ์หนึ่ง เทคโนโลยีชีวภาพใช้ประโยชน์จากกระบวนการเหล่านี้สำหรับอุตสาหกรรมที่หลากหลาย รวมถึงยา อาหารและการเกษตร การผลิตและเชื้อเพลิงชีวภาพ

เทคโนโลยีชีวภาพจะเป็นไปไม่ได้หากไม่มี พันธุวิศวกรรม. ในแง่สมัยใหม่ กระบวนการนี้จัดการข้อมูลทางพันธุกรรมของเซลล์โดยใช้เทคนิคทางห้องปฏิบัติการเพื่อเปลี่ยนลักษณะของสิ่งมีชีวิต

นักวิทยาศาสตร์อาจใช้พันธุวิศวกรรมเพื่อเปลี่ยนรูปลักษณ์ของสิ่งมีชีวิต พฤติกรรม การทำงาน หรือปฏิสัมพันธ์กับวัสดุหรือสิ่งเร้าเฉพาะในสภาพแวดล้อม พันธุวิศวกรรมเป็นไปได้ในเซลล์ที่มีชีวิตทั้งหมด ซึ่งรวมถึงจุลินทรีย์ เช่น แบคทีเรีย และเซลล์แต่ละเซลล์ของสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ เช่น พืชและสัตว์ แม้แต่ จีโนมมนุษย์ สามารถแก้ไขได้โดยใช้เทคนิคเหล่านี้

บางครั้ง นักวิทยาศาสตร์เปลี่ยนแปลงข้อมูลทางพันธุกรรมในเซลล์โดยการเปลี่ยนแปลงยีนโดยตรง ในกรณีอื่นๆ ชิ้นส่วนของ DNA จากสิ่งมีชีวิตหนึ่งจะถูกฝังเข้าไปในเซลล์ของอีกสิ่งมีชีวิตหนึ่ง เซลล์ลูกผสมใหม่เรียกว่า ดัดแปลงพันธุกรรม.

พันธุวิศวกรรมอาจดูเหมือนเป็นความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่ล้ำสมัย แต่มีการใช้งานมานานหลายทศวรรษแล้วในหลายสาขา อันที่จริง พันธุวิศวกรรมสมัยใหม่มีรากฐานมาจากการปฏิบัติของมนุษย์ในสมัยโบราณ ซึ่ง Charles Darwin นิยามไว้เป็นครั้งแรกว่า การคัดเลือกเทียม.

การคัดเลือกประดิษฐ์ซึ่งเรียกอีกอย่างว่า คัดเลือกพันธุ์เป็นวิธีการจงใจเลือกคู่ผสมพันธุ์สำหรับพืช สัตว์ หรือสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ตามลักษณะที่ต้องการ เหตุผลในการทำเช่นนี้คือการสร้างลูกหลานที่มีลักษณะเหล่านั้น และทำซ้ำขั้นตอนกับคนรุ่นต่อไปในอนาคตเพื่อค่อยๆ เสริมสร้างคุณลักษณะในประชากร

แม้ว่าการคัดเลือกโดยประดิษฐ์ไม่จำเป็นต้องใช้กล้องจุลทรรศน์หรืออุปกรณ์ห้องปฏิบัติการขั้นสูงอื่นๆ แต่ก็เป็นรูปแบบหนึ่งของพันธุวิศวกรรมที่มีประสิทธิภาพ แม้ว่ามันจะเริ่มเป็นเทคนิคโบราณ แต่มนุษย์ก็ยังใช้มันมาจนถึงทุกวันนี้

ตัวอย่างทั่วไป ได้แก่:

• การเลี้ยงปศุสัตว์.
• การสร้างพันธุ์ไม้ดอก.
• การเพาะพันธุ์สัตว์ เช่น หนูหรือสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม โดยมีลักษณะเฉพาะที่ต้องการ เช่น ความไวต่อโรคสำหรับการศึกษาวิจัย

ตัวอย่างแรกที่ทราบกันดีของมนุษย์ที่เกี่ยวข้องกับการคัดเลือกสิ่งมีชีวิตคือการเพิ่มขึ้นของ Canis lupus familiarisหรือที่เรียกกันทั่วไปว่าสุนัข เมื่อประมาณ 32,000 ปีที่แล้ว มนุษย์ในพื้นที่หนึ่งของเอเชียตะวันออกซึ่งปัจจุบันคือจีน อาศัยอยู่ในกลุ่มนักล่า-รวบรวม หมาป่าป่าติดตามกลุ่มมนุษย์และไล่ตามซากที่นักล่าทิ้งไว้เบื้องหลัง

นักวิทยาศาสตร์คิดว่าเป็นไปได้มากที่สุดที่มนุษย์จะยอมให้หมาป่าที่เชื่องเท่านั้นที่ไม่เป็นภัยคุกคามต่อชีวิต ด้วยวิธีนี้ การแตกแขนงของสุนัขจากหมาป่าจึงเริ่มจากการคัดเลือกกันเอง ในลักษณะของปัจเจกบุคคล ที่ยอมให้พวกมันทนต่อการมีอยู่ของมนุษย์กลายเป็นสหายที่เลี้ยงไว้กับ นักล่า-รวบรวม

ในที่สุด มนุษย์ก็เริ่มจงใจเลี้ยงสุนัข จากนั้นจึงผสมพันธุ์สุนัขรุ่นต่างๆ ตามลักษณะที่ต้องการ โดยเฉพาะอย่างยิ่งความอ่อนน้อมถ่อมตน สุนัขกลายเป็นเพื่อนที่ซื่อสัตย์และปกป้องมนุษย์ กว่าพันปีมาแล้ว ที่มนุษย์คัดเลือกพันธุ์พวกมันให้มีลักษณะเฉพาะ เช่น ความยาวและสีของขน ขนาดตาและความยาวของจมูก ขนาดลำตัว ลักษณะนิสัย และอื่นๆ

หมาป่าป่าแห่งเอเชียตะวันออกเมื่อ 32,000 ปีก่อน ซึ่งแยกออกเป็นสุนัขเมื่อ 32,000 ปีก่อน ซึ่งประกอบไปด้วยสุนัขเกือบ 350 สายพันธุ์ สุนัขยุคแรกเหล่านี้มีความสัมพันธ์ทางพันธุกรรมอย่างใกล้ชิดที่สุดกับสุนัขสมัยใหม่ที่เรียกว่าสุนัขพื้นเมืองของจีน

การคัดเลือกประดิษฐ์แสดงออกในรูปแบบอื่นในวัฒนธรรมมนุษย์โบราณเช่นกัน เมื่อมนุษย์เคลื่อนไปสู่สังคมเกษตรกรรม พวกเขาใช้การคัดเลือกโดยประดิษฐ์กับพืชและสัตว์จำนวนมากขึ้น

พวกเขาเลี้ยงสัตว์ด้วยการเพาะพันธุ์พวกมันรุ่นแล้วรุ่นเล่า เฉพาะการผสมพันธุ์กับลูกหลานที่แสดงลักษณะที่ต้องการเท่านั้น ลักษณะเหล่านี้ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของสัตว์ ตัวอย่างเช่น ม้าบ้านสมัยใหม่มักใช้ในหลายวัฒนธรรม เช่น การคมนาคมขนส่ง และเป็นฝูงสัตว์ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มสัตว์ที่เรียกกันทั่วไปว่า สัตว์ภาระ.

ดังนั้น คุณลักษณะที่ผู้เพาะพันธุ์ม้าอาจมองหาคือความอ่อนน้อมถ่อมตนและความแข็งแกร่ง ตลอดจนความแข็งแกร่งในความเย็นหรือความร้อน และความสามารถในการผสมพันธุ์ในกรงขัง

สังคมโบราณใช้พันธุวิศวกรรมในรูปแบบอื่นนอกเหนือจากการคัดเลือกโดยประดิษฐ์เช่นกัน 6,000 ปีที่แล้ว ชาวอียิปต์ใช้ยีสต์ทำขนมปังและหมักยีสต์เพื่อทำไวน์และเบียร์

พันธุวิศวกรรมสมัยใหม่เกิดขึ้นในห้องปฏิบัติการ แทนที่จะเกิดจากการผสมพันธุ์แบบคัดเลือก เนื่องจากยีนเป็น คัดลอกและย้ายจาก DNA ชิ้นหนึ่งไปยังอีกชิ้นหนึ่ง หรือจากเซลล์ของสิ่งมีชีวิตหนึ่งไปยังอีกสิ่งมีชีวิตหนึ่ง ดีเอ็นเอ. สิ่งนี้อาศัยวงแหวนของ DNA ที่เรียกว่า a พลาสมิด.

พลาสมิด มีอยู่ในเซลล์แบคทีเรียและยีสต์ และแยกออกจากโครโมโซม แม้ว่าทั้งคู่จะมี DNA แต่พลาสมิดก็ไม่จำเป็นต่อการดำรงชีวิตของเซลล์ แม้ว่าโครโมโซมของแบคทีเรียจะมียีนหลายพันชนิด แต่พลาสมิดมียีนได้มากเท่าที่คุณจะวางใจได้ในมือข้างเดียว ทำให้ง่ายต่อการจัดการและวิเคราะห์

การค้นพบในปี 1960 ของ เอ็นโดนิวคลีเอสจำกัดหรือที่เรียกว่า เอนไซม์จำกัดนำไปสู่ความก้าวหน้าในการแก้ไขยีน เอนไซม์เหล่านี้ตัด DNA ที่ตำแหน่งเฉพาะในสายโซ่ของ คู่เบส.

คู่ฐานคือพันธะ นิวคลีโอไทด์ ที่ก่อตัวเป็นสายดีเอ็นเอ ขึ้นอยู่กับชนิดของแบคทีเรีย เอ็นไซม์จำกัดจะเชี่ยวชาญในการจำแนกและตัดลำดับเบสคู่ที่แตกต่างกัน

เนื้อหาที่เกี่ยวข้อง: คำจำกัดความของอณูชีววิทยา

นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าพวกเขาสามารถใช้เอ็นไซม์จำกัดเพื่อตัดชิ้นส่วนของวงแหวนพลาสมิดออก จากนั้นพวกเขาสามารถแนะนำ DNA จากแหล่งอื่นได้

เอนไซม์อื่นที่เรียกว่า ดีเอ็นเอ ไลกาส ยึด DNA แปลกปลอมเข้ากับพลาสมิดดั้งเดิมในช่องว่างที่ทิ้งไว้โดยลำดับ DNA ที่หายไป ผลลัพธ์สุดท้ายของกระบวนการนี้คือพลาสมิดที่มีส่วนยีนต่างประเทศซึ่งเรียกว่าa เวกเตอร์.

หากแหล่ง DNA เป็นสายพันธุ์ที่แตกต่างกัน plasmid ใหม่จะเรียกว่า ดีเอ็นเอลูกผสม, หรือ ความฝัน. เมื่อพลาสมิดถูกนำเข้าสู่เซลล์แบคทีเรียอีกครั้ง ยีนใหม่จะแสดงราวกับว่าแบคทีเรียมีองค์ประกอบทางพันธุกรรมนั้นอยู่เสมอ ในขณะที่แบคทีเรียทำซ้ำและทวีคูณ ยีนก็จะถูกคัดลอกเช่นกัน

หากเป้าหมายคือการแนะนำ DNA ใหม่เข้าไปในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตที่ไม่ใช่แบคทีเรีย ต้องใช้เทคนิคที่แตกต่างกัน หนึ่งในนั้นคือ ยีนปืนซึ่งระเบิดอนุภาคขนาดเล็กมากของธาตุโลหะหนักที่เคลือบด้วยดีเอ็นเอลูกผสมที่เนื้อเยื่อพืชหรือสัตว์

อีกสองเทคนิคต้องการการควบคุมพลังของกระบวนการโรคติดเชื้อ แบคทีเรียสายพันธุ์ที่เรียกว่า อะโกรแบคทีเรียม ทูเมฟาเซียน ทำให้พืชติดเชื้อ ทำให้เนื้องอกเติบโตในพืช นักวิทยาศาสตร์ได้ขจัดยีนที่ก่อให้เกิดโรคออกจากพลาสมิดที่รับผิดชอบเนื้องอกที่เรียกว่า Tiหรือพลาสมิดที่กระตุ้นเนื้องอก พวกเขาแทนที่ยีนเหล่านี้ด้วยยีนใดก็ตามที่พวกเขาต้องการถ่ายโอนไปยังพืชเพื่อให้พืชกลายเป็น "การติดเชื้อ" กับ DNA ที่ต้องการ

เนื้อหาที่เกี่ยวข้อง: ชีววิทยาของเซลล์: ภาพรวมของเซลล์โปรคาริโอตและยูคาริโอต

ไวรัสมักจะบุกรุกเซลล์อื่นๆ ตั้งแต่แบคทีเรียไปจนถึงเซลล์ของมนุษย์ และแทรก DNA ของพวกมันเอง อา เวกเตอร์ไวรัส ถูกใช้โดยนักวิทยาศาสตร์เพื่อถ่ายโอน DNA ไปยังเซลล์พืชหรือสัตว์ ยีนที่ก่อให้เกิดโรคจะถูกลบออกและแทนที่ด้วยยีนที่ต้องการ ซึ่งอาจรวมถึงยีนเครื่องหมายเพื่อส่งสัญญาณว่าการถ่ายโอนเกิดขึ้น

ตัวอย่างแรกของการดัดแปลงพันธุกรรมสมัยใหม่คือในปี 1973 เมื่อ Herbert Boyer และ Stanley Cohen ย้ายยีนจากแบคทีเรียสายพันธุ์หนึ่งไปสู่อีกสายพันธุ์หนึ่ง ยีนที่เข้ารหัสสำหรับการดื้อยาปฏิชีวนะ

ในปีถัดมา นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างตัวอย่างแรกของสัตว์ดัดแปลงพันธุกรรม เมื่อรูดอล์ฟ เจนิสช์และเบียทริซ มินท์ซ แทรก DNA ต่างประเทศเข้าไปในตัวอ่อนของหนูได้สำเร็จ

นักวิทยาศาสตร์เริ่มนำพันธุวิศวกรรมไปใช้กับสิ่งมีชีวิตในวงกว้าง เพื่อรับเทคโนโลยีใหม่จำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ ตัวอย่างเช่น พวกเขาพัฒนาพืชที่ต้านทานสารกำจัดวัชพืชเพื่อให้เกษตรกรสามารถฉีดพ่นวัชพืชโดยไม่ทำลายพืชผล

พวกเขายังดัดแปลงอาหาร โดยเฉพาะอย่างยิ่งผักและผลไม้ เพื่อให้พวกมันโตและอายุยืนยาวกว่าลูกพี่ลูกน้องที่ไม่ได้ดัดแปลง

พันธุวิศวกรรมเป็นรากฐานของเทคโนโลยีชีวภาพ เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วอุตสาหกรรมเทคโนโลยีชีวภาพเป็นสาขากว้างใหญ่ที่เกี่ยวข้องกับการใช้สิ่งมีชีวิตชนิดอื่นเพื่อความต้องการของมนุษย์

บรรพบุรุษของคุณเมื่อหลายพันปีก่อนซึ่งเป็นสุนัขที่คัดเลือกพันธุ์หรือพืชผลบางชนิดกำลังใช้เทคโนโลยีชีวภาพ ชาวนาและพ่อพันธุ์แม่พันธุ์สมัยใหม่ก็เช่นกัน และร้านเบเกอรี่หรือโรงกลั่นเหล้าองุ่นก็เช่นกัน

เนื้อหาที่เกี่ยวข้อง: วิธีติดต่อตัวแทนของคุณเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ

เทคโนโลยีชีวภาพอุตสาหกรรมใช้สำหรับแหล่งเชื้อเพลิง นี่คือที่มาของคำว่า "เชื้อเพลิงชีวภาพ" จุลินทรีย์กินไขมันและเปลี่ยนเป็นเอทานอลซึ่งเป็นแหล่งเชื้อเพลิงสิ้นเปลือง

เอนไซม์ใช้ในการผลิตสารเคมีที่มีของเสียและต้นทุนน้อยกว่าวิธีการแบบเดิม หรือเพื่อทำความสะอาดกระบวนการผลิตโดยการทำลายผลพลอยได้ของสารเคมี

ตั้งแต่การบำบัดด้วยสเต็มเซลล์ไปจนถึงการตรวจเลือดที่ดีขึ้นไปจนถึงยาหลายชนิด การดูแลสุขภาพได้เปลี่ยนโฉมหน้าด้วยเทคโนโลยีชีวภาพ บริษัทเทคโนโลยีชีวภาพทางการแพทย์ใช้จุลินทรีย์เพื่อสร้างยาใหม่ เช่น โมโนโคลนอลแอนติบอดี (ยาเหล่านี้ใช้รักษาอาการต่างๆ เช่น มะเร็ง) ยาปฏิชีวนะ วัคซีน และฮอร์โมน

ความก้าวหน้าทางการแพทย์ที่สำคัญคือการพัฒนากระบวนการสร้างอินซูลินสังเคราะห์ด้วยความช่วยเหลือจากพันธุวิศวกรรมและจุลินทรีย์ ดีเอ็นเอของอินซูลินของมนุษย์ถูกแทรกเข้าไปในแบคทีเรีย ซึ่งทำซ้ำและเติบโตและผลิตอินซูลิน จนกว่าอินซูลินจะถูกรวบรวมและทำให้บริสุทธิ์

ในปี 1991 Ingo Potrykus ได้ใช้การวิจัยเทคโนโลยีชีวภาพทางการเกษตรเพื่อพัฒนาข้าวชนิดหนึ่งที่เสริมด้วยเบต้าแคโรทีนซึ่งร่างกาย แปลงเป็นวิตามินเอ และเหมาะที่จะปลูกในประเทศแถบเอเชีย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เด็กตาบอดจากการขาดวิตามินเอ ปัญหา.

การสื่อสารที่ผิดพลาดระหว่างชุมชนวิทยาศาสตร์กับสาธารณชนได้นำไปสู่การโต้เถียงกันอย่างมากเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตดัดแปลงพันธุกรรมหรือจีเอ็มโอ มีความกลัวและโวยวายต่อ a ผลิตภัณฑ์อาหารดัดแปลงพันธุกรรม เช่น ข้าวสีทอง ที่เรียกกันว่าแม้จะมีพืชพร้อมจำหน่ายแก่ชาวเอเชียในปี 2542 แต่การจำหน่ายนั้นยังไม่มี เกิดขึ้น