Біотехнології та генна інженерія: огляд

Біотехнологія це область науки про життя, яка використовує живі організми та біологічні системи для створення модифікованих або нових організмів або корисних продуктів. Основним компонентом біотехнології є генна інженерія.

Популярна концепція біотехнології - один із експериментів, що проводяться в лабораторіях та передові промисловий прогрес, але біотехнологія набагато більше інтегрована у повсякденне життя більшості людей, ніж вона здається.

Вакцини, які ви отримуєте, соєвий соус, сир і хліб, які ви купуєте в продуктовому магазині, пластики щодня навколишнє середовище, ваш бавовняний одяг, стійкий до зморшок, прибирання після новин про розливи нафти та багато іншого - це приклади біотехнологія. Всі вони "використовують" живих мікробів для створення продукту.

Навіть аналіз крові на хворобу Лайма, хіміотерапія раку молочної залози або ін’єкція інсуліну можуть бути результатом біотехнології.

TL; DR (занадто довгий; Не читав)

Біотехнологія спирається на область генної інженерії, яка модифікує ДНК, щоб змінити функції або інші риси живих організмів.

Ранніми прикладами цього є вибіркове розведення рослин і тварин тисячі років тому. Сьогодні вчені редагують або передають ДНК від одного виду до іншого. Біотехнологія використовує ці процеси для найрізноманітніших галузей промисловості, включаючи медицину, харчову промисловість та сільське господарство, виробництво та біопаливо.

Біотехнологія не була б можливою без генна інженерія. По-сучасному, цей процес маніпулює генетичною інформацією клітин, використовуючи лабораторні методи, щоб змінити риси живих організмів.

Вчені можуть використовувати генну інженерію для того, щоб змінити спосіб, як організм виглядає, поводиться, функціонує або взаємодіє з конкретними матеріалами або подразниками в своєму середовищі. Генна інженерія можлива у всіх живих клітинах; сюди входять мікроорганізми, такі як бактерії, та окремі клітини багатоклітинних організмів, таких як рослини та тварини. Навіть геном людини можна редагувати за допомогою цих методів.

Іноді вчені змінюють генетичну інформацію в клітині, безпосередньо змінюючи її гени. В інших випадках шматочки ДНК одного організму імплантуються в клітини іншого організму. Нові гібридні клітини називаються трансгенний.

Генетична інженерія може здатися надсучасним технологічним прогресом, але вона використовується десятками років у багатьох сферах. Насправді сучасна генна інженерія сягає своїм корінням у стародавні людські практики, які вперше були визначені Чарльзом Дарвіном як штучний відбір.

Штучний відбір, який також називають вибіркове розведення, є методом навмисного вибору парних пар для рослин, тварин чи інших організмів на основі бажаних ознак. Причиною цього є створення нащадків з цими рисами та повторення процесу з майбутніми поколіннями для поступового зміцнення ознак у популяції.

Хоча штучний відбір не вимагає мікроскопії чи іншого сучасного лабораторного обладнання, він є ефективною формою генної інженерії. Хоча він починався як давня техніка, люди використовують його і сьогодні.

Поширені приклади включають:

• Розведення худоби.
• Створення сортів квітів.
• Племінні тварини, такі як гризуни або примати, з певними бажаними рисами, такими як сприйнятливість до хвороб, для дослідницьких досліджень.

Перший відомий приклад участі людей у ​​штучному відборі організму - це зростання Вовчак звичайний, або, як відомо, собака. Близько 32 000 років тому люди в районі Східної Азії, який зараз є Китаєм, жили групами мисливців-збирачів. Дикі вовки йшли за людськими групами і чистили туші, які мисливці залишали за собою.

Вчені вважають, що, швидше за все, люди дозволяли жити лише слухняним вовкам, які не загрожували. Таким чином, відгалуження собак від вовків розпочалося шляхом самовідбору як особин з ознакою що дозволило їм терпіти присутність людей, стали одомашненими супутниками мисливці-збирачі.

Зрештою, люди почали навмисно одомашнювати, а потім розводити покоління собак за бажаними рисами, особливо поступливістю. Собаки стали вірними і захисними супутниками людини. Протягом тисяч років люди селективно виводили їх за певними ознаками, такими як довжина і колір шерсті, розмір очей і довжина морди, розмір тіла, вдача тощо.

Дикі вовки Східної Азії 32000 років тому, які розділилися 32000 років тому на собак, складають майже 350 різних порід собак. Ці ранні собаки найтісніше генетично пов'язані з сучасними собаками, які називаються китайськими корінними собаками.

Штучний відбір, що проявляється по-іншому і в древніх людських культурах. Коли люди рухались до сільськогосподарських товариств, вони застосовували штучний відбір із збільшенням кількості видів рослин і тварин.

Вони одомашнювали тварин, розводячи їх покоління за поколінням, лише спарюючи потомство, яке виявляло бажані риси. Ці риси залежали від призначення тварини. Наприклад, сучасні одомашнені коні зазвичай використовуються в багатьох культурах як транспорт і як в'ючні тварини, що входять до групи тварин, яку зазвичай називають вантажі звірі.

Отже, риси, на які могли б звернути увагу заводчики коней, - це спритність і сила, а також стійкість до холоду чи спеки, а також здатність до розмноження в неволі.

Стародавні суспільства також використовували генну інженерію не лише шляхом штучного відбору. 6000 років тому єгиптяни використовували дріжджі для закваски хліба, а квашені дріжджі - для виготовлення вина та пива.

Сучасна генна інженерія відбувається в лабораторії, а не шляхом селективного розведення, оскільки гени є копіюється і переміщується з одного шматка ДНК в інший або з клітини одного організму в інший ДНК. Це спирається на кільце ДНК, яке називається a плазміда.

Плазміди присутні в бактеріальних і дріжджових клітинах і окремо від хромосом. Хоча обидва містять ДНК, плазміди, як правило, не є необхідними для виживання клітини. Хоча бактеріальні хромосоми містять тисячі генів, плазміди містять лише стільки генів, скільки ви могли б порахувати з одного боку. Це робить їх набагато простішими для маніпулювання та аналізу.

Відкриття в 1960-х рр ендонуклеази рестрикції, також відомий як ферменти рестрикції, призвів до прориву в редагуванні генів. Ці ферменти розрізають ДНК у певних місцях ланцюга пари основ.

Основні пари - це зв’язані нуклеотиди які утворюють ланцюг ДНК. Залежно від виду бактерій, фермент рестрикції буде спеціалізованим для розпізнавання та розрізання різних послідовностей пар основ.

Пов’язаний вміст: Визначення молекулярної біології

Вчені виявили, що їм вдалося використовувати ферменти рестрикції для вирізання шматочків плазмідних кілець. Потім вони змогли ввести ДНК з іншого джерела.

Ще один фермент називається ДНК-лігаза приєднує чужорідну ДНК до вихідної плазміди у порожньому проміжку, залишеному відсутньою послідовністю ДНК. Кінцевим результатом цього процесу є плазміда з чужорідним генним сегментом, яка називається а вектор.

Якщо джерелом ДНК був інший вид, називається нова плазміда рекомбінантна ДНК, або a химера. Після повторного введення плазміди в бактеріальну клітину нові гени експресуються так, ніби бактерія завжди мала такий генетичний склад. У міру розмноження та розмноження бактерії ген також буде скопійовано.

Якщо метою є введення нової ДНК в клітину організму, що не є бактеріями, потрібні різні методики. Одним з них є генний пістолет, який вибухає дуже дрібні частинки важкометалевих елементів, покритих рекомбінантною ДНК, на тканинах рослин або тварин.

Дві інші методики вимагають використання потужності процесів інфекційних хвороб. Штам бактерій називається Agrobacterium tumefaciens заражає рослини, викликаючи зростання пухлини в рослині. Вчені видаляють хвороботворні гени з плазміди, відповідальної за пухлини, що називається Ti, або індукуюча пухлину плазміда. Вони замінюють ці гени будь-якими генами, які вони хочуть перенести в рослину, щоб рослина «заразилася» бажаною ДНК.

Пов’язаний вміст: Клітинна біологія: огляд прокаріотичних та еукаріотичних клітин

Віруси часто вторгаються в інші клітини, від бактерій до клітин людини, і вставляють власну ДНК. A вірусний вектор використовується вченими для перенесення ДНК в клітину рослини або тварини. Гени, що викликають захворювання, видаляються і замінюються потрібними генами, які можуть включати маркери-гени, що сигналізують про те, що передача відбулася.

Перший випадок сучасної генетичної модифікації був у 1973 році, коли Герберт Боєр та Стенлі Коен передали ген від одного штаму бактерій до іншого. Ген, кодований на стійкість до антибіотиків.

Наступного року вчені створили перший екземпляр генетично модифікованої тварини, коли Рудольф Яєніш та Беатріс Мінц успішно вставили чужорідну ДНК в ембріони мишей.

Вчені почали застосовувати генну інженерію в широкому полі організмів для зростаючого числа нових технологій. Наприклад, вони розробили рослини з стійкістю до гербіцидів, щоб фермери могли обприскувати бур’яни, не пошкоджуючи посіви.

Вони також модифікували їжу, особливо овочі та фрукти, щоб вони росли набагато більшими та довше, ніж їхні незмінені кузени.

Генна інженерія є основою біотехнології, оскільки біотехнологічна галузь, загалом, є величезним полем, яке передбачає використання інших живих видів для потреб людини.

Ваші предки тисячоліть тому, які вибірково розводили собак або певні культури, використовували біотехнології. Так само і сучасні фермери та собаківники, і будь-яка пекарня чи виноробня.

Пов’язаний вміст: Як зв’язатися зі своїм представником щодо зміни клімату

Промислова біотехнологія використовується для джерел палива; саме тут походить термін «біопаливо». Мікроорганізми споживають жири та перетворюють їх на етанол, який є споживаним джерелом палива.

Ферменти використовуються для виробництва хімічних речовин з меншими витратами та витратами, ніж традиційні методи, або для очищення виробничих процесів шляхом розщеплення побічних хімічних продуктів.

Від лікування стовбуровими клітинами до поліпшення аналізів крові до різноманітних фармацевтичних препаратів обличчя охорони здоров’я було змінено завдяки біотехнологіям. Медичні біотехнологічні компанії використовують мікроби для створення нових ліків, таких як моноклональні антитіла (ці препарати використовуються для лікування різних захворювань, включаючи рак), антибіотиків, вакцин та гормонів.

Значним медичним прогресом стала розробка процесу створення синтетичного інсуліну за допомогою генної інженерії та мікробів. ДНК для людського інсуліну вводять у бактерії, які розмножуються, ростуть і виробляють інсулін, поки інсулін не буде зібраний та очищений.

У 1991 році Інго Потрикус використовував сільськогосподарські біотехнологічні дослідження для розробки виду рису, збагаченого бета-каротином, який організм перетворюється на вітамін А і ідеально підходить для вирощування в азіатських країнах, де особливою є сліпота в дитячому віці від нестачі вітаміну А проблема.

Неправильне спілкування між науковою спільнотою та громадськістю призвело до великих суперечок щодо генетично модифікованих організмів або ГМО. Був такий страх і крик через генетично модифікований харчовий продукт, такий як Золотий рис, як його ще називають, що, незважаючи на те, що рослини були готові до роздачі азіатським фермерам у 1999 році, цей розподіл ще відбулося.