Biotechnologija. Įvadas į biotechnologijas
Paprastai kalbant, biotechnologija reiškia gyvų organizmų ar jų produktų naudojimą žmonių sveikatai ir žmonių aplinkai modifikuoti. Tai yra molekulinės ir ląstelės biologijos ir augalų, gyvūnų ir žmogaus genetikos susijungimas.
Garsus grožinės literatūros rašytojas Ken Follett rašė apie vienuolika „dvynių“ savo geriausiame pardavime „The Third Twin“. Visi šie vienuolika jaunuolių gimsta skirtingoms tėvų grupėms skirtingose šalies dalyse, tačiau turi tą patį veidą, fizines savybes, kraujo grupę ir net tuos pačius pirštų atspaudus.
Be abejo, Follettas tiesiog naudojo savo vaizduotę, kai sudarė mokslininkų komandą, kuri sukūrė šiuos vienuolika klonų per genetines manipuliacijas. Tačiau tikrieji mokslininkai, kurie sukūrė „Dolly“, avis ir „Flavr-Savr“, puikus pomidoras, pasiekė šiuos sužadėtinius realiai. Ir dabar mes galime kalbėti apie rožių be erškėčių ir kviečių gamybą su papildomomis baltymų dozėmis, be to juoktis. Visa tai yra dėl biotechnologijų atsiradimo.
Biotechnologijos sėklos buvo sėjamos 1953 m., Kai Jamesas Watsonas ir Francis Crick atskleidė, kaip keturios bazės gali suformuoti DNR molekulės savęs kopijavimo kodą. Šie du Nobelio premijos laureatai niekada negalėjo įsivaizduoti, kaip jų DNR atradimas pakeistų pačią gyvenimo sampratą. Tačiau prieš aptariant įvairias biotechnologijos srityje pasiektas pajamas ir jų poveikį mūsų gyvenimui, pažvelkime, kaip ši technika veikia.
Paprastai kalbant, biotechnologija reiškia gyvų organizmų ar jų produktų naudojimą žmonių sveikatai ir žmonių aplinkai modifikuoti. Tai yra molekulinės ir ląstelės biologijos, augalų, gyvūnų ir žmogaus genetikos susijungimas.
Kaip tai veikia?
Paprastai kalbant, biotechnologija reiškia gyvų organizmų ar jų produktų naudojimą žmonių sveikatai ir žmonių aplinkai modifikuoti. Tai yra molekulinės ir ląstelės biologijos ir augalų, gyvūnų ir žmogaus genetikos susijungimas.
Visi gyvi daiktai yra sudaryti iš ląstelių, kurios yra užprogramuotos ta pačia pagrindine genetine medžiaga, vadinama DNR (dezoksiribonukleino rūgštis). Kiekvienas DNR vienetas susideda iš keturių nukleotidų. Tai yra adeninas (A), guaninas (G), timinas (T) ir citozinas (C). Kiti du ingredientai yra cukrus ir fosfatas. Šie nukleotidai susivienija į spiralės struktūrą susimaišiusias kryptis, vadinamas dvigubu spiraliu. Taigi, visa DNR - iš mikroorganizmo, augalo, gyvūno ar žmogaus - susideda iš tos pačios medžiagos.
Nors kiekviena ląstelė yra individualus organizmas, kiekviena ląstelė turi tokį patį DNR vienetų skaičių. Skirtingi DNR segmentai (genai) atskiroms ląstelėms nurodo, kaip diferencijuoti: ty vystytis į akis, kraujo ląsteles, raumenis, odos ląstelę ir pan. DNR taip pat nurodo skirtingoms ląstelėms gaminti specifinius baltymus, fermentus ir kitas medžiagas, kurias organizmas naudoja kovodamas su ligomis arba užkertant kelią plėšrūnams ir kitoms grėsmėms.
Per daugelį metų mokslininkai atrado metodus, kaip perduoti tam tikrą DNR vienetą iš vieno organizmo į kitą. Pirmasis DNR perdavimo etapas yra genų segmento iškirpimas arba pašalinimas iš DNR grandinės, naudojant fermentus kaip „žirkles“ (restrikcijos fermentai). ). Tuomet šios žirklės yra naudojamos pjūviui atidaryti į plazmidę - DNR žiedą, kuris dažnai randamas bakterijose už pagrindinės DNR.
Kitas žingsnis yra įklijuoti arba įdėti geno segmentą į plazmidę. Tiek plazmidės, tiek genų segmento supjaustyti galai yra chemiškai lipni, ir jie greitai prijungiami vienas prie kito, tokiu būdu sudarant plazmidę, turintį naują geną. Galiausiai, kitas fermentas (ligazė) yra naudojamas naujam genui įklijuoti arba pritvirtinti.
Šie perduodami genai gali būti naudojami norint perduoti norimus genetinius požymius iš vieno organizmo į kitą - tai yra pagrindinis biotechnologijos metodas. Įvairios dvidešimtojo amžiaus pažangos biologija tapo molekuliniu pagrindu. Pavyzdžiui, biochemikai išgrynino baltymus ir tyrinėjo juos in vitro mėgintuvėlyje, kristalografai išsprendė savo struktūras, o genetikai naudojo mutacijas, skirtas sutelkti dėmesį į atskirų genų vaidmenį. Ir dabar, žmogaus genomo sekvenavimas šiems procesams pridėjo visiškai naują dimensiją.
Naudodamiesi tokiais metodais, pasiekėme esminę pažangą supratę genetinį projektą ir kaip jis kontroliuoja gyvų organizmų augimą ir vystymąsi. Tai buvo įmanoma sukuriant dirbtinius genus, koduojančius specifinius bruožus.
Genų perkėlimas pagimdė transgeninį vystymąsi ir dabar turime augalų, gyvūnų ir mikroorganizmų transgeno. Tiesą sakant, dabar galime netgi tikėtis, kad per šiuos transgeninius genus perduosime žmogaus sukurtiems genams.
Kas yra toks didelis Apie viską?
Biotechnologijos pažanga neabejotinai skamba įspūdingai. Tačiau jo tiesa yra jos pasekmė. Šiuolaikinės biotechnologinės priemonės padėjo mums priartinti net gamtos įstatymus ir paversti įvairius biologinius trūkumus mūsų patogumui.
„Flora Fortune“:
Paprasčiausias tokio manipuliavimo pavyzdys yra augalų gyvenimas. Biotechnologinių metodų taikymas gali padaryti florą atsparesnę kenkėjams, bakterijoms, grybams ir virusams, kurie reikalauja daugiau kaip trisdešimt penkių procentų pasaulio augmenijos. Šie nuostoliai kasmet sudaro 200 milijardų JAV dolerių.
Biotechnologinės priemonės gali padėti užkirsti kelią šioms grėsmėms augalijai, tačiau nepamirštume, kad šios technologijos naudojimas yra socialinis, ekonominis ir ekologinis spaudimas. Bacillus thuringiensis (Bt) gamina „Bt Toxin“, kuris yra stiprus nuo vabzdžių lervų. Bet Bt toksinai yra insekticidiniai, o jei Bt augalai nėra kruopščiai suprojektuoti, vabzdžiai ir kenkėjai gali sukelti jiems atsparumą.
Nepaisant to, trisdešimties metų sėkmės metu Bt tapo vienu iš greičiausiai veikiančių biologinių pesticidų. Sėkminga „Bt“ sintezės geno ekspresija hibridiniuose pasėliuose suteikia gerą išteklių valdyti ryžių kenkėjus tropinės Azijos šalyse.
Dabar galime net laukti augančių transgeninių medžių. Mokslininkai kuria įvairias rūšis, tokias kaip saldus guma ir medvilnė, siekiant sukurti „super medį“. Šis super medis augs greičiau nei įprastos rūšys ir taip pat išlaiko savo kietumą.
Konkrečių promotoriaus elementų išskyrimas taip pat padėjo kurti baltymus specifinius audinius. Mes netgi galime galvoti apie mėlynąsias rožes ir rožines daliales! Tokie inžinerijos gaminiai bus labai naudingi kuriant dekoratyvinius augalus eksportui. Jau buvo pagamintas pirmasis genetiškai modifikuotas pomidoras „Flavr-Savr“.
Geresni vaisiai ir daržovės:
Kita sritis, kurioje modemo biologiniai metodai ir bioinžinerijos principai turi didelį potencialą, yra maisto gamyba - didžiausia pramonė pasaulyje. Rekombinantinė DNR buvo panaudota vaisių ir daržovių skonio ir tekstūros pagerinimui. Genetinis transformavimas taip pat padeda užkirsti kelią šalčio pakenkimui maisto produktuose. Plekšnių genas naudojamas augalams apsaugoti nuo užšalimo.
Maistas sveikatai:
Bet galbūt didžiausias šios technologijos pasiekimas yra mitybos srityje. „Vaikas yra vyro tėvas“, kaip sakė Williamas Wordsworthas. Taigi, turime išsaugoti savo ateitį gamindami maistingai turtingą maistą mūsų ateities kartai.
Šiuo metu beveik 800 milijonų žmonių arba apie aštuoniolika procentų viso pasaulio gyventojų neturi pakankamai maisto, kad patenkintų jų mitybos poreikius. Besivystančiame pasaulyje padėtis yra gana nerimą kelianti padėtis, kai beveik dvylika milijonų vaikų iki penkerių metų miršta nuo prastos mitybos kasmet.
Ši problema gali būti sėkmingai sprendžiama taikant biotechnologiją, kuri leidžia auginti sveikesnį ir maistingesnį maistą net ir nepalankiomis sąlygomis. Šie metodai paskatina tvariai padidinti hektaro derlių, pvz., Com, ryžius, kviečius ir bulves, ir taip pat padidinti maistinių kultūrų kiekį maiste.
Pvz., „Auksinis ryžiai“ - tai daugybė A vitamino, P-karotino ir geležies turinčių ryžių. Šis nebrangus sprendimas padės kovoti su milžinišku vaikų aklumu ir motinos anemija tarp milijonų žmonių, kurių pagrindinis maisto produktas yra ryžiai.
Kova su nelaimėmis:
Biotechnologija taip pat įrodė savo vertę kovojant su natūraliais nelaimėmis, pavyzdžiui, sausra. Šiuolaikinis mokslas padėjo mums sukurti sausrų atsparius augalus. Neseniai atliktas Michael Thomashow grupės ir Kazuo Shinozaki darbas ištyrė streso pasipriešinimo mechanizmus, susijusius su pagrindinio jungiklio tipo genais. Šios ataskaitos rodo, kad baltymų baterija gali reguliuoti užšalimo ir sausros toleranciją. Ši sąvoka vadinama Regiono inžinerija.
Geresnis tabletes nurijimui:
XIX amžiuje vaistus daugiausia sudarė morfininiai vaistai ir neapdorotos priemonės. Vėlesnė antibiotikų ir vakcinų raida leido likviduoti visas ligų klases. Kita medicininė revoliucija ateis per genetinę inžineriją, kuri padės užkariauti vėžį, auga naujus kraujagysles navikuose, sukuria naujus organus iš kamieninių ląstelių ir netgi atkuria senovinį genetinį kodavimą, kuris sukelia ląstelių senėjimą.
Tiesą sakant, biotechnologija jau davė daugybę gydymo būdų, tokių kaip žmogaus insulinas, kaulų čiulpų transplantacijos augimo veiksniai, širdies priepuolių gydymo produktai ir diagnostiniai rinkiniai infekciniams agentams, tokiems kaip AIDS ir hepatitas.
Pirmasis gelbėjimo vaistas, Humulin, taip pat buvo gaminamas rekombinantinės DNR technologijos dėka. Šie biologiniai vaistai gaminami ne tik tokiu pačiu pavidalu kaip ir žmogaus organizme, bet ir turi geresnį aktyvumą, stabilumą ir biologinį prieinamumą. Tokie produktai taip pat nėra užteršti.
Šių linijų tyrimai leis sukurti žmogaus organų transplantacijai. Persileidimas kuriant kamienines ląsteles turi vėžio kontrolę, regeneruoja nugaros smegenis ir smegenų audinius, ir mažina daugelį kitų su senėjimu susijusių ligų.
Biotechnologija taip pat tapo nepakeičiama biologinių medžiagų testavimo priemone, kuri naudojama kaip įrodymas teisiniuose ir baudžiamuosiuose procesuose, susijusiuose su tėvystės ginčais, seksualiniu priekabiavimu ir žmogžudyste. Dar viena didelė sėkmė buvo branduolinių technologijų perdavimo srityje, kuri jau įrodė savo klestėjimą „Dolly“ avių ir Polly ėrienos klonavimo srityje.
Biotechnologija taip pat gali būti naudinga gerinant vakcinų veiksmingumą. „Gene Therapy“, naujausias biotechnologijų bruožas, atvėrė visiškai naują gydymo paradigmą. „Iki implantacijos genetinė diagnostika (PGD)“, kurioje naudojama „Pagalbinė reprodukcinė technologija (ART)“, taip pat leido naudoti dar negimusių (tik vaisiaus) bambos stiebo ląsteles genetiniams sutrikimams gydyti.
Sveikata per Žaliuosius:
Medicinos ir žemės ūkio biotechnologijų sujungimas atvėrė naujas perspektyvas plėtoti augalų veisles su sveikatai palankiomis savybėmis. Šiuolaikinės technologijos atskleidė, kaip natūralios augalinės medžiagos (fitocheminės medžiagos) suteikia apsaugą nuo vėžio ir kitų ligų.
Šios žinios dabar naudojamos siekiant padidinti tokių medžiagų kiekį maisto tiekime. Vykstantys tyrimai netrukus pagerins vaistų ir vakcinų pristatymą per įprastinius maisto produktus. Šie „Neutracutiniai“ maisto produktai gali būti naudojami asmenims imunizuoti nuo daugelio enterinių ir kitų infekcinių ligų.
Jūrų magija:
Biotechnologija labai prisidėjo prie jūrų akvakultūros srities. Didžiulis jūrų išteklių potencialas vis dar yra nepanaudotas ir gali būti aktyviai panaudotas žmonijos labui. Kadangi pernelyg didelis gamtos išteklių panaudojimas užima šiuos gamtinius rezervus, artimiausioje ateityje transgeninių žuvų vystymasis bus labai svarbus akvakultūros pramonėje.
Revoliucija tampa didesnė:
Biotechnologijų potencialo didinimas:
Nuo pat DNR atradimo biologijos sritis patyrė daugybę revoliucinių pokyčių. Pastaruoju metu didelio pajėgumo metodų analizė, skirta analizuoti genų struktūrą ir funkciją, pagimdė tai, ką dabar žinome kaip genomiką. Užuot analizavęs vieną ar kelis genus, vienu metu galima nustatyti visą organizmo visų genų nukleotidų seką.
Mokslininkai jau laukia tos dienos, kai jie iššifruos visą žmogaus genomą, visus genus (maždaug maždaug 35-40 tūkst.), Kuriuos koduoja trys milijardai bazių (cheminių porų) mūsų DNR. Žmogaus genomo iššifravimas atvėrė naujas perspektyvas suprasti funkcinį šių genų mechanizmą žmogaus organizme.
Kaip ir žmogaus genomas, augalų genomas taip pat turi didelę reikšmę padėdamas mums suprasti augalų genų funkciją jų ląstelių, organizmų ir evoliuciniame kontekste, taip pat sukurti augalų biologijos informacinę struktūrą. Augalų gyvenime Arabidopsis genomas jau buvo susietas. Šis pasiekimas galėtų atverti potvynius į naują „žaliųjų“ kultūrų revoliuciją.
Iš viso pranešta apie 25 498 genus, ekspresuojančius 11 000 baltymų. Šis genų žemėlapis suteiktų įžvalgų apie visus gyvulius palaikančius augalus, tokius kaip sojos pupelės, kviečiai, vaisiai ir vaisiai. Tokie genominiai atradimai iš tiesų atvėrė kelią visų augalų genų funkcijoms mokytis ir atskleisti procesus, kurie yra esminiai augalų gyvenimo mechanizmams.
Kadangi žmogaus genomo projektas artėja prie išvados, informacijos iš DNR į baltymus vertimas greitai pasiekiamas. Tai gali baigtis praktiškai revoliuciją žmogaus medicinos ir sveikatos priežiūros. Tačiau vienas iš pagrindinių iššūkių yra supratimas apie baltyminę baltymų visatos mokslą.
Kaip ir genomikos atveju, proteomika padeda kataloguoti ir apibūdinti grupėje esančius baltymus ir automatizuotai didelio masto būdu. Proteomika apima transkripcijos profiliavimą, siekiant nustatyti, kurie genai koduoja baltymus tam tikrame ląstelių tipe, vystymosi stadijoje arba ligos būsenoje, didelio našumo ekspresija, baltymų sulankstymo ir baltymų ir baltymų sąveikos tyrimai. Jis taip pat padeda suprasti transdukcijos ir kitus sudėtingus ląstelių procesus, didelio masto baltymų sulenkimą ir trimatę struktūrą.
Šis procesas gali netgi atskleisti bendrą vaizdą apie tai, kaip genai veikia visuose organizmuose (bendras genomas), įskaitant ekspresijos profilius mRNR (transkripto) ir baltymų (baltymų) lygiuose. Remiantis šiais tyrimais, galima sudaryti žemėlapius, galinčius padėti nustatyti tiek atitinkamo geno, tiek baltymo trūkumus ir teigiamus aspektus.
Biotechnologija taip pat atlieka svarbų vaidmenį išsaugant mūsų aplinką. Aplinkosaugos biotechnologijos apimtis - nuo mikrobų paieškos, kurie sumažins rūgštų lietų, pašalinant sierą iš elektrinių, iki biologiškai skaidžių plastikų gamybos.
Kadangi pasaulis kovoja su aplinkos apsaugos dilema, tuo pat metu skatindamas ekonominį vystymąsi, aplinkos biotechnologija atliks svarbų vaidmenį užtikrinant sveiką konkuruojančių interesų pusiausvyrą.
Kita skaičiavimo sritis yra biologinės įvairovės išsaugojimas ir tausus naudojimas. Biotechnologijos pažanga siūlo galingas įvairių rūšių genetinių struktūrų išsaugojimo, vertinimo ir naudojimo priemones. Šiuolaikinės biotechnologijos taikymas užterštos žemės ir vandens biologiniam valymui jau padėjo paversti pavojingas atliekas į nepavojingas atliekas.
Be to, biotechnologijos atliko svarbų vaidmenį atsigavus degradavusias ekosistemas. Kai kurie metodai, pagrįsti augalų biotechnologijomis, apima miškų atkūrimą mikro mikroskopu ir mikorizos naudojimą. Didelės genetinės bazės, kuri yra svarbi biologinės įvairovės dalis, išlaikymas taip pat yra labai svarbus biotechnologijų ateičiai ir tausiam biologinių išteklių naudojimui.
Biotechnologijos taip pat turi didžiulę įtaką mūsų bioenergijos išteklių didinimui, didinant biomasės, biodujų ir degalų alkoholio priimtinumą kaip komerciniu požiūriu įmanomas energijos galimybes ateityje. Kompiuteriai papildė naują biologinių tyrimų dimensiją, o biologinės medžiagos, esančios biologinių lustų pavidalu, turės didžiulį poveikį kompiuterizacijai.
Šie bioprocesai greitai pakeis įprastinius silicio lustus, naudojamus kompiuteriuose. Siūlomas biomolekulinių kompiuterių asortimentas žada būti dešimt iki tūkstančio kartų mažesnis už geriausius šiuo metu turimus super kompiuterius, turinčius daug greitesnį perjungimo laiką ir labai mažą galios išsklaidymą.
Taigi, su visais šios srities jauduliais ir naujais būdais, kurie pridedami kas minutę, jūs tikrai padarėte protingą sprendimą, jei manote, kad biotechnologija yra jūsų laukas. Skaitykite toliau, kad sužinotumėte, kas gali būti saugoma, ir kaip tai pasiekti.
