Biotechnologie - een inleiding tot de biotechnologie

In eenvoudige termen verwijst biotechnologie naar het gebruik van levende organismen of hun producten om de menselijke gezondheid en de menselijke omgeving te wijzigen. Het is een samensmelting van moleculaire en cellulaire biologie en plantaardige, dierlijke en menselijke genetica.

Gerenommeerde fictief schrijver Ken Follett heeft geschreven over de elf 'tweelingen' in zijn bestseller 'The Third Twin'. Al deze elf jonge mannen worden geboren in verschillende reeksen ouders in verschillende delen van het land en hebben toch hetzelfde gezicht, fysieke kenmerken, bloedgroep en zelfs dezelfde vingerafdrukken.

Natuurlijk gebruikte Follett zijn verbeelding gewoon toen hij een team van wetenschappers in kaart bracht die deze elf klonen creëerden door middel van genetische manipulaties. Maar natuurwetenschappers die 'Dolly', de schapen en 'Flavr-Savr', de perfecte tomaat, hebben gemaakt, hebben deze prestaties echt waargemaakt. En nu kunnen we praten over het produceren van rozen zonder doornen en tarwe met extra doses proteïnen zonder te worden uitgelachen. Dit alles is te danken aan de komst van de biotechnologie.

De zaden voor biotechnologie werden gezaaid in 1953, toen James Watson en Francis Crick onthulden hoe vier basen konden paren om de zelfkopiërende code van een DNA-molecuul te vormen. Deze twee Nobelprijswinnaars hadden zich nooit kunnen voorstellen hoe hun ontdekking van DNA het ware concept van het leven zou veranderen. Maar voordat we de verschillende ontwikkelingen in de biotechnologie bespreken, en de impact die deze hebben gehad op ons leven, laten we eens kijken naar hoe deze techniek functioneert.

In eenvoudige termen verwijst biotechnologie naar het gebruik van levende organismen of hun producten om de menselijke gezondheid en de menselijke omgeving te wijzigen. Het is een samensmelting van moleculaire en cellulaire biologie, en plantaardige, dierlijke en menselijke genetica.

Hoe werkt het?

In eenvoudige termen verwijst biotechnologie naar het gebruik van levende organismen of hun producten om de menselijke gezondheid en de menselijke omgeving te wijzigen. Het is een samensmelting van moleculaire en cellulaire biologie en plantaardige, dierlijke en menselijke genetica.

Alle levende dingen bestaan ​​uit cellen, die worden geprogrammeerd door hetzelfde basale genetische materiaal dat DNA wordt genoemd (Deoxy Ribonucleic Acid). Elke eenheid van DNA bestaat uit vier nucleotiden. Dit zijn Adenine (A), Guanine (G), Thymine (T) en Cytosine (C). De andere twee ingrediënten zijn suiker en een fosfaat. Deze nucleotiden vormen een paar in strengen die samen draaien in een spiraalvormige structuur, een dubbele helix genoemd. Aldus bestaat al het DNA - of het nu uit een micro-organisme, een plant, een dier of een mens bestaat - uit hetzelfde materiaal.

Hoewel elke cel een individueel organisme is, heeft elke cel hetzelfde aantal DNA-eenheden. De verschillende segmenten van DNA (genen) vertellen individuele cellen hoe ze kunnen differentiëren: dwz om zich te ontwikkelen tot een oog, een bloedcel, een spier, een huidcel, enzovoort. DNA instrueert ook verschillende cellen om specifieke eiwitten, enzymen en andere stoffen te produceren die het gastheerorganisme gebruikt om ziekten te bestrijden of roofdieren en andere bedreigingen af ​​te weren.

In de loop der jaren hebben onderzoekers de methoden ontdekt voor het overbrengen van een specifiek stukje DNA van het ene organisme naar het andere. De eerste stap bij het overbrengen van DNA is het knippen of verwijderen van een gensegment uit een DNA-keten, met behulp van enzymen als 'schaar' (restrictie-enzymen) ). Deze scharen worden vervolgens gebruikt om een ​​opening in het plasmide te snijden - de ring van DNA die vaak voorkomt in bacteriën buiten het kern-DNA.

De volgende stap is om het gensegment in het plasmide te plakken of te plaatsen. De afgesneden einden van zowel het plasmide als het gensegment zijn chemisch plakkerig, en ze binden zich prompt aan elkaar en vormen zo een plasmide dat een nieuw gen bevat. Ten slotte wordt een ander enzym (ligase) gebruikt om het nieuwe gen op zijn plaats te plakken of vast te zetten.

Deze overdraagbare genen kunnen worden gebruikt om de gewenste genetische eigenschappen van het ene organisme naar het andere over te brengen - wat de fundamentele benadering van de biotechnologie is. Verschillende ontwikkelingen in de twintigste eeuw hebben de biologie op moleculaire voet gezet. Biochemici hebben bijvoorbeeld gezuiverde eiwitten en bestudeerden ze in vitro in een reageerbuis, kristallografen hebben hun structuren opgelost en genetici hebben mutaties gebruikt om zich te concentreren op de rol van individuele genen. En nu heeft de sequentiebepaling van het menselijk genoom een ​​geheel nieuwe dimensie aan deze processen toegevoegd.

Met behulp van dergelijke technieken hebben we aanzienlijke vooruitgang geboekt in ons begrip van de genetische blauwdruk, en hoe deze de groei en ontwikkeling van levende organismen regelt. Dit is mogelijk gemaakt door de ontwikkeling van kunstmatige genen die coderen voor specifieke kenmerken.

Genoverdracht heeft de geboorte van transgene embryo's opgeleverd en we hebben nu transgen in planten, dieren en micro-organismen. Sterker nog, nu kunnen we zelfs uitkijken naar het doorgeven van door de mens gemaakte genen aan de volgende generatie via deze transgene.

Wat is er zo geweldig aan dit alles?

De vooruitgang op het gebied van biotechnologie klinkt zeker indrukwekkend. Maar zijn waarheidswaarde ligt in de implicaties ervan. Moderne biotechnologische instrumenten hebben ons geholpen om zelfs de natuurwetten te schalen en verschillende biologische nadelen tot ons gemak te brengen.

The Flora Fortune:

Het eenvoudigste voorbeeld van een dergelijke manipulatie is het plantenleven. De toepassing van biotechnologische technieken kan de flora resistenter maken tegen plagen, bacteriën, schimmels en virussen, die meer dan vijfendertig procent van de vegetatie in de wereld opeisen. Deze verliezen bedragen jaarlijks maar liefst US $ 200 miljard.

Biotechnologische hulpmiddelen kunnen helpen deze bedreigingen voor de vegetatie af te weren, maar men zou niet vergeten dat het gebruik van deze technologie onderhevig is aan sociale, economische en ecologische druk. Bacillus thuringiensis (Bt) produceert Bt-toxine, dat sterk is tegen insectlarven. Maar Bt-toxinen zijn insectendodend en tenzij Bt-planten zorgvuldig zijn ontworpen, kunnen de insecten en ongedierte resistentie tegen hen ontwikkelen.

Niettemin hebben dertig jaar succes Bt gekroond als een van de snelst werkende bio-pesticiden die er zijn. De succesvolle expressie van het Bt-fusiegen in een hybride gewas biedt een goed hulpmiddel voor het beheer van rijstongedierte in tropische Aziatische landen.

Nu kunnen we zelfs uitkijken naar groeiende transgene bomen. Wetenschappers maken verschillende soorten zoals zoete gom en cottonwood, met het doel een 'Super Tree' te creëren. Deze superboom zal sneller groeien dan de normale soort en zal ook hun hardheid behouden.

Isolatie van specifieke promotorelementen heeft ook geholpen bij het ontwerpen van de gewassen die eiwitten tot expressie brengen in specifieke weefsels. We kunnen zelfs denken aan blauwe rozen en roze Dahlia's! Dergelijke gemanipuleerde producten zullen uitermate nuttig zijn bij het maken van siergewassen voor exportdoeleinden. Reeds de eerste genetisch gemodificeerde tomaat genaamd Flavr-Savr is geproduceerd. '

Betere groenten en fruit:

Een ander gebied waar moderne biologische technieken en bio-engineeringprincipes een groot potentieel hebben, is dat van de voedselproductie - de grootste industrie ter wereld. Het recombinante DNA is gebruikt om de smaak en textuur van fruit en groenten te verbeteren. Genetische transformatie helpt ook om vorstschade in voedselproducten te voorkomen. Het gen van bot is gebruikt om planten te beschermen tegen schade door bevriezing.

Voedsel voor de gezondheid:

Maar misschien ligt de grootste prestatie van deze technologie op het gebied van voeding. "Kind is de vader van de man", zoals William Wordsworth beweert. Dus, we moeten onze toekomst behouden door voedingsrijk voedsel te produceren voor onze toekomstige generatie.

Op dit moment hebben bijna 800 miljoen mensen of ongeveer achttien procent van de totale wereldbevolking onvoldoende voedsel om aan hun voedingsbehoeften te voldoen. De situatie is vrij alarmerend in de derde wereld, waar bijna twaalf miljoen kinderen jonger dan vijf jaar elk jaar sterven aan ondervoeding.

Dit probleem kan met succes worden aangepakt door de toepassing van biotechnologie, die de groei van gezonder en voedzamer voedsel mogelijk maakt, zelfs onder ongunstige omstandigheden. Deze technieken zorgen voor een duurzame verhoging van de opbrengst per hectare voor stapelgewassen zoals com, rijst, tarwe en aardappelen, en verhogen ook de voedingswaarde van voedselgewassen.

De 'Gouden Rijst' is bijvoorbeeld een gemanipuleerde rijstvariëteit die rijk is aan vitamine A, precursor P-caroteen en ijzer. Deze goedkope oplossing zal de grote incidentie van kinderblindheid en maternale bloedarmoede tegengaan bij miljoenen mensen van wie het hoofdvoedsel rijst is.

Tegenvallers bestrijden:

Biotechnologie heeft ook zijn waarde bewezen bij het bestrijden van natuurlijke tegenspoed zoals droogte. De moderne wetenschap heeft ons geholpen droogte-tolerante planten te ontwikkelen. Recent werk van Michael Thomashow's groep en Kazuo Shinozaki hebben de fijne kneepjes onderzocht die betrokken zijn bij stressbestendigheidsmechanismen, waarbij genen van het hoofdschakelaartype betrokken zijn. Deze rapporten laten zien dat een batterij eiwitten de vorst- en droogtetolerantie kan reguleren. Dit concept is Regio Engineering genoemd.

Een betere pil om te slikken:

In de negentiende eeuw bestond de geneeskunde voornamelijk uit op morfine gebaseerde medicijnen en ruwe remedies. De daaropvolgende evolutie van antibiotica en vaccins maakte de uitroeiing van hele klassen van ziekten mogelijk. De volgende medische revolutie zal door genetische manipulatie komen, die zal helpen kanker te overwinnen, nieuwe bloedvaten in tumoren te laten groeien, nieuwe organen uit stamcellen te creëren en zelfs de oorspronkelijke genetische codering die veroudering van cellen veroorzaakt, te resetten.

In feite heeft de biotechnologie al tientallen therapeutica opgeleverd, zoals humane insuline, groeifactoren voor beenmergtransplantaties, producten voor de behandeling van hartinfarcten en diagnostische kits voor infectieuze agentia zoals AIDS en hepatitis.

De eerste levensreddende drug, Humulin, werd ook geproduceerd met behulp van recombinant-DNA-technologie. Deze biofarmaceutische producten worden niet alleen geproduceerd in een vorm die identiek is aan die welke normaal aanwezig is in het menselijk lichaam, maar hebben ook een verbeterde activiteit, stabiliteit en biologische beschikbaarheid. Dergelijke producten zijn ook vrij van contaminatie.

Onderzoek op deze lijnen zal plaats maken voor de ontwikkeling van interne organen voor transplantatie van de mens. De doorbraak in de ontwikkeling van stamcellen bevat oplossingen om kanker onder controle te houden, het ruggenmerg en hersenweefsel te regenereren en vele andere ziekten die verband houden met veroudering te beteugelen.

Biotechnologie is ook een onmisbaar instrument geworden voor het testen van biologisch materiaal, dat wordt gebruikt als bewijsmateriaal in juridische en strafrechtelijke procedures in verband met zaken als vaderschapsgeschillen, seksuele intimidatie en moord. Een ander opmerkelijk succes was op het gebied van nucleaire overdrachtstechnologie, die al zijn moed heeft bewezen bij het klonen van Dolly de schapen en Polly het lam.

Biotechnologie kan ook van pas komen om de prestaties van vaccins te verbeteren. 'Gentherapie', het nieuwste staaltje van biotechnologie, heeft een heel nieuw behandelingsparadigma geopend. De 'pre-implantatie genetische diagnose (PGD)', die de 'Assisted Reproductive Technology (ART) gebruikt, heeft het verder mogelijk gemaakt om de navelstrengstamcellen van een nog ongeboren (alleen foetus) te gebruiken om genetische stoornissen te genezen.

Health through Greens:

De samenvoeging van medische en landbouwbiotechnologie heeft nieuwe perspectieven geopend voor de ontwikkeling van plantenrassen met gezondheidsinducerende eigenschappen. Moderne technieken hebben ontrafeld hoe natuurlijke plantaardige stoffen (fytochemicaliën) bescherming bieden tegen kanker en andere ziekten.

Deze kennis wordt nu gebruikt om het niveau van dergelijke stoffen in de voedselvoorziening te verbeteren. Lopend onderzoek zal de aflevering van medicijnen en vaccins door gewone voedingsmiddelen snel vervolmaken. Deze 'Neutracutical' voedingsmiddelen zouden kunnen worden gebruikt om individuen te immuniseren tegen een breed scala aan enterische en andere infectieziekten.

Marine Magic:

Biotechnologie heeft belangrijke bijdragen geleverd op het gebied van mariene aquacultuur. Het enorme potentieel aan mariene rijkdommen ligt nog steeds onbenut en kan actief worden ingezet ten behoeve van de mensheid. Aangezien overexploitatie van natuurlijke hulpbronnen zijn tol eist op deze natuurlijke reserves, zal de ontwikkeling van transgene vis in de nabije toekomst een sleutelrol spelen in de aquacultuursector.

De revolutie wordt groter:

Toenemende wegen in de biotechnologie:

Sinds de ontdekking van het DNA heeft het veld van de biologie een reeks revolutionaire veranderingen ondergaan. De recente ontwikkeling van methoden met een hoge capaciteit om de structuur en functie van genen te analyseren, heeft geboorte gegeven aan wat we nu kennen als genomica. In plaats van een enkele of enkele genen tegelijkertijd te analyseren, is het nu mogelijk om de volledige nucleotidensequentie van alle genen in een organisme te bepalen.

Wetenschappers kijken al uit naar de dag waarop ze het hele menselijke genoom, alle genen (ongeveer ongeveer 35-40 duizend) zullen ontcijferen, gecodeerd door de drie miljard basen (chemische paren) in ons DNA. Het ontcijferen van het menselijk genoom heeft nieuwe perspectieven geopend om de functionele machinerie van deze genen in een menselijk lichaam te begrijpen.

Net zoals het menselijk genoom heeft ook het plantengenoom grote implicaties om ons te helpen de functie van plantengenen in hun cellulaire, organismale en evolutionaire context te begrijpen, en om een ​​informatiestructuur van plantenbiologie te creëren. In het plantenleven is het genoom van Arabidopsis al in kaart gebracht. Deze prestatie zou de sluizen kunnen openen voor een nieuwe groene revolutie van de zogenaamde 'Supergewassen'.

Een totaal van 25.498 genen die 11.000 eiwitten tot expressie brengen, zijn gerapporteerd. Deze genmapping biedt inzicht in alle vee-ondersteunende planten zoals soja, tarwe, maïs en fruit. Dergelijke genomische ontdekkingen hebben inderdaad de weg geëffend voor het leren van de functies van alle plantgenen en het ontrafelen van de processen die fundamenteel zijn voor de mechanismen van het plantenleven.

En naarmate het project van het menselijk genoom dichterbij komt, is de vertaling van informatie van DNA naar eiwit snel aan het inhalen. Dit kan een bijna revolutionaire verandering van de menselijke geneeskunde en de gezondheidszorg tot gevolg hebben. Maar een van de belangrijkste uitdagingen ligt in het begrijpen van Proteomics, de wetenschap van het cellulaire eiwituniversum.

Net als in het geval van genomica helpt proteomics de eiwitten in een groep catalogiseren en karakteriseren, en op een geautomatiseerde grootschalige manier. Proteomics omvatten transcriptionele profilering om te bepalen welke genen coderen voor eiwitten in een bepaald celtype, ontwikkelingsstadium of ziektetoestand, hoge doorvoer-expressie, eiwitvouwing en eiwit-eiwitinteractiestudies. Het helpt ook bij het begrijpen van transductie en andere complexe celprocessen, grootschalige eiwitvouwing en driedimensionale structuren.

Dit proces kan zelfs een algemeen beeld onthullen van hoe de genen in alle organismen (totaal genoom) functioneren, inclusief de expressieprofielen op het mRNA (transcriptoom) en eiwit (proteoom) niveaus. Op basis van deze studies kunnen kaarten worden gemaakt die uiteindelijk kunnen helpen zowel de defecten als de positieve aspecten van het betreffende gen of eiwit te identificeren.

Biotechnologie speelt ook een grote rol bij het behoud van onze omgeving. De reikwijdte van Environmental Biotechnology varieert van het zoeken naar microben die zure regen zullen verminderen door zwavel uit energiecentrales te verwijderen, tot de biologische productie van biologisch afbreekbare kunststoffen.

Terwijl de wereld het dilemma van de bescherming van het milieu vecht en tegelijkertijd de economische ontwikkeling bevordert, speelt biotechnologie op milieugebied een sleutelrol bij het vinden van een gezond evenwicht tussen concurrerende belangen.

Het andere gebied van afrekening is het behoud en het duurzame gebruik van biodiversiteit. Vooruitgang in de biotechnologie biedt krachtige hulpmiddelen voor het behoud, de evaluatie en het gebruik van genetische structuren van verschillende soorten. Toepassingen van moderne biotechnologie voor bioremediatie van vervuild land en water hebben al geholpen bij het omzetten van gevaarlijke afvalstoffen in niet-gevaarlijke afvalstoffen.

Bovendien heeft biotechnologie een belangrijke rol gespeeld bij het herstel van aangetaste ecosystemen. Sommige van de methoden op basis van plantenbiotechnologie omvatten herbebossing door micro-propagatie en het gebruik van mycorrhiza. Het behoud van een brede genetische basis, een belangrijk element van biodiversiteit, is ook essentieel voor de toekomst van de biotechnologie en het duurzame gebruik van biologische hulpbronnen.

Biotechnologie heeft ook een enorme invloed op het vergroten van onze bio-energiebronnen door de aanvaardbaarheid van biomassa, biogas en brandstofalcohol te vergroten als commercieel haalbare energieopties voor de toekomst. Computers hebben een nieuwe dimensie toegevoegd aan biologisch onderzoek en op hun beurt zal biologisch materiaal in de vorm van bio-chips een enorme impact hebben op automatisering.

Deze bio-chips zouden binnenkort conventionele siliciumchips vervangen die tegenwoordig in computers worden gebruikt. Het voorgestelde gamma van biomoleculaire computers belooft tien- tot duizendmaal kleiner te zijn dan de beste supercomputers die momenteel beschikbaar zijn, met veel snellere schakeltijden en een extreem lage energiedissipatie.

Dus, met al deze opwinding in het veld, en elke minuut nieuwe wegen worden toegevoegd, heb je zeker een verstandige beslissing genomen als je denkt dat biotechnologie het veld voor je is. Lees verder om erachter te komen wat er mogelijk in petto is en hoe u dit kunt bereiken.