Biotechnologie

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 26. září 2021; kontroly vyžadují 14 úprav .

Biotechnologie (z řec. βίος - "život", τέχνη - "umění, dovednost, schopnost", λόγος - "slovo, význam, myšlenka, koncept") je disciplína, která studuje možnosti využití živých organismů , jejich systémů nebo produktů. jejich životně důležitá činnost k řešení technologických úkolů, jakož i možnost vytvářet živé organismy s potřebnými vlastnostmi pomocí genetického inženýrství .

Biotechnologie je často označována jako využití genetického inženýrství ve 20. a 21. století , ale tento termín také označuje širší škálu procesů modifikace biologických organismů tak, aby vyhovovaly lidským potřebám, počínaje modifikací rostlin a zvířat umělým výběrem a hybridizace . Tradiční biotechnologická výroba dokázala pomocí moderních metod zlepšit kvalitu potravinářských výrobků a zvýšit produktivitu živých organismů.

Do roku 1971 se termín „biotechnologie“ používal především v potravinářském průmyslu a zemědělství. Od 70. let 20. století vědci tento termín používají k označení laboratorních metod, jako je použití rekombinantní DNA a in vitro buněčné kultury .

Biotechnologie vychází z genetiky , molekulární biologie , biochemie , embryologie a buněčné biologie a dále z aplikovaných disciplín chemické a informační technologie a robotiky.

Historie biotechnologie

Termín „biotechnologie“ poprvé použil maďarský inženýr Karl Ereki v roce 1917 .

Využití mikroorganismů nebo jejich enzymů v průmyslové výrobě , které zajišťují technologický postup, je známé již od starověku, nicméně systematický vědecký výzkum umožnil výrazně rozšířit arzenál metod a prostředků biotechnologie.

V roce 1814 tedy petrohradský akademik K. S. Kirchhoff ( biografie Archivní kopie ze 17. října 2019 na Wayback Machine ) objevil fenomén biologické katalýzy a pokusil se biokatalyticky získat cukr z dostupných domácích surovin (do poloviny 19 . století se cukr získával pouze z cukrové třtiny ) . V roce 1891 v USA japonský biochemik Dz. Takamine získal první patent na použití enzymových přípravků pro průmyslové účely: vědec navrhl použití diastázy pro zcukernění rostlinného odpadu.

Na počátku 20. století se aktivně rozvíjel fermentační a mikrobiologický průmysl . Ve stejných letech byly učiněny první pokusy o zavedení výroby antibiotik, potravinářských koncentrátů získaných z kvasnic, pro kontrolu fermentace produktů rostlinného a živočišného původu.

První antibiotikum – penicilin  – bylo izolováno a purifikováno na přijatelnou úroveň v roce 1940 , což přineslo nové výzvy: hledání a zavedení průmyslové výroby léčivých látek produkovaných mikroorganismy, práce na snížení nákladů a zvýšení úrovně biologické bezpečnosti nových léků. .

Druhy biotechnologií

Bioinženýrství

Bioinženýrství (nebo biomedicínské inženýrství) je disciplína zaměřená na prohlubování znalostí v oblasti inženýrství, biologie a medicíny a zlepšování lidského zdraví prostřednictvím mezioborového vývoje, který kombinuje inženýrské přístupy s výdobytky biomedicínské vědy a klinické praxe. Bioinženýrství/biomedicínské inženýrství je aplikace technických přístupů k řešení lékařských problémů za účelem zlepšení zdravotní péče. Tato inženýrská disciplína si klade za cíl využívat znalosti a zkušenosti k hledání a řešení problémů v biologii a medicíně. Bioinženýři pracují ve prospěch lidstva, zabývají se živými systémy a používají pokročilé technologie k řešení lékařských problémů. Specialisté v biomedicínském inženýrství se mohou podílet na tvorbě přístrojů a zařízení, na vývoji nových postupů založených na mezioborových znalostech, na výzkumu zaměřeném na získávání nových informací k řešení nových problémů. Mezi významné úspěchy bioinženýrství lze zmínit vývoj umělých kloubů, magnetickou rezonanci , kardiostimulátory , artroskopii , angioplastiku, bioinženýrské kožní protézy, renální dialýzu, přístroje srdce-plíce. Jednou z hlavních oblastí bioinženýrského výzkumu je také použití metod počítačového modelování k vytvoření proteinů s novými vlastnostmi, stejně jako modelování interakce různých sloučenin s buněčnými receptory za účelem vývoje nových léčiv ("návrh léčiv").

Biomedicína

Obor medicíny , který studuje lidské tělo z teoretického hlediska , jeho stavbu a funkci za normálních a patologických stavů , patologické stavy, způsoby jejich diagnostiky , korekce a léčby [1] . Biomedicína zahrnuje nashromážděné poznatky a výzkum, víceméně všeobecné lékařství , veterinární lékařství , stomatologie a základní biologické vědy, jako je chemie , biologická chemie , biologie , histologie , genetika , embryologie , anatomie , fyziologie , patologie , biomedicínské inženýrství [2] , zoologie , botanika a mikrobiologie [3] [4] . [5]

Nanomedicína

Sledování, fixace, navrhování a řízení lidských biologických systémů na molekulární úrovni pomocí nanozařízení a nanostruktur [6] . Ve světě již vznikla řada technologií pro nanomedicínský průmysl. Patří mezi ně cílené dodávání léků do nemocných buněk [7] , laboratoře na čipu a nové baktericidní látky.

Biofarmakologie

Obor farmakologie , který studuje fyziologické účinky látek biologického a biotechnologického původu. Biofarmakologie je ve skutečnosti plodem konvergence dvou tradičních věd – biotechnologie, konkrétně té její větve, která se nazývá „červená“, lékařské biotechnologie a farmakologie , které se dříve zajímaly pouze o chemikálie s nízkou molekulovou hmotností, v důsledku vzájemný zájem.

Předměty biofarmakologického výzkumu jsou studium biofarmaceutik , plánování jejich výroby, organizace výroby. Biofarmakologické terapeutické prostředky a prostředky pro prevenci nemocí se získávají pomocí živých biologických systémů, tkání organismů a jejich derivátů pomocí biotechnologických prostředků, tedy léčivých látek biologického a biotechnologického původu.

Bioinformatika

Soubor metod a přístupů [8] , včetně:

  1. matematické metody počítačové analýzy v komparativní genomice (genomická bioinformatika);
  2. vývoj algoritmů a programů pro predikci prostorové struktury proteinů ( strukturní bioinformatika );
  3. studium strategií, vhodných výpočetních metodologií a obecné řízení informační komplexnosti biologických systémů [9] .

Bioinformatika využívá metody z aplikované matematiky , statistiky a informatiky . Bioinformatika se využívá v biochemii , biofyzice , ekologii a dalších oborech.

Zarovnání sekvence

Bioinformatická metoda založená na umístění dvou nebo více sekvencí DNA , RNA nebo proteinových monomerů pod sebe takovým způsobem, že podobné oblasti v těchto sekvencích jsou snadno viditelné. Podobnost primárních struktur dvou molekul může odrážet jejich funkční, strukturální nebo evoluční vztahy [10] . Algoritmy sekvenčního zarovnání se také používají v NLP .

Bionika

Aplikovaná věda o aplikaci principů organizace, vlastností, funkcí a struktur živé přírody v technických zařízeních a systémech, tedy forem živých věcí v přírodě a jejich průmyslových protějšků. Jednoduše řečeno, bionika je spojením biologie a technologie. Bionika uvažuje o biologii a technologii ze zcela nového úhlu a vysvětluje, jaké společné rysy a jaké rozdíly existují v přírodě a technologii.

Rozlišovat:

  • biologická bionika, která studuje procesy probíhající v biologických systémech;
  • teoretická bionika, která buduje matematické modely těchto procesů;
  • technická bionika, která využívá modely teoretické bioniky k řešení inženýrských problémů.

Bionika úzce souvisí s biologií , fyzikou , chemií , kybernetikou a inženýrskými vědami: elektronika , navigace , komunikace , námořní vědy a další.

Bioremediace

Komplex metod čištění vody, půdy a atmosféry s využitím metabolického potenciálu biologických objektů - rostlin , hub , hmyzu , červů a dalších organismů .

Umělý výběr

Selektivní přístup k reprodukci zvířat, rostlin nebo jiných organismů s cílem šlechtění nových odrůd a plemen. Předchůdce a hlavní metoda moderního šlechtění . Výsledkem umělé selekce je rozmanitost odrůd rostlin a plemen zvířat.

Klonování

Vzhled přirozeným způsobem nebo získání několika geneticky identických organismů prostřednictvím nepohlavního (včetně vegetativního ) rozmnožování. Termín "klonování" ve stejném smyslu se často používá ve vztahu k buňkám mnohobuněčných organismů. Klonování se také nazývá získání několika identických kopií dědičných molekul (molekulární klonování). Konečně, klonování je také často označováno jako biotechnologické metody používané k umělému získávání klonů organismů, buněk nebo molekul. Skupina geneticky identických organismů nebo buněk je klon.

Klonování lidí

Prediktivní metodologie, která spočívá ve vytvoření embrya a poté z embrya vyrůstají lidé, kteří mají genotyp konkrétního jedince, aktuálně existujícího nebo dříve existujícího. Doposud nebyla vyvinuta technologie lidského klonování. V současné době nebyl spolehlivě zaznamenán ani jeden případ klonování člověka. A zde vyvstává řada jak teoretických, tak technických otázek. Dnes však existují metody, které nám umožňují s vysokou mírou jistoty říci, že hlavní problém technologie byl vyřešen. Strach vyvolávají takové momenty, jako je vysoké procento neúspěchů při klonování a s tím spojená možnost vzhledu méněcenných lidí. Stejně jako otázky otcovství, mateřství, dědictví, manželství a mnoho dalších. Z pohledu hlavních světových náboženství ( křesťanství , islám , judaismus ) je klonování lidí buď problematický čin, nebo čin, který přesahuje dogma a vyžaduje od teologů jasné zdůvodnění toho či onoho postoje náboženských hierarchů . V některých státech je používání těchto technologií ve vztahu k lidem oficiálně zakázáno - Francie , Německo , Japonsko . Tyto zákazy však neznamenají záměr zákonodárců těchto států upustit v budoucnu od používání lidského klonování, po podrobném prostudování molekulárních mechanismů interakce mezi cytoplazmou oocytu - příjemce a jádrem somatického dárce buněk , stejně jako zlepšení samotné techniky klonování .

Vzdělávací biotechnologie

Vzdělávací biotechnologie se používá k šíření biotechnologií a školení personálu v této oblasti. Vyvíjí interdisciplinární materiály a vzdělávací strategie související s biotechnologiemi (např. produkce rekombinantních proteinů) přístupné celé společnosti, včetně lidí se speciálními potřebami, jako jsou sluchové a/nebo zrakové postižení. [jedenáct]

Hybridizace

Proces tvorby nebo produkce hybridů , který je založen na kombinaci genetického materiálu různých buněk v jedné buňce. Může být prováděna v rámci stejného druhu (vnitrodruhová hybridizace) a mezi různými systematickými skupinami (vzdálená hybridizace, ve které jsou kombinovány různé genomy ). První generace hybridů je často charakterizována heterózou , která se projevuje lepší adaptabilitou, větší plodností a životaschopností organismů. Při vzdálené hybridizaci jsou hybridy často sterilní .

Genetické inženýrství

Navzdory skutečnosti, že první úspěšné experimenty s transformací buněk exogenní DNA provedli již ve 40. letech 20. století Avery , McLeod a McCarthy , první komerční přípravek lidského rekombinantního inzulínu byl získán na počátku 80. let nebo v roce 1982 [12] [13 ] . Zavádění cizích genů do genomu bakteriálních buněk se provádí pomocí tzv. vektorové DNA , jako jsou plazmidy přítomné v bakteriálních buňkách, stejně jako bakteriofágy a další mobilní genetické elementy mohou být použity jako vektory pro přenos exogenní DNA do recipientní buňky.

Můžete získat nový gen:

  1. Vyříznutí z genomové DNA hostitele pomocí restrikční endonukleázy, která katalyzuje štěpení fosfodiesterových vazeb mezi určitými dusíkatými bázemi v DNA v oblastech s určitou nukleotidovou sekvencí ;
  2. chemicko-enzymatická syntéza;
  3. Syntéza cDNA na bázi messengerové RNA izolované z buňky pomocí enzymů reverzní a DNA polymerázy , přičemž se izoluje gen, který neobsahuje nevýznamné sekvence a je schopen exprese za předpokladu, že je v prokaryotických systémech bez následných modifikací vybrána vhodná promotorová sekvence, který je nejčastěji nezbytný pro transformaci prokaryotických eukaryotických genových systémů obsahujících introny a exony .

Poté je vektorová molekula DNA ošetřena restrikčním enzymem, aby se vytvořil dvouřetězcový zlom, a gen je „vložen“ do vektoru do výsledné „mezery“ pomocí enzymu DNA ligázy a pak jsou recipientní buňky transformované takovými rekombinantními molekulami, například buňkami E. coli . Při transformaci za použití například plasmidové DNA jako vektoru je nutné, aby buňky byly kompetentní pro penetraci exogenní DNA do buňky, k čemuž se používá například elektroporace buněk příjemce. Po úspěšném vstupu do buňky se exogenní DNA začne replikovat a exprimovat v buňce.

Transgenní rostliny

Transgenní rostliny  jsou ty rostliny, kterým byly „transplantovány“ geny jiných organismů.

Brambor odolný vůči mandelince bramborové vznikl zavedením genu izolovaného z půdního genomu durynského bacilu Bacillus thuringiensis , který produkuje protein Cry , což je protoxin, ve střevech hmyzu se tento protein rozpouští a aktivuje se na toxinu, který má škodlivý účinek na larvy a dospělé Postřik sporami Bacillus thuringiensis byl použit k ochraně rostlin před získáním první transgenní rostliny, ale s nízkou účinností produkce endotoxinu v rostlinných pletivech výrazně zvýšila účinnost ochrany a také zvýšila ekonomickou účinnost vzhledem k tomu, že rostlina sám začal produkovat ochranný protein. Transformací rostliny bramboru Agrobacterium tumefaciens byly získány rostliny, které syntetizují tento protein v listovém mezofylu a dalších rostlinných tkáních, a tudíž nejsou ovlivněny mandelinkou bramborovou. Tento přístup se také používá k vytvoření dalších zemědělských rostlin odolných vůči různým druhům hmyzu.

Transgenní zvířata

Nejčastěji používanými transgenními zvířaty jsou prasata . Existují například prasata s lidskými geny – byla vyšlechtěna jako dárci lidských orgánů.

Japonští genetickí inženýři zavedli do genomu prasat špenátový gen , který produkuje enzym FAD2, který dokáže přeměnit nasycené mastné kyseliny na linolovou  , nenasycenou mastnou kyselinu. Modifikovaná prasata mají o 1/5 více nenasycených mastných kyselin než normální prasata. [čtrnáct]

Zeleně zářící prasata jsou transgenní prasata vyšlechtěná skupinou výzkumníků z Národní tchajwanské univerzity zavedením genu zeleného fluorescenčního proteinu , vypůjčeného z fluorescenční medúzy Aequorea victoria , do embryonální DNA . Embryo bylo poté implantováno do dělohy samice prasete. Selata ve tmě zeleně září a na denním světle mají kůži a oči nazelenalý odstín. Hlavním účelem chovu takových prasat je podle vědců možnost vizuálního pozorování vývoje tkáně při transplantaci kmenových buněk.

Morální aspekt

Mnoho moderních náboženských osobností a někteří vědci varují vědeckou komunitu před přílišným nadšením pro takové biotechnologie (zejména biomedicínské technologie), jako je genetické inženýrství , klonování a různé metody umělé reprodukce (jako je IVF ).

Osoba tváří v tvář nejnovějším biomedicínským technologiím , článek V. N. Filyanové , vedoucí výzkumné pracovnice v RISS :

Problém biotechnologií je jen částí problému vědeckých technologií, který má kořeny v orientaci evropského člověka na proměnu světa, dobývání přírody, která začala v éře moderní doby. Biotechnologie, které se v posledních desetiletích rychle rozvíjejí, na první pohled člověka přibližují k uskutečnění dávného snu o překonání nemocí, odstranění fyzických problémů a dosažení pozemské nesmrtelnosti prostřednictvím lidské zkušenosti. Ale na druhou stranu dávají vzniknout zcela novým a nečekaným problémům, které se neomezují jen na důsledky dlouhodobého používání geneticky modifikovaných produktů, zhoršování lidského genofondu v důsledku zrodu masy lidí nar. jen díky zásahu lékařů a nejnovějších technologií. V budoucnu vyvstává problém transformace společenských struktur, je vzkříšen duch „lékařského fašismu“ a eugeniky, odsouzený v Norimberském procesu .

Viz také

Poznámka

  1. ↑ Definice medicíny . Získáno 30. května 2013. Archivováno z originálu dne 8. července 2009.
  2. ↑ Bronzino, Joseph D. (duben 2006). Příručka biomedicínského inženýrství, třetí vydání. C.R.C. Press. ISBN 978-0-8493-2124-5 . http://crcpress.com/product/isbn/9780849321245 Archivováno 24. února 2015 na Wayback Machine
  3. ↑ „Bacteriology at The Free Online Dictionary“. http://www.thefreedictionary.com/bacteriologist Archivováno 6. června 2011 na Wayback Machine . Získáno 2007-03-11.
  4. ↑ Virologie v bezplatném online slovníku. http://www.thefreedictionary.com/virology Archivováno 6. června 2011 na Wayback Machine . Získáno 2007-03-11.
  5. ↑ Oxfordský slovník biochemie a molekulární biologie. Oxford: Oxford Scienxe Publications, 1997. ISBN 0-19-854768-4 .740 s.
  6. ↑ Nanomedicína, Volume I: Basic Capabilities Archived 14 August 2015 at Wayback Machine , Robert A. Freitas Jr. 1999, ISBN 1-57059-645-X
  7. ↑ LaVan DA, McGuire T., Langer R. Malé systémy pro dodávání léků in vivo  // Nature Biotechnology  : journal  . - Nature Publishing Group , 2003. - Sv. 21 , č. 10 . - S. 1184-1191 . - doi : 10.1038/nbt876 .
  8. ↑ E. Kunin Polévka z hřebíku. Přední evolucionista hovořil o Multivesmíru a antropickém principu. // Lenta.ru, 1. prosince 2012 . Datum přístupu: 30. května 2013. Archivováno z originálu 9. srpna 2014.
  9. ↑ Ivan Y. Torshin Bioinformatika v postgenomické éře: Role biofyziky Archivováno 27. prosince 2006 na Wayback Machine , Novapublishers, 2006, ISBN 1-60021-048-1
  10. ↑ Připojte DM. Bioinformatika: sekvenční a genomová  analýza . — 2. - Cold Spring Harbor Laboratory Press: Cold Spring Harbor, NY., 2004. - ISBN 0-87969-608-7 .
  11. ↑ Los Colores de la Biotecnologia . Biotechnology S.i. Získáno 29. října 2016. Archivováno z originálu 29. října 2016.
  12. ↑ Filatov O. Yu., Malyshev I. Yu Buněčné biotechnologie v endokrinologii (učebnice pro studenty lékařské fakulty a studenty postgraduální pedagogiky). - M., 2010.
  13. ↑ Tof, Ilanit (1994). "Technologie rekombinantní DNA v syntéze lidského inzulínu" Archivováno 30. listopadu 2007 na Wayback Machine . Nakladatelství Little Tree.
  14. ↑ Genové vaření: Mutanti jsou nejchutnější! Archivováno 31. října 2013 na Wayback Machine  (přístup 19. prosince 2011)

Literatura

  • Glick B., Pasternak J. Molecular biotechnology. Principy a aplikace. — M .: Mir, 2002.
  • Egorova T. A., Klunova S. M., Zhivu hin E. A. Základy biotechnologie. - M. , 2003.
  • Patrushev L.I. Exprese genů. - M .: Nauka, 2000. - ISBN 5-02-001890-2 .
  • Shevelukha, V. S., Kalashnikova, E. A., Degtyarev, S. V. et al. Zemědělská biotechnologie. - M. , 1998. - 416 s. — ISBN 5-06-003535-2 .
  • Manuál průmyslové mikrobiologie a biotechnologie. 2. vyd. — Wash., 1999.
  • Sasson A. Biotechnologie: Úspěchy a naděje. - M . : Mir, 1987. - 60 000 výtisků.

Doporučená četba

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
 Bioinženýrství
Oblasti bioinženýrství
Související články
Vědci
Popularizátory