Biotechnologie je obor, který studuje možnosti využití živých organismů a jejich systémů k řešení technologických problémů, jakož i možnost vytváření živých organismů s potřebnými vlastnostmi pomocí genetického inženýrství.
Termín “biotechnologie” zahrnuje širokou škálu postupů pro úpravu živých organismů tak, aby vyhovovaly lidským účelům.
Po tisíce let lidé využívali biotechnologie v zemědělství, výrobě potravin a medicíně. Tento termín poprvé použil maďarský inženýr Karl Ereky v roce 1917.
Historie biotechnologie
Díky rané biotechnologii první farmáři vybírali a šlechtili plodiny, které měly nejvyšší výnosy, aby produkovaly dostatek potravin pro podporu rostoucí populace. Jak se plodiny a pole zvětšovaly a bylo obtížnější je udržovat, bylo zjištěno, že určité organismy a jejich produkty mohou účinně hnojit, obnovovat dusík a hubit škůdce. Během zemědělské historie farmáři neúmyslně měnili genetiku svých plodin tím, že je uvedli do nového prostředí a šlechtili je s jinými rostlinami – některé z nejranějších forem biotechnologie.
Po tisíce let lidé používali selektivní šlechtění ke zlepšení produkce plodin a dobytka pro použití v potravinách. Při šlechtění dochází k páření organismů s žádoucími vlastnostmi, aby produkovaly potomky se stejnými vlastnostmi. Tato metoda byla například použita u kukuřice k produkci největších a nejsladších obilných plodin.
Na počátku dvacátého století vědci získali větší porozumění mikrobiologii a studovali způsoby výroby specifických produktů. V roce 1917 Chaim Weizmann jako první použil čistou mikrobiologickou kulturu v průmyslovém procesu, konkrétně k výrobě kukuřičného škrobu.
Biotechnologie také vedla k vývoji antibiotik.
V roce 1928 objevil Alexander Fleming plíseň Penicillium.
Druhy biotechnologií
- Bioinženýrství
- Biomedicína
- Nanomedicína
- Biofarmakologie
- Bioinformatika
- Bionika
- Genetické inženýrství
přihláška
Biotechnologie má uplatnění ve čtyřech hlavních průmyslových oblastech, včetně lékařství, zemědělství, chemie a venkovského průmyslu.
Věda se také využívá k recyklaci, zpracování odpadu, k čištění míst kontaminovaných průmyslovou činností (bioremediace) a k výrobě biologických zbraní.
Медицина
V medicíně má moderní biotechnologie uplatnění při objevování a výrobě léků, farmakogenomice a genetickém testování (nebo genetickém screeningu).
Farmakogenomika (kombinace farmakologie a genomiky) je technologie, která analyzuje, jak genetická výbava ovlivňuje reakci jedince na léky.
Biotechnologie přispěla k objevu a výrobě tradičních léků s malou molekulou, stejně jako léků, které jsou produkty biotechnologie – biologických látek.
Zemědělství
Geneticky modifikované plodiny („biotechnologické plodiny“) jsou rostliny používané v zemědělství, ve kterých byla DNA modifikována technikami genetického inženýrství.
Příklady takových potravinářských plodin zahrnují odolnost vůči určitým škůdcům, chorobám, stresujícím podmínkám prostředí a odolnost vůči chemickému ošetření.
Chemický průmysl
V roce 1917 Chaim Weizmann ve Velké Británii použil bakterie Clostridium acetobutylicum k výrobě acetonu, strategicky důležitého produktu během první světové války.
Potravinářský průmysl
Různé kultury mléčného kvašení produkují potraviny, jako je jogurt a kysané zelí. Dalšími tradičními technologiemi založenými na biologických procesech je výroba chleba a sýrů.
BIOTECHNOLOGIE JAKO VĚDA. KONCEPCE TRADIČNÍ A NEJNOVĚJŠÍ BIOTECHNOLOGIE. VÝHLEDY ROZVOJE.
Úvod Příležitosti, které biotechnologie pro lidstvo otevírá, jak v oblasti fundamentální vědy, tak v mnoha dalších oblastech, jsou velmi velké a často dokonce revoluční. Umožňuje tedy průmyslovou velkovýrobu potřebných bílkovin, výrazně usnadňuje technologické procesy získávání fermentačních produktů – enzymů a aminokyselin a v budoucnu může sloužit ke zlepšení rostlin a zvířat i k léčbě dědičných lidských chorob.
Genetické inženýrství a biotechnologie, které jsou jedním z hlavních směrů vědeckého a technologického pokroku, aktivně přispívají k urychlení řešení mnoha problémů, jako je potravinářství, zemědělství, energetika a otázky životního prostředí. Biotechnologie však otevírá zvláště velké příležitosti pro medicínu a léčiva, protože její použití může vést k radikálním transformacím v medicíně. Mnoho nemocí, pro něž v současné době neexistují adekvátní diagnostické a léčebné metody (rakovina, kardiovaskulární, virové a parazitární infekce, nervové a duševní poruchy), s pomocí genetického inženýrství a biotechnologií, se stane dostupnými pro diagnostiku i léčbu. Pod vlivem biotechnologie se medicína může stát disciplínou s jasným pochopením molekulárních a genetických procesů probíhajících v těle.
Pojem a podstata biotechnologie Biotechnologie je průmyslové využití biologických činidel nebo jejich systémů k získání cenných produktů a provádění cílených přeměn. Biologickými činiteli jsou v tomto případě mikroorganismy, rostlinné nebo živočišné buňky, buněčné složky (buněčné membrány, ribozomy, mitochondrie, chloroplasty), dále biologické makromolekuly (DNA, RNA, proteiny – nejčastěji enzymy). Biotechnologie také používá virovou DNA nebo RNA k přenosu cizích genů do buněk.
Člověk využívá biotechnologie po mnoho tisíc let: lidé pekli chleba, vařili pivo, vyráběli sýry pomocí různých mikroorganismů, aniž by o jejich existenci vůbec věděli. Vlastně se tento termín sám objevil v našem jazyce nedávno, místo něj se používala slova „průmyslová mikrobiologie“, „technická biochemie“ atd.
V tradičním, klasickém smyslu je biotechnologie věda o metodách a technologiích výroby různých látek a produktů za použití přírodních biologických objektů a procesů. Termín „nová“ biotechnologie, na rozdíl od „staré“ biotechnologie, se používá k odlišení bioprocesů využívajících techniky genetického inženýrství od tradičnějších forem bioprocesů. Obvyklá výroba alkoholu během fermentačního procesu je tedy „stará“ biotechnologie, ale použití kvasinek v tomto procesu, zdokonalených metodami genetického inženýrství za účelem zvýšení výtěžnosti alkoholu, je „nová“ biotechnologie.
Biotechnologie jako věda je nejdůležitějším úsekem moderní biologie, kterou se stejně jako fyzika stala koncem 80. století. jedna z hlavních priorit světové vědy a ekonomie. Rozmach výzkumu biotechnologií ve světové vědě nastal v 21. letech, ale i přes tak krátkou dobu své existence přitahovala biotechnologie velkou pozornost vědců i široké veřejnosti. Podle prognóz už na začátku XNUMX. století budou biotechnologické produkty tvořit čtvrtinu veškeré světové produkce. Pokud jde o modernější biotechnologické procesy, jsou založeny na metodách rekombinantní DNA, dále na využití imobilizovaných enzymů, buněk nebo buněčných organel.
Moderní biotechnologie je věda o genetickém inženýrství a buněčných metodách vytváření a používání geneticky transformovaných biologických objektů ke zlepšení výroby nebo získání nových typů produktů pro různé účely. Biotechnologie je interdisciplinární obor vědeckotechnického pokroku, který vznikl na průsečíku biologických, chemických a technických věd.
Biotechnologický proces zahrnuje řadu fází: příprava objektu, kultivace, izolace, purifikace, modifikace, použití a zapojení různých specialistů do jeho realizace: genetické produkty. Vícestupňová povaha procesu vyžaduje molekulární biology, biochemiky a bioorganiky, virology, mikrobiology a buněčné fyziology, procesní inženýry, konstruktéry biotechnologických zařízení atd.
Komplexní program vědeckotechnického pokroku členských zemí RVHP definuje jako prioritní úkoly biotechnologie vytvoření a široký ekonomický rozvoj: – nových biologicky aktivních látek a léčiv pro medicínu (interferony, inzulín, lidské růstové hormony, monoklonální protilátky , atd.), umožňující včasnou diagnostiku a léčbu závažných onemocnění kardiovaskulárních, maligních, dědičných, infekčních, včetně virových, ve zdravotnictví; – mikrobiologické přípravky na ochranu rostlin před chorobami a škůdci, bakteriální hnojiva a regulátory růstu rostlin; nové vysoce produktivní a vůči nepříznivým faktorům prostředí odolné odrůdy a hybridy zemědělských rostlin získané metodami genetického a buněčného inženýrství; – cenné krmné přísady a biologicky aktivní látky (krmné bílkoviny, aminokyseliny, enzymy, vitamíny, veterinární léčiva atd.) pro zvýšení užitkovosti hospodářských zvířat; nové bioinženýrské metody pro účinnou prevenci, diagnostiku a terapii závažných onemocnění hospodářských zvířat; – nové technologie pro výrobu ekonomicky cenných produktů pro použití v potravinářském, chemickém, mikrobiologickém a jiném průmyslu; – technologie pro hloubkové a efektivní zpracování zemědělského, průmyslového a domovního odpadu, využití odpadních vod a emisí plynů do ovzduší k výrobě bioplynu a kvalitních hnojiv.
Hlavní směry a metody biotechnologie Běžně lze rozlišit tyto hlavní směry biotechnologie: • biotechnologie potravinářských výrobků; • biotechnologie přípravků pro zemědělství; • biotechnologie léčiv a produktů pro průmyslové a domácí použití; • biotechnologie léčiv; • biotechnologie diagnostických nástrojů a činidel. Biotechnologie také zahrnuje vyluhování a koncentraci kovů, ochranu životního prostředí před znečištěním, degradaci toxických odpadů a zvýšenou těžbu ropy
Genetické a buněčné inženýrství jsou nejdůležitějšími metodami (nástroji), které jsou základem moderní biotechnologie. Metody buněčného inženýrství jsou zaměřeny na konstrukci nových typů buněk. Mohou být použity k opětovnému vytvoření životaschopné buňky z jednotlivých fragmentů různých buněk, ke spojení celých buněk z různých druhů za účelem vytvoření buňky, která nese genetický materiál jak původních buněk, tak další operace. Metody genetického inženýrství jsou zaměřeny na konstrukci nových kombinací genů, které v přírodě neexistují. V důsledku použití metod genetického inženýrství je možné získat rekombinantní (modifikované) molekuly RNA a DNA, pro které jsou jednotlivé geny (kódující požadovaný produkt) izolovány z buněk jakéhokoli organismu. Po určitých manipulacích s těmito geny jsou zaváděny do jiných organismů (bakterií, kvasinek a savců), které po přijetí nového genu (genů) budou schopny syntetizovat konečné produkty s vlastnostmi změněnými požadovaným směrem. osoba. Jinými slovy, genetické inženýrství umožňuje získat specifické (požadované) kvality variabilních nebo geneticky modifikovaných organismů nebo tzv. „transgenních“ rostlin a zvířat.
Genetické inženýrství našlo největší uplatnění v zemědělství a medicíně. Lidé vždy přemýšleli o tom, jak se mohou naučit ovládat přírodu, a hledali způsoby, jak získat například rostliny s vylepšenými vlastnostmi: s vysokými výnosy, většími a chutnějšími plody nebo se zvýšenou odolností proti chladu. Od starověku byla hlavní metodou používanou pro tyto účely selekce. Je široce používán dodnes a je zaměřen na vytváření nových a zlepšování stávajících odrůd kulturních rostlin, plemen domácích zvířat a kmenů mikroorganismů se znaky a vlastnostmi cennými pro člověka.
Selekce je založena na selekci rostlin (živočichů) s výraznými příznivými vlastnostmi a dalším křížení takových organismů, přičemž genetické inženýrství umožňuje přímý zásah do genetického aparátu buňky. Je důležité si uvědomit, že při tradičním šlechtění je velmi obtížné získat hybridy s požadovanou kombinací užitečných vlastností, protože velmi velké fragmenty genomů každého rodiče se přenášejí na potomstvo, zatímco metody genetického inženýrství nejčastěji umožňují pracují s jedním nebo více geny a jejich modifikace neovlivňují fungování jiných genů. Výsledkem je, že bez ztráty dalších užitečných vlastností rostliny je možné přidat jednu nebo více užitečných vlastností, což je velmi cenné pro vytváření nových odrůd a nových forem rostlin. Podařilo se změnit například odolnost rostlin vůči klimatu a stresu nebo jejich citlivost na hmyz nebo choroby běžné v určitých regionech, na sucho atd. Vědci dokonce doufají, že získají druhy stromů, které by byly odolné vůči ohni. Probíhá rozsáhlý výzkum s cílem zlepšit nutriční hodnotu různých plodin, jako je kukuřice, sója, brambory, rajčata, hrách atd.
Historicky existují ve vytváření geneticky modifikovaných rostlin „tři vlny“: První vlna – konec 1980. let – vytváření rostlin s novými vlastnostmi odolnosti vůči virům, parazitům nebo herbicidům. V rostlinách „první vlny“ byl zaveden pouze jeden další gen a byl nucen „pracovat“, to znamená syntetizovat jeden další protein. „Užitečné“ geny byly „vzaty“ buď z rostlinných virů (k vytvoření odolnosti vůči danému viru) nebo z půdních bakterií (k vytvoření odolnosti vůči hmyzu a herbicidům). Druhá vlna – počátek 2000 – vytváření rostlin s novými spotřebitelskými vlastnostmi: olejnatá semena s vyšším obsahem a upraveným složením olejů, ovoce a zelenina s vysokým obsahem vitamínů, výživnější zrna atd. V současné době vědci vytvářejí závody „třetí vlny“, které se objeví na trhu v příštích 10 letech: očkovací závody, bioreaktorové závody na výrobu průmyslových produktů (komponenty pro různé druhy plastů, barviva, technické oleje atd.) , závody – továrny na léky atd.
Práce genetického inženýrství v chovu zvířat má jiný úkol. Naprosto dosažitelným cílem se současnou úrovní technologie je vytvoření transgenních zvířat se specifickým cílovým genem. Například gen pro nějaký cenný živočišný hormon (například růstový hormon) je uměle zaveden do bakterie, která ho začne produkovat ve velkém. Jiný příklad: transgenní kozy mohou v důsledku zavedení odpovídajícího genu produkovat specifický protein, faktor VIII, který zabraňuje krvácení u pacientů trpících hemofilií, nebo enzym trombokinázu, který podporuje resorpci krevních sraženin v krvi cév, což je důležité pro prevenci a léčbu tromboflebitidy u lidí. Transgenní zvířata produkují tyto proteiny mnohem rychleji a samotná metoda je mnohem levnější než ta tradiční.
V současné době se stále více prosazují myšlenky ekologizace a v širším slova smyslu biologizace všech ekonomických a výrobních činností. Ekologizací, jako počáteční fází biologizace, můžeme chápat snižování škodlivých produkčních emisí do životního prostředí, vytváření nízkoodpadových a bezodpadových průmyslových komplexů s uzavřeným cyklem apod. Biologizaci je třeba chápat šířeji, jako radikální transformace produkčních činností na základě biologických zákonitostí biosféry biotického cyklu. Cílem takové transformace by mělo být začlenění všech ekonomických a výrobních činností do biotického cyklu.
Praktické úspěchy a perspektivy biotechnologie Biotechnologie vyprodukovala mnoho produktů pro zdravotnictví, zemědělství, potravinářský a chemický průmysl. Navíc je důležité, že mnoho z nich by nebylo možné získat bez použití biotechnologických metod. Zvláště velké naděje jsou spojeny s pokusy využít mikroorganismy a buněčné kultury ke snížení znečištění životního prostředí a výrobě energie. V molekulární biologii využití biotechnologických metod umožňuje určit strukturu genomu, pochopit mechanismus genové exprese, modelovat buněčné membrány za účelem studia jejich funkcí atd.
Konstrukce potřebných genů pomocí metod genetického a buněčného inženýrství umožňuje řídit dědičnost a životně důležitou aktivitu zvířat, rostlin a mikroorganismů a vytvářet organismy s novými vlastnostmi užitečnými pro člověka, které dosud nebyly v přírodě pozorovány. Mikrobiologický průmysl v současnosti využívá tisíce kmenů různých mikroorganismů. Ve většině případů jsou zlepšeny indukovanou mutagenezí a následnou selekcí. To umožňuje syntézu různých látek ve velkém měřítku. Některé proteiny a sekundární metabolity mohou být produkovány pouze kultivací eukaryotických buněk. Rostlinné buňky mohou sloužit jako zdroj řady sloučenin – atropinu, nikotinu, alkaloidů, saponinů aj.
V biochemii, mikrobiologii a cytologii jsou nepochybně zajímavé metody imobilizace jak enzymů, tak celých buněk mikroorganismů, rostlin a živočichů. Ve veterinární medicíně jsou široce používány biotechnologické metody, jako je kultivace buněk a embryí, in vitro oogeneze a umělé oplodnění. To vše nasvědčuje tomu, že biotechnologie se stanou zdrojem nejen nových potravinářských produktů a léků, ale také energie a nových chemických látek, jakož i organismů s požadovanými vlastnostmi.
Hovoříme-li o perspektivách rozvoje biotechnologie, ústředním problémem biotechnologie zůstává intenzifikace bioprocesů jak zvyšováním potenciálu biologických činitelů a jejich systémů, tak zdokonalováním přístrojového vybavení, využíváním biokatalyzátorů (imobilizovaných enzymů a buněk) v průmysl, analytická chemie a medicína. Průmyslové využití biologických úspěchů je založeno na technice vytváření rekombinantních molekul DNA. Navrhování potřebných genů umožňuje řídit dědičnost a životní aktivitu zvířat, rostlin a mikroorganismů a vytvářet organismy s novými vlastnostmi. Zejména je možné řídit proces fixace atmosférického dusíku a přenášet odpovídající geny z mikrobiálních buněk do genomu rostlinné buňky.
Jako zdroje surovin pro biotechnologie budou stále důležitější obnovitelné zdroje nejedlých rostlinných materiálů a zemědělských odpadů, které slouží jako doplňkový zdroj jak krmných látek, tak druhotného paliva (bioplynu) a organických hnojiv.
Jedním z rychle se rozvíjejících oborů biotechnologie je technologie mikrobiální syntézy látek cenných pro člověka. Podle prognóz bude další rozvoj tohoto odvětví znamenat přerozdělení rolí při utváření potravinové základny lidstva: rostlinné a živočišné zemědělství na jedné straně a mikrobiální syntéza na straně druhé. Neméně důležitým aspektem moderní mikrobiologické techniky je studium účasti mikroorganismů na biosférických procesech a cílená regulace jejich životně důležité aktivity s cílem vyřešit problém ochrany životního prostředí před technogenním, zemědělským a domácím znečištěním. S touto problematikou úzce souvisí studie k identifikaci úlohy mikroorganismů v půdní úrodnosti (tvorba humusu a doplňování biologického dusíku), kontrola škůdců a chorob zemědělských plodin, odstraňování pesticidů a dalších chemických sloučenin v půdě.
Z dostupných poznatků v této oblasti vyplývá, že změna strategie lidské ekonomické činnosti od chemizace k biologizaci zemědělství je opodstatněná jak z ekonomického, tak z hlediska životního prostředí. V tomto směru si biotechnologie může dát za cíl regeneraci krajiny. Pracuje se na vytvoření biopolymerů, které budou schopny nahradit moderní plasty. Tyto biopolymery mají oproti tradičním materiálům významnou výhodu, protože jsou netoxické a biologicky odbouratelné, to znamená, že se po použití snadno rozkládají, aniž by znečišťovaly životní prostředí. Biotechnologie založené na výdobytcích mikrobiologie jsou nákladově nejefektivnější, jsou-li využívány komplexně a vzniká-li bezodpadová výroba nenarušující ekologickou rovnováhu. Jejich vývoj umožní nahradit mnoho obrovských chemických závodů ekologickými kompaktními výrobními zařízeními.
Důležitou a perspektivní oblastí biotechnologie je vývoj metod výroby energie šetrné k životnímu prostředí. Výroba bioplynu a etanolu byla diskutována výše, ale v tomto směru existují i zásadně nové experimentální přístupy. Jedním z nich je výroba fotovodíku: „Pokud se z chloroplastů izolují membrány obsahující fotosystém 2, pak na světle dochází k fotolýze vody – jejímu rozkladu na kyslík a vodík. Modelování procesů fotosyntézy probíhajících v chloroplastech by umožnilo ukládat energii Slunce do cenného paliva – vodíku. Výhody tohoto způsobu získávání energie jsou zřejmé: • přítomnost přebytku substrátu a vody; • neomezený zdroj energie – Slunce; • produkt (vodík) lze skladovat bez znečištění atmosféry; • vodík má vysokou výhřevnost (29 kcal/g) ve srovnání s uhlovodíky (3.5 kcal/g); • proces probíhá za normální teploty bez tvorby toxických meziproduktů; • proces je cyklický, protože při spotřebě vodíku se substrát – voda – regeneruje.
Chtěl bych poznamenat biotechnologii zemědělských rostlin. Už od doby kamenné si tedy lidé vybírali rostliny s vlastnostmi, které jim vyhovovaly, a jejich semena si šetřili na další rok. První agronomové výběrem nejlepších semen provedli primární genetickou modifikaci rostlin a tím je zdomácněli dávno předtím, než byly objeveny základní genetické zákonitosti. Po stovky let farmáři a šlechtitelé rostlin používali křížení, hybridizaci a další přístupy k modifikaci genomu, aby zvýšili výnosy, zlepšili kvalitu produktů a učinili rostliny odolnějšími vůči hmyzím škůdcům, patogenům a stresu z prostředí.
Biotechnologické přístupy umožňují moderním šlechtitelům rostlin izolovat jednotlivé geny odpovědné za požadované vlastnosti a přesunout je z genomu jedné rostliny do genomu jiné. Tento proces je mnohem přesnější a selektivnější než tradiční křížení, během kterého se tisíce genů s neznámými funkcemi přesouvají z jedné rostlinné odrůdy nebo druhu do druhé. Biotechnologie umožňuje i to, co příroda neumí – pohyb genů mezi rostlinami, zvířaty a mikroorganismy. To otevírá obrovské možnosti pro zlepšení kvality plodin. Můžeme například vzít bakteriální gen, který je toxický pro patogenní houbu, a vložit jej do genomu rostliny. Současně rostlina začíná syntetizovat fungicidní protein a nepotřebuje vnější pomoc v boji proti houbě.
