Наука биотехнология и её прикладные сферы применения

Наука биотехнология изучает возможности применения биологических организмов, систем или процессов их  жизни с целью получения компонентов и материалов, таких как фармацевтические препараты, сельскохозяйственные культуры или влияния на здоровье человека и животных.

Наука биотехнология произвела революцию в современной медицине, криминалистике, нанотехнологиях и сельском хозяйстве. Считается что самые  востребованные профессии в будущем связаны с биотехнологией.

Наука биотехнология по назначению делится на генную инженерию, клеточную инженерию и промышленные биотехнологические процессы.

Генная инженерия как составная часть науки биотехнологии

Биотехнология использует научный принцип генетической рекомбинации, процесс, который действительно происходит в природе при модификации генов.

Рекомбинация – это обмен генетической информации или генов, посредством пересечения хромосом в процессе деления.

Хотя генетическая рекомбинация может вызывать неблагоприятные мутации, такие как альбинизм, она также может создавать новые положительные комбинации генов. Эти новые преимущества, созданные рекомбинацией, известны как эволюция, когда организмы приспосабливаются к своей среде обитания таким образом, чтобы обеспечить выживание наиболее приспособленных.

Технология рекомбинантной ДНК, иногда называемая генной инженерией, используется для микроорганизмов, а также растений для выведения лучших качеств, которые  обычно сложно производятся в природе.  Эти технологии могут быть использованы для образования копий ДНК, заставляя генно-инженерный ген выполнять ту же рекомбинацию, которая происходит естественным образом, но  гораздо быстрее и в большем масштабе. С 1970-х годов ученые используют технологию рекомбинации ДНК для производства различных полезных продуктов, таких как человеческий инсулин и вакцины.

Ученые создали методы воспроизведения генетической рекомбинации в контролируемой среде для получения положительных мутаций и совместного использования генов с целью создания продуктов, используя ряд специализированных инструментов.     Они используют искусственный отбор для выделения определенных желательных признаков, например, в животноводстве или для создания собак или кошек с определенными фенотипами.

Если генетик знает последовательность ДНК или аминокислотную последовательность, ДНК можно синтезировать из запасенных запасов нуклеотидов и других необходимых реактивов, используя машину синтеза ДНК. Микропроцессор этой машины контролирует синтез ДНК, после того как последовательность нуклеотидов определена. Таким образом формируются на этой машине искусственные биологические молекулы, сконструированные из последовательностей ДНК.

Если молекула ДНК обладает определенными желательными свойствами, она может служить клеткой носителем. Эта клетка-носитель используется в качестве определенных последовательностей ДНК. Помимо очевидного свойства самовоспроизводства, эта клетка также должна быть определенного размера и формы и быть в состоянии сохранить образец. Круглая форма делает ее пригодной для сохранения своей ДНК.наука биотехнология

Можно спросить, откуда берется вся эта ДНК? У биологов есть два варианта: геномные библиотеки или синтетическая ДНК.

Геномные библиотеки содержат естественные копии генов, созданные путем сбора и лизирования клеток.

Применение науки  биотехнологии в медицине

Наука биотехнология разработала производство гормонов, таких как инсулин, который должен был быть собран из поджелудочной железы убитых животных (дорогостоящий процесс).  Также соматотропин — один из гормонов передней доли гипофиза  который мог быть получен только от умерших людей или требовал 500 000 овечьих мозгов для производства всего 5 мг.

Сейчас эти лекарства получают из продуктов объединения молекул из разных видов – рекомбинантной ДНК-технологии.

Начиная с 1990-х годов наука биотехнология разработала механизм в котором аденовирусы и ретровирусы трансформируются  и используются для доставки генов, которые лечат такие заболевания, как гемофилия  и комбинированный иммунодефицит.

С помощью генной терапии в настоящее время имеются успехи в лечении рака, гепатита и от повышенного уровня холестерина.

Биотехнологи умеют секвенировать небольшие участки ДНК, которые затем собираются с помощью компьютера. Эта технология может быть использована для создания геномов микроорганизмов для изучения. Изучение генетического материала, взятого из образцов окружающей среды, известно как метагеномика.

Клеточная инженерия

Наука биотехнология задействует микробиологов которые используют искусственный отбор для выделения определенных клеток и микроорганизмов для культивирования и для выполнения специфической задачи. Направленный мутагенез используется микробиологами для внесения специфических изменений в клетки. Благодаря изоляции и мутации определенных клеток молекулярная биология разработала множество рутинных методов клонирования, используемых для выполнения многих биологических приложений.

Конечный результат биотехнологии не всегда является продуктом.  На самом деле, некоторые из наиболее важных результатов науки биотехнологии производят не более чем информацию. Биоинформатика, которая является наукой о понимании функции генов с помощью компьютерного анализа, и протеомика, наука об определении всех белков, экспрессируемых в клетке, являются примерами биотехнологии, которые обеспечивают дальнейшее понимание генов.

Существует наука обратная генетике – подход к обнаружению функции гена и связыванию ее со специфическими эффектами на организм.

ДНК-дактилоскопия, разработанная для идентификации бактериальных или вирусных патогенов, используется для отслеживания вспышек болезней пищевого происхождения и отслеживания ответственных бактериальных штаммов, чтобы помочь исследователям определить эпицентр в случае вспышки.

Судебная микробиология несет ответственность за привлечение к ответственности тех, кто совершает преступления, и освобождает от ответственности тех, кто этого не делает.

Нанотехнологии-это создание электронных и механических устройств на молекулярном уровне, таких как роботы размером с молекулу, которые проверяют продукты питания на предмет загрязнения, растения на предмет болезней или даже наличие биологического оружия.

Министерство энергетики  использует эту технологию в производстве водорода. Наноматериалы также обеспечивают средства для преобразования солнечной энергии в электричество.

Промышленные биотехнологические процессы в сельском хозяйстве

Сельское хозяйство также подверглось переработке с помощью науки биотехнологии. Клоны растительных клеток, а также генетически измененные растительные клетки размножаются в огромных количествах и имплантируются в гены растений, чтобы произвести желаемые исследователями эффекты.

Бактерии и вирусы, которые обычно заражают растения болезнями, могут быть генетически модифицированы, чтобы создать растения, которые производят свои собственные инсектициды и гербициды, устойчивы к засухе и даже производят удобрения после сбора урожая. Существуют также новые генетически модифицированные растения, которые производят вакцины, фармацевтические и промышленные белки.

Манипуляции с ДНК поднимают серьезные этические проблемы, а также проблемы безопасности.  Были высказаны опасения по поводу потребления человеком генетически модифицированных продуктов питания. Использование генетического тестирования на болезни вызывает много вопросов относительно обоснованности, доступности и полезности такой технологии.

Кто должен иметь доступ к таким записям? Действительно ли людям нужно знать, умрут ли они от генетического дефекта?

Один факт остается неизменным, наука биотехнология продолжает развиваться. Исследователи только начинают вникать в эту  многообещающую  науку.

С возрастом чуть меньше 50 лет открыто большое количество технологических достижений, кто знает, что может ждать биотехнологию в будущем?