2.26. Współczesna biotechnologia Opracowała Bożena Smolik Konsultant Arleta Poręba-Konopczyńska

Co to jest biotechnologia? Biotechnologia jest najmłodszą dziedziną naukową, choć stosowana jest przez człowieka od zarania dziejów. Zajmuje się wykorzystywaniem organizmów i ich procesów życiowych w procesach przemysłowych. Współcześnie współpracuje z różnymi dyscyplinami naukowymi. Głownie są to nauki biologiczne (cytologia, mikrobiologia), chemiczne i fizyczne. 13 grudnia2006r. Zespół ds. Opracowania Strategii Rozwoju Biogospodarki, działający przy Ministrze Nauki i Szkolnictwa Wyższego, określił, że biotechnologia zajmuje się zastosowaniem nauki i technologii do organizmów żywych, ich części i modeli w celu polepszenia właściwości żywych i nieożywionych materiałów stosowanych badań naukowych, produktów i usług.

Biotechnologia tradycyjna Organizmami powszechnie wykorzystywanymi przez człowieka do produkcji, ulepszania lub konserwowania żywności są bakterie, drożdże i grzyby. Procesy biotechnologiczne były od wieków wykorzystywane przez człowieka do otrzymywania różnych produktów spożywczych: warzenia piwa, produkcji wina, wypieku chleba i ciast, zakwaszanie mleka do produkcji serów, kefirów, kiszenia kapusty, ogórków.

O biotechnologii Aby móc wykorzystać jakiś organizm do celów przemysłowych, trzeba rozpoznać jego właściwości i zadecydować, która z nich może być przydatna. Następnie trzeba opracować technologię, czyli sposób wytwarzania produktu i jego zagospodarowania. Zalety procesów biotechnologicznych : są tanie, łatwe do przeprowadzenia, nie wymagają skomplikowanej aparatury, są oparte na znanych procesach biologicznych, materiał do nich jest łatwo dostępny (bakterie, drożdże, pierwotniaki), nie wymagają dużych nakładów energii, są nieszkodliwe dla środowiska.

Współczesne procesy biotechnologiczne BIOTRANSFORMACJA BIOSYNTEZA BIODEGRADACJA BIOAKUMULACJA BIOKONWERSJA

Biosynteza BIOSYNTEZA – wytwarzanie różnych produktów żywnościowych, paszowych, rozpuszczalników, enzymów piorących, antybiotyków, witamin, hormonów itp., odbywająca się w żywym organizmie. Jednym z podstawowych produktów otrzymywanych dziś dzięki biotechnologii są antybiotyki. To dzięki nim, od czasu ich odkrycia, udało się uratować tysiące ludzi. Pierwsze antybiotyki były pochodzenia naturalnego (z pędzlaka). Grzyb ten występuje powszechnie na powierzchni owoców. Wyizolowany i poddany działaniu specjalnego promieniowania wytwarza szczepy, które produkują o wiele więcej antybiotyku niż formy dzikie. Hodując te szczepy (fermentatory), wytwarza się znaczne ilości antybiotyku przy niskich kosztach produkcji. Obecnie otrzymuje się antybiotyki głównie syntetyczne, tzn. produkuje się je na drodze reakcji chemicznych. Poddaje się wielu modyfikacjom chemicznym, mającym na celu zwiększenie ich skuteczności lub zakresu działania. I tak np. z penicyliny, którą podaje się tylko domięśniowo, otrzymuje się ampicylinę, która jest wchłaniana przez przewód pokarmowy i jest lepiej tolerowana przez pacjenta.

Biotransformacja Biotransformacja jest to przetwarzanie produktów z użyciem enzymów jako katalizatorów. Proces stosowany jest np. przy produkcji witaminy C oraz leków sterydowych z surowców roślinnych.

Biodegradacja Biodegradacja to rozkład niepotrzebnych lub zagrażających środowisku substancji, np. ścieków domowych, rolniczych i przemysłowych. W oczyszczalniach ścieków jednym z trzech stopni oczyszczania jest oczyszczanie biologiczne, do którego wykorzystuje się mikroorganizmy tlenowe, rozkładające nagromadzoną materię organiczną na proste związki nieorganiczne. Biodegradację wykorzystuje się między innymi do produkcji biogazu – metanu, gazu o dużej wartości opałowej (zdjęcie obok). Biodegradację stosuję się w biofiltrach do oczyszczania powietrza ze szkodliwych węglowodorów, wytwarzanych w różnych procesach technologicznych.

Bioakumulacja Bioakumulacja jest to wykorzystanie organizmów żywych do kumulowania substancji ze środowiska w celu ich późniejszego wykorzystania. Przykładem może być mikrobiologiczna przeróbka rozproszonych rud metali, których zasoby już się kończą albo są trudno dostępne do eksploatacji. Obecnie w metalurgii 15% światowej produkcji miedzi jest oparte na tych procesach.

Biokonwersja Biokonwersja jest to zamiana energii fizycznej (słońca) na chemiczną przy użyciu organizmów zdolnych do fotosyntezy. Biokonwersja to również przekształcanie przez zmodyfikowane genetycznie drobnoustroje obcych komórce substancji chemicznych, które są gromadzone poza organizmami drobnoustrojów. Zmodyfikowane genetycznie organizmy mogą w ten sposób wytwarzać paliwo – węglowodory gazowe i płynne. Najstarszym przemysłowym procesem biokonwersji jest przekształcanie etanolu do kwasu octowego przy udziale bakterii z rodzaju Acetobacter. Tę metodę wykorzystuje się również do produkcji aminokwasów i antybiotyków.

Zastosowanie biotechnologii Ze względu na sposób wykorzystania można mówić o biotechnologii: - zielonej- czyli stosowanej w rolnictwie, związanej z uprawą transgenicznych roślin i hodowlą transgenicznych zwierząt, - białej – stosowanej w przemyśle spożywczym, np. w procesach produkcji alkoholu, przetworów mlecznych, wyrobów piekarniczych, - czerwonej – wykorzystywanej w medycynie do produkcji leków, szczepionek i farmaceutyków.

W biotechnologii wykorzystuje się osiągnięcia genetyki i biologii molekularnej. Od lat 70 ubiegłego stulecia rozwija się inżynieria genetyczna, dzięki której produkuje się coraz więcej organizmów transgenicznych. Osobną dziedzina jest klonowanie organizmów lub ich części. Nowym osiągnięciem biotechnologii jest genomika i terapia genowa.

Początek inżynierii genetycznej: Na początku lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku dwóch amerykańskich biologów, Stanley Cohen i Herbert Boyer, podjęli się, jak dotąd nierealnego zadania: po raz pierwszy przenieśli ludzki gen do bakterii, pokazując, że podstawowa instrukcja życia zapisana jest we wszystkich organizmach w tym samym języku. To wydarzenie było początkiem ery inżynierii genetycznej.

Inżynieria genetyczna Inżynieria genetyczna to zespół technik, mających na celu trwałą zmianę właściwości dziedzicznych organizmu w wyniku wprowadzenia do niego obcych genów. Inżynieria genetyczna polega na bezpośrednim manipulowaniu materiałem genetycznym. Inżynieria genetyczna umożliwia tworzenie nowych, nieznanych dotąd odmian roślin i zwierząt najczęściej o korzystnych dla człowieka właściwościach użytkowych. Najczęściej inżynierię genetyczną stosuje się w rolnictwie, medycynie i farmakologii.

Inżynieria genetyczna polega na: izolowaniu fragmentów materiału genetycznego z komórki wprowadzeniu zmian do informacji genetycznej przenoszeniu fragmentów DNA do komórek innego organizmu powielaniu (klonowaniu) genów i całych organizmów.

Techniki wykorzystywane w inżynierii genetycznej umożliwiają m.in.: tworzenie nowych kombinacji genów (również takich, które nie są spotykane w przyrodzie), konstrukcję użytecznych mikroorganizmów np. sztucznych plazmidów, wykorzystywane jako wektory, uzyskanie nowych odmian roślin i zwierząt, w tym organizmów transgenicznych, przeprowadzanie doświadczeń nad zapłodnieniem in vitro (tj. poza organizmem) u szeregu roślin i zwierząt.

Terapia genowa – polega na leczeniu chorób uwarunkowanych genetycznie za pomocą genów. Polega na wprowadzeniu zdrowego genu do komórek, w których odpowiednie geny nie produkują niezbędnego białka. Zadaniem wprowadzonych genów jest przejęcie funkcji genów, które nie działają prawidłowo. Technika ta jest jeszcze w fazie eksperymentu.

W FARMACJI Inżynieria genetyczna jest bardzo szeroko wykorzystywana do produkcji leków i innych substancji leczniczych, m.in. insuliny, czynnika krzepnięcia krwi, hormonu wzrostu, substancji antywirusowych i antybiotyków. Zwykle organizmami produkującymi leki są bakterie. Przykładowo pałeczka okrężnicy po wszczepieniu ludzkiego genu insuliny wytwarza ten hormon, który jest pełnowartościowy i z powodzeniem wykorzystywany w leczeniu cukrzycy, zamiast insuliny produkowanej wcześniej z trzustek zwierząt. Leki można produkować w taki sposób, by odpowiadały indywidualnym potrzebom każdego z pacjentów. Mikroorganizmy wykorzystuje się tez do produkcji bezpiecznych szczepionek, m.in. przeciwko wirusowemu zapaleniu wątroby typu B - tutaj zastosowano drożdże. Obecnie trwają prace nad szczepionką przeciw chorobie Alzheimera - trwają badania na zwierzętach. Oczywiście wszystkie nowe leki i szczepionki, podlegają surowym kontrolom i badaniom, aby były skuteczne i nie wywoływały powikłań. Tylko po spełnieniu wszystkich wymogów, lek może zostać użyty do leczenia chorych.

W ROLNICTWIE Organizmy roślinne i zwierzęce, niosące w sobie obce geny nazywa się organizmami transgenicznymi. Wprowadzanie do komórek roślin nowych genów ma na celu zwiększenie plonów lub poprawę ich jakości. W ten sposób otrzymuje się nowe odmiany smakowe owoców czy kolorystyczne kwiatów, np. bardzo słodkie jabłka lub niebieskie róże. Powszechnie panuje obawa, że nie wiadomo do końca, jakie skutki może mieć spożywanie roślin transgenicznych. Z tego względu istnieją zarówno zwolennicy, jak i przeciwnicy tak modyfikowanej żywności.

Modyfikacje genetyczne to przeważnie wprowadzenie genów pochodzących z innych gatunków, które nadają modyfikowanemu organizmowi pożądaną cechę, nie występującą u niego naturalnie. Główne zastosowania modyfikacji: zmodyfikowane mikroorganizmy są używane do produkcji pewnych substancji chemicznych, takich jak np. insulina, modyfikowanie roślin pozwala dodać/wzmocnić cechy zwiększające opłacalność produkcji.

Modyfikacje genetyczne w rolnictwie Najważniejsze modyfikacje dotyczą odporności na szkodliwe czynniki, takie jak różne choroby roślin, chwasty, czynniki klimatyczne itd., oraz wprowadzania do roślin genów produkujących pewne pożądane substancje (np. prowitamina A w zmodyfikowanym genetycznie ryżu). Na szeroką skalę GMO w rolnictwie stosuje się tylko w kilku krajach – przede wszystkim w Stanach Zjednoczonych.

Niebezpieczeństwa związane z modyfikacjami genetycznymi Największym niebezpieczeństwem jest zanieczyszczenie DNA rośliny lub ewentualnie innych gatunków tzw. zanieczyszczenie genetyczne. Jednakże, wbrew popularnym opiniom żywność zmodyfikowana genetycznie nie jest bardziej niebezpieczna dla zdrowia niż niemodyfikowana. W szczególności kompletną bzdurą jest uparcie powtarzany lęk przed wpływem "zmutowanych genów" na DNA człowieka. Niebezpieczna może być jedynie sytuacja, kiedy na skutek modyfikacji w organizmie powstaje toksyna. Oczywiście żywność jest sprawdzana pod tym kątem, jednak np. pewne toksyczne kombinacje z lekami mogą wyjść na jaw dopiero po wielu latach. Takie niebezpieczeństwa istnieją także w przypadku niemodyfikowanej żywności, lub produkcji leków metodami chemicznymi.

Znaczenie inżynierii genetycznej : W Rolnictwie W Medycynie Rośliny : Zwiększenie odporności na choroby, środki chwastobójcze, owady przyśpieszenie wzrostu roślin opóźnienie psucia owoców i warzyw nadanie roślinom odporności na niekorzystne warunki środowiska zwiększenie wartości odżywczej produktów roślinnych Zwierzęta : szybszy wzrost większa masa mięśniowa uzyskanie czynników krzepnięcia krwi, którą stosuje się w leczeniu chorych na anemię i hemofilię produkcja leków, witamin, szczepionek możliwości w diagnostyce oraz leczeniu chorób przewlekłych możliwość rozpoczęcia terapii genowej możliwość określenia genomu ludzkiego i tym samym stwierdzenia czy nie zachoruje on w przyszłości np. na nowotwór możliwość zapłodnienia in vitro dzięki inżynierii udało sie stworzyć testy na obecność wirusa HIV do organizmów wprowadza się geny które pobudzają narządy do samodzielnego leczenia się

Zadania Wyjaśnij czym zajmuje się biotechnologia. Wymień współczesne procesy biotechnologii. Wymień trzy organizmy powszechnie stosowane przez człowieka w procesach biotechnologicznych. Wymień trzy osiągnięcia inżynierii genetycznej. Podaj nazwę szczepu mikroorganizmu z opakowania jogurtu (lub innego podobnego produktu), który wykorzystano do jego produkcji.

Źródła W.Lewiński,J.Prokop, Biologia 2, Operon, Gdynia, 2004 J.Loritz-Dobrowolska i wsp., Biologia, Operon, Gdynia, 2007 B.Sągin, M.Sęktas, Puls życia, Nowa Era, 2008 B.Klimuszko, Biologia III, Żak, Warszawa 2001 E.Kłos i wsp., Ciekawa biologia, WSiP, Warszawa, 2002 E.Wierbiłowicz, Biologia, ABC, Poznań, 2001 B.Potocka, W.Górski, Biologia 2, MAC Edukacja,2003 Z.Sendecka i wsp., Vademecum, Operon, 2008r.