Obecné

Co je biotechnologie? skrýt odpověď

Původ biotechnologie se dá vystopovat 4 tisíce let zpátky, když Sumeři (aniž by o tom věděli) používali mikroby pro výrobu alkoholických nápojů. Dalšími známými produkty tradiční biotechnologie jsou sýr, jogurt a chléb.

Biotechnologie používají živé organismy, buňky nebo jejich části (enzymy) k výzkumu, jehož poznatky pak dávají vzniknout novým produktům a aplikacím v medicíně, zemědělství, potravinářství, ochraně životního prostředí a alternativních metodách výroby v chemickém průmyslu či jiných průmyslových procesech. V současnosti je biotechnologie interdisciplinární vědou, která je ovlivňována chemií, biologií, fyzikou, materiálovými naukami, inženýrstvím a informatikou.

Moderní biotechnologie často pozměňuje genetické uspořádání buněk a organismů s cílem optimalizovat procesy, např. chemickou či fyzikální úpravou, buněčnou fůzí nebo genetickým inženýrstvím. Oproti ostatním zmíněným metodám genetické inženýrství modifikuje izolované nukleové kyseliny; geny takto mohou být specificky přidány nebo odstraněny. Pojmy moderní biotechnologie a genetické inženýrství jsou často používány jako synonyma; přičemž genetické inženýrství je ve skutečnosti pouhým odvětvím biotechnologie. Prvním experimentem genetické modifikace publikovaným v roce 1973 se otevřely dveře nové oblasti rekombinantní technologie.

Biotechnologie je stará věda s velkým ekonomickým dopadem a se slibnou budoucností. Představuje mocný nástroj, ačkoli ne všelék, který pomáhá řešit současné naléhavé globální problémy naší společnosti jako je hladovění nebo udržitelnost vývoje.

Termín „biotechnologie“ byl zaveden v roce 1919 maďarským inženýrem Karlem Erekym pro sumarizaci všech metod používajících mikroorganismy pro přeměnu surovin v produkty (proces zvaný fermentace). Skutečným začátkem klasické biotechnologie byl Pasteurův objev, že za takové fermentační procesy jsou odpovědné mikroorganismy. Aplikace, služby a produkty moderní biotechnologie jsou rozmanité:

Základní technologie (jako jsou DNA a proteinové chipy) pro základní a aplikovaný výzkum
Rekombinantní léčiva, vakcíny a diagnostika, a také genové a buněčné terapie v lékařství
Metody buněčných a tkáňových kultur, molekulární diagnostika a transgenní rostliny v zemědělství
Testování a optimalizace skladby a výroby potravin a krmiv
Biosenzory a biologické systémy (např. enzymy, mikroorganismy) v ochraně životního prostředí
Biologické systémy pro průmyslovou výrobu chemikálií a léčiv

Biotechnologie jsou široce užívané v bio-vědách. Biovědy, rovněž nazývané life science, zahrnují odvětví od moderní biologie a lékařství, přes zemědělství, vědy o zvířatech, biochemii, bio-kontrolu, biodynamiku, bio-inženýrství, bio-informatiku a bio-komputaci, bio-materiály, bio-medicínské inženýrství, bio-medicínské systémy a zobrazování, bio-molekulární inženýrství, bio-monitoring, biofyziku, buněčnou biologii, ekologii, vědy týkající se životního prostředí, potravinářské nauky, genetiku a genomiku, mikrobiologii, molekulární biologii, nanobiotechnologii, neurovědy, rostlinné nauky, proteomiku až k tkáňovému inženýrství.

Související otázky:

Co je genetické inženýrství? skrýt odpověď

Genetické inženýrství je vědeckou disciplínou biotechnologie, zahrnuje řadu technik používaných ke zkoumání a/nebo úpravě genetické stavby buněk nebo organismů. Za pomoci technických a enzymatických „nástrojů“ genetického inženýrství je možné izolovat, zmnožovat, definovat, vybírat, rušit, vkládat, klonovat, přestavovat nebo přenášet specifické sekvence DNA. Vložení sekvencí DNA do živých buněk z jiných organismů může mít za následek produkci proteinů kódovaných vnesenou DNA; jelikož genetický kód je univerzální u všech organismů. Tímto způsobem genetické inženýrství umožňuje produkci buněk nebo organismů, které jsou uzpůsobeny nové situaci nebo naprogramované k specifickým novým úkolům. Organismy, které nesou novou genetickou informaci se nazývají „rekombinantní“ nebo „transgenní“. Zákonodárci se usnesli nazývat takové transgenní organismy „geneticky modifikované organismy“ – GMO. Mezinárodní protokol o biologické bezpečnosti používá termín LMO Living Modified Organisms nebo-li živé modifikované organismy, aby byl vyzdvižen jejich potenciál množit se a růst v životním prostředí.

První experiment genetického inženýrství byl publikován v roce 1973 Herbertem Boyerem a Stanley Cohenem v Kalifornii. Bakteriální enzymy (restrikční endonuklázy) rozdělí DNA ve specifických místech. Z bakterie odolné proti antibiotiku kanamycin byly izolovány sekvence DNA, které nesou gen pro odolnost na toto antibiotikum. Další enzym, DNA ligáza, spojí fragmenty DNA a vloží je do kružnicových molekul bakteriální DNA zvaných plasmidy. Plasmidy mají přirozenou schopnost vstupovat do bakteriální buňky přenesly gen pro odolnost proti kanamycinu do hostitelské bakterie. Bakterie odolné proti kanamycinu se zjišťují tím, že přežijí a rostou v prostředí, které obsahuje toto antibiotikum. Tento experiment demonstroval úspěšný přenos genu pro odolnost proti antibiotiku kanamycinu z jednoho druhu bakterií na druhý.

Technologie zvaná DNA klonování (nebo molekulární klonování) umožňuje vědcům selektivně zmnožovat specifický úsek DNA živého organismu právě tím, že se vloží do bakteriálního plasmidu a bakterie se pomnoží. Jelikož je kód čtyř bází DNA univerzální, mohou se použít části DNA (geny) z jakéhokoliv zdroje. Výsledný organismus (označovaný jako rekombinantní) může produkovat plasmidy s cizí DNA ve velkých množstvích pro další použití. Navíc hostitelský organismus může produkovat protein kódovaný touto DNA. Touto cestou se bakteriemi či kvasinkami vyrábí terapeutické látky jako humánní inzulín pro diabetiky, růstový hormon, faktor srážení krve a jiné.

Související otázky:

Co je GMO? skrýt odpověď

Termín GMO (geneticky modifikovaný organismus) označuje organismus, jehož přirozený genetický materiál byl pozměněn prostřednictvím techniky genetického inženýrství. Bakterie, plísně, rostliny, hmyz, ryby či savci mohou být geneticky modifikováni, v důsledku čehož se stávají transgenními nebo rekombinantními. GMO je obecný termín pro takto modifikované organismy (GM bakterie, GM plodiny atd.). GMO se liší od svých přirozených protějšků jednou či několika biologickými vlastnostmi, například jsou schopné vyrábět nový protein, který nebyly schopné vyrábět předtím, anebo naopak nevyrábějí protein, který předtím mateřský organismus produkoval.

Mezinárodní protokol o biologické bezpečnosti používá termín Živé modifikované organismy (Living Modified Organisms - LMO) , aby byl vyzdvižen jejich potenciál k množení se a odlišil organismus od produktu (např. potraviny), který je z nich vyroben. Nicméně, zkrácená formulace „GM potraviny“ označuje potraviny vyráběné z GMO.

GMO jsou například používány pro:

Umožnění základního výzkumu biologických procesů (jako jsou funkce a interakce genů a proteinů, nebo ve studiích zabývajících se diferenciací a vývojem), laboratorní zvířata jako model pro léčení
Efektivní produkci terapeutických proteinů, vakcín…
Generování transgenních plodin ke zlepšení jejich vlastností nebo nižšímu množství používaných pesticidů
Odbourávání odpadů a environmentálních kontaminantů.

Související otázky:

Co znamená genomika? skrýt odpověď

Genomika může být definována jako vědecké studium genomů. Genom obsahuje všechen genetický materiál a genetickou informaci organismu. Genomika se zaměřuje na identifikaci a analýzu role genů ve struktuře a růstu organismu ve zdraví i v nemoci. Poté co byla sekvence DNA genomu organismu určena, nabízí analýza údajů DNA detailní porozumění genetické informaci. Genomika pomáhá vrhnout světlo na vývoj a fungování organismu. Studium modelových organismů pomáhá zlepšovat znalosti o lidské biologii, a tak položit základ pro vývoj nových lékařských přístupů.

Studium genomů rostlin je nutné pro zlepšení jejich přizpůsobení specifickým lidským potřebám, extrémním podmínkám nebo jejich odolnosti proti škůdcům. Genomika také slouží k optimalizaci mikroorganismů pro účely efektivnějších výrobních procesů, které vyžadují méně energie a brání poškození životního prostředí.

Genomika se zaměřuje na identifikaci a studium struktury a funkce celé DNA organismu nebo jejího specifického souboru sekvencí. Je to rychle rostoucí, interdisciplinární pole, ve kterém hraje zásadní roli hlavně bio-informatika kvůli zpracování obrovských množství produkovaných dat. Genomika má významnou vědeckou i ekonomickou hodnotu. Některé cíle jsou:

Sekvenovat celý genom organismů za účelem získání informace o kódujících (genech) a nekódujících částech DNA. Rozluštění funkce genů pak usnadní pochopení molekulárního základu vývoje, zdraví a nemoci organismu. Také otvírá nové biologické obzory vědomostí. Velká část výzkumu probíhá na modelových organismech (živočiších, plísních, bakteriích), protože sdílejí stejné základní životní mechanismy a jsou přístupné manipulaci.
Porovnat genomy různých organismů pro analýzu evoluce druhů.
Poznat lépe molekulární základ nemocí a ukázat cestu pro tvorbu nových strategií prevence, diagnostiky a léčby humánních, animálních i rostlinných nemocí.
Identifikovat individuální rozdíly specifických sekvencí DNA (polymorfismus jednotlivých polynukleotidů nebo-li SNP), které mohou ukazovat na predispozice jednotlivce k určité chorobě. Zakládají se velké databáze SNP a jejich korelátů s nemocemi.
Pochopit genomy patogenů, a tak umožnit identifikaci lékových cílů a zrychlit vývoj efektivních léků či vakcín.
Získat více vědomostí o rostlinné genetice, abychom zlepšili šlechtění požadovaných rysů jednak konvenčním křížením za použití genetických markerů i prostřednictvím genetického inženýrství.
Navrhnout procesy průmyslové výroby, které jsou ekonomičtější a ekologičtější, a tak přispívat k udržitelnější průmyslové výrobě a efektivnějšímu vyčištění a znovu-ozdravení životního prostředí.

Informace i projektu lidského genomu:

www.ornl.gov/sci/techrsources/Human_Genome/home.shtml

Související otázky:

Co znamená proteomika? skrýt odpověď

Proteomika může být definována jako vědecké studium kompletního souboru proteinů organismu. Skladba proteinů buňky (proteom) je dynamická, záleží na jejím biologickém statutu a na prostředí. Tudíž proteomika studuje proteiny určité buňky či tkáně v daném stavu a za definovaných podmínek. Soustřeďuje se na roli těchto proteinů ve struktuře, funkci a statutu (zdravý či nemocný) organismu. Proteomika identifikuje, charakterizuje a kvantifikuje proteiny, a tak poskytuje detailní a komplexní údaje o specifických biologických systémech. Je naděje, že s těmito údaji se podaří objevit příslušné metabolické dráhy a mechanismy. Konečným cílem je lepší pochopení složitých mechanismů podílejících se na udržení života.

Proteomika identifikuje a analyzuje expresi proteinů v buňkách za různých podmínek, za účelem osvětlení biochemických a fyziologických mechanismů na molekulární úrovni. Buňka může snadno obsahovat i 10.000 proteinů v jakémkoliv bodě v čase – nicméně, skladba proteomů se neustále mění, protože proteiny se rychle syntetizují a rozkládají. Vědci vytvořili mocné analytické nástroje, které identifikují i kvantifikují buněčné proteiny. Pro zpracování obrovských množství údajů slouží automatizované, vysoce výkonné metody. Mimoto proteomika je komplexní disciplínou kombinující know-how biologie, inženýrství, chemie a bio-informatiky.

Přístupy, které se používají v proteomice:

Identifikace a charakterizace všech proteinů v určité buňce, tkáni nebo organismu, proto abychom hlouběji pochopili přirozené procesy.
Porovnávání způsobů exprese proteinů v buňce či tkáni za určitých podmínek a v časových bodech jejich vývoje pro osvětlení mechanismů buněčného vývoje a růstu a určitých buněčných cest.
Porovnání proteomů zdravých a tumorových buněk nebo buněk za přítomnosti nebo nepřítomnosti léku (profilující exprese). To nabídne vhled do vývoje nemoci i základ pro vývoj nových terapií a strategií v preventivní medicíně.
Objev korelátů mezi přítomností a absencí specifických proteinů, za účelem lepšího pochopení způsobu interakce proteinů.
Identifikace procesu skládání třírozměrných struktur proteinů pro lepší pochopení jejich funkce a vybudování základu pro design molekul structure-aided (založený na vztahu struktury a funkce) bílkovin použitelných jako léky nebo ve výrobních procesech.

Související otázky:

Jaký je potenciální přínos moderní biotechnologie? skrýt odpověď

V medicíně pokrok v biovědách a biotechnologii rozšířil poznání humánní fyziologie a molekulární biologie, a tak přispěl k lepšímu porozumění lidským nemocem a ke zlepšení jejich prevence, diagnostiky a léčby.
V zemědělství je potenciální výhodou schopnost produkovat transgenní plodiny, které mohou být výživnější, odolnější proti škůdcům nebo lépe přizpůsobené nepříznivému životnímu prostředí. Potenciální užitek tkví ve zvýšení výnosů a kvality nebo omezení používání pesticidů. Biotechnologie tak může přispět ke zlepšení zásobování potravinami v rozvojových zemích.
Transgenní plodiny mohou představovat zdroj pro farmaceutický a chemický průmysl.
Při použití k detekci kontaminantů a dekontaminaci půdy, vody a vzduchu mikroorganismy nebo rostlinami, může biotechnologie prospět životnímu prostředí přímo.
Další významnou výhodou biotechnologie je vývoj nových průmyslových výrobních procesů s mnohem nižším dopadem na životní prostředí.

Aplikace biotechnologie zahrnují:

V medicíně:

Inzulín, životně důležitý pro vzrůstající počty diabetiků, byl prvním humánním proteinem vyráběným mikroorganismy. Dnes se vyrábí celá řada léčebně významných proteinů jako např. interferonů. V lidském těle jsou přítomny v tak nízkých koncentracích, že není možné je izolovat a pokud ano, stalo se několikrát, že se s nimi přenesly nemoci. Výroba syntetických vakcín proti malárii, vzteklině a hepatitidě B v mikroorganismech je dalším příkladem biotechnologie. Dále:

Genomika a proteomika mohou nabídnout lepší porozumění molekulárním procesům, které vedou k predispozicím nebo propuknutím lidských chorob. To by mohlo usnadnit prevenci takových nemocí.
Vědci identifikují nové lékové cíle a vyvíjejí vysoce specifická léčiva a vakcíny. Kromě toho mohou diagnostikovat genetické poruchy, infekční choroby a rakovinu na buněčné a molekulární úrovni a vyvíjet genové a buněčné terapie.

V zemědělství:

Geneticky upravené plodiny jsou již k dispozici v mnoha zemích na světě. Takové plodiny zahrnují sóju, bavlnu, kukuřici, dýně, brambory, řepku, tabák, papáju a karafiáty.

Plodiny, které jsou odolné vůči herbicidům či hmyzu nabízejí další možnost, jak zvládat škůdce, omezovat užívání pesticidů a zvyšovat polní výnosy.
Plodiny, které lépe snášejí sucho či záplavy, půdu s vyšším obsahem solí či kovů, horko či zimu se v současnosti již vyvíjejí. Laboratorní pokusy jsou slibné, ale než se komerční aplikace stanou realitou, je třeba určitých doladění.
Od rýže obohacené provitamínem A, známé jako Zlatá Rýže, se očekává, že zabrání slepotě způsobené nedostatkem tohoto vitamínu, jak u dětí tak u dospělých v Asii.
Genetické inženýrství může být dále používáno pro eliminaci či omezení množství alergenních proteinů (například v japonské rýži) či anti-nutričních látek v potravinách.
Testování potravin (například na BSE nebo Salmonelu) se dá zvládnout rychleji a přesněji s molekulární technologií založené na polymerázové řetězové reakci nebo imunoesejích.

V průmyslu:

Proteinové produkty a užitečné enzymy jsou k dispozici pro potravinářský a krmný průmysl. Bakterie, nižší houby (plísně) a kultivované savčí buňky i jejich části nebo jejich enzymy se používají v průmyslové výrobě, kde jsou biologické procesy často efektivnější a mají nižší ekologický dopad než tradičně používané chemické procesy.