Biotehnologija

Iz Vikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu
Replikacija ljudskog DNK
Kristali insulina

Biotehnologija predstavlja primenu bioloških aktivnosti za dobijanje nekog proizvoda ili ostvarivanje nekog procesa, ili „bilo koju drugu tehnološku primenu koja koristi biološke sisteme, žive organizme, ili njihove derivate, za pravljenje ili modifikovanje proizvoda ili procesa za specifičnu primenu“ (UN konvencija o biološkoj raznovrsnosti, čl. 2).[1] U zavisnosti od oruđa i primena, biotehnologija se često preklapa sa (srodnim) poljima bioinženjerstva, biomedicinskog inženjerstva, bioproizvodnje, molekularnog inženjerstva, itd. Ona se deli na:

Osnovno pitanje vezano za savremenu biotehnologiju jeste kako racionalno iskoristiti prednosti koje ona pruža, a da se pri tome spreče potencijalne negativne posledice po čoveka i njegovu životnu sredinu.

Čovečanstvo je koristilo biotehnologiju hiljadama godina u poljoprivredi, produkciji hrane, i medicini.[2] Većina izvora smatra da je ovaj termin formirao 1919. godine mađarski inženjer Karolj Ereki. U kasnom 20. i ranom 21. veku, biotehnologija se proširila tako da obuhvata nove i raznovrsne nauke, kao što su genomika, tehnike rekombinovanja gena, primenjena imunologija, i razvoj farmaceutskih terapija i dijagnostičkih testova.[2]

Definicije[uredi]

Koncept „biotek“ ili „biotehnologija“ obuhvata širok opseg procedura za modifikovanje živih organizama prema ljudskim potrebama, polazeći od domestikacije životinja, kultiviranja biljki, i njihovog „poboljšavanja“ putem programa uzgoja u kojima se primenjuje veštačka selekcija i hibridizacija. Moderna upotreba takođe obuhvata genetičko inženjerstvo, kao i tehnologije ćelijskih i tkivnih kultura. Američko hemijsko društvo definiše biotehnologiju kao primenu bioloških organizama, sistema, ili procesa u okviru raznih industrija radi sticanje znanja o nauci o životu i povećanje vrednosti materijala i organizama, kao što su lekovi, usevi, i marva.[3] Evropska federacija za biotehnologiju definiše biotehnologiju kao integraciju prirodnih nauka i organizama, ćelija, njihovih delova, i molekularnih analoga u produkte i usluge.[4] Biotehnologija se oslanja na mnoštvo čisto bioloških nauka (na životinjske ćelijske kulture, biohemiju, citologiju, embriologiju, genetiku, mikrobiologiju, i molekularnu biologiju). U mnogim slučajevima, ona je takođe zavisna od poznavanja metoda izvan sfere biologije, kao što su:

Moderne biološke nauke (uključujući čak i koncepte, kao što je molekularna ekologija) su intimno isprepletene i veoma zavisne od metoda koji su razvijeni kroz biotehnologiju, i onim što se obično smatra industrijkom naukom o životu. Biotehnologija podrazumeva istraživanje i razvoj u laboratoriji koristeći bioinformatiku za istraživanje, ekstrakciju, eksploataciju i produkciju iz bilo kog živog organizma i bilo kog izvora biomase putem biohemijskog inženjerstva, pri čemu proizvodi sa znatnom dodatnom vrednošću mogu da budu planirani (na primer biosintetički reprodukovani), predviđeni, formulisani, razvijeni, proizvedeni, i izvedeni na tržište s ciljem održivog poslovanja (za povratak znatnih inicijalnih ulaganja u R & D) i sticanje postojanih prava nad patentima (radi ekskluzivnih prava na prodaju, i pre toga radi sticanja nacionalnih i međunarodnih odobrenja na bazi rezultata životinjskih i ljudskih eksperimenata, posebno u farmaceutskoj grani biotehnologija da bi se sprečile neželjene nuspojave ili adresirala sigurnosna pitanja pri upotrebi proizvoda).[5][6][7]

Za razliku od toga, bioinženjerstvo se generalno smatra srodnim poljem koje ima veći naglasak na višim sistemskim pristupima (bez potrebe za direktnim menjanjem ili upotrebom bioloških materijala) za povezivanje sa i utilizaciju živih bića. Bioinženjerstvo je primena principa inženjerstva i prirodnih nauka na tkiva, ćelije i molekule. Ono se može smatrati korišćenjem znanja iz rada sa i manipulisanja biologije da bi se ostvarili rezultati kojima se mogu poboljšati funkcije kod biljki i životinja.[8] Srodno tome, biomedicinsko inženjerstvo je preklapajuće polje, koje se često oslanja na i primenjuje biotehnologiju (po raznim definicijama), posebno u pojedinim potpoljima biomedicinskog i/ili hemijskog inženjerstva kao što su tkivno inženjerstvo, biofarmaceutsko inženjerstvo, i genetičko inženjerstvo.

Istorija[uredi]

Varenje je jedna od ranih primena biotehnologije

Iako to normalno nije ono na šta se prvo pomisli, mnogi oblici ljudskim uticajem modifikovane poljoprivrede jasno se uklapaju u široku definiciju „korištenja biotehnološkog sistema da bi se napravili proizvodi“. Kultivacija biljki se može smatrati najranijim vidom biotehnološkog preduzeća.

Po nekim teorijama poljoprivreda je postala dominantni način proizvodnje hrane od vremena neolitske revolucije. Pomoću rane biotehnologije, najraniji poljoprivrednici su izabirali i uzgajali najbolje prilagođene useve, koji su pružali najveće prinose, da bi proizveli dovoljno hrane za podršku rastuće populacije. Kako su usevi i polja postajali sve veći i teži za održavanje, otkriveno je da specifični organizmi i njihovi nusprodukti mogu efektivno da nađubravaju, obnavljaju azot, i kontrolišu štetočine. Tokom istorije poljoprivrede, zemljoradnici su nenamerno menjali genetiku svojih useva putem njihovog uvođenja u nova okruženja i ukrštanjem sa drugim binjkama — što je jedna od prvih formi biotehnologije.

Ovi procesi su takođe bili uključeni u ranoj fermentaciji piva.[9] Oni su uvedeni u ranoj Mesopotamiji, Egiptu, Kini i Indiji, i još uvek koriste iste osnovne biološke metode. Pri vrenju piva, u zrnima slada (koja sadrže enzime) se konvertuje žitarični skrob u šećer i zatim se dodaje kvasac da bi nastalo pivo. U tom procesu, ugljeni hidrati iz zrna se pretvaraju u alkohole kao što je etanol. Kasnije su druge kulture proizvele proces mlečno kiselinske fermentacije, koji je omogučio fermentaciju i prezervaciju drugih formi hrane, kao što je soja sos. Fermentacija je takođe korištena u tom periodu za proizvodnju hleba kvascem. Mada proces fermentacije nije bio potpuno razjašnjen do rada Luja Pastera 1857. godine, taj proces je bio prva primena biotehnologije za konvertovanje izvora hrane u druge forme.

Pre vremena života i rada Čarlsa Darvina, ljudi su već dugo vremena selektivno ukrštali životinje i biljke. Darvin je dodao tom telu rada svoja naučna zapažanja o sposobnosti nauke da menja vrste. Ova razmatranja su doprinela razvoju Darvinove teorije prirodne selekcije.[10]

Hiljadama godina su ljudi koristili selektivni uzgoj s ciljem poboljšanja prudukcije useva i stoke namenjene ishani. U selektivnom uzgoju, organizmi sa željenim karakteristikama su ukrštani i proizvodili potomstvo sa istim karakteristikama. Na primer, ova tehnika je korištena kod kukuruza da se proizvdu najveći i najslađi usevi.[11]

U ranom 20. veku naučnici su stekli bolje razumevanje mikrobiologije i istražili su načine proizvodnje specifičnih produkata. Godine 1917, Haim Vajcman je bio prvi da koristi čistu mikrobiološku kulturu u industrijskom procesu proizvodnje kukuruznog skroba koristeći Clostridium acetobutylicum, da proizvede aceton, koji je u Ujedinjenom Kraljevstvu bio visoko tražen radi proizvodnje eksploziva tokom Prvog svetskog rata.[12]

Biotehnologija je isto tako dovela do razvoja antibiotika. Godine 1928, Aleksandar Fleming je otkrio plesan Penicillium. Njegovom radu je sledilo prečišćavanja antibiotičkog jedinjenja koje plesan formira, da bi se izdvojilo jedinjenje koje je u današnje vreme poznato kao penicilin. Za to su zaslužni Hauard Flori, Ernst Boris Čejn i Norman Hitli. Godine 1940, penicilin je postao dostupan za medicinsku upotrebu u tretmanu bakterijskih infekcija kod ljudi.[11]

Generalno se smatra da je polje moderne biotehnologije rođeno 1971. godine kad je Pol Berg (sa Stanforda) uspešno sproveo eksperimente genskog splajsovanja. Herbert V. Bojer (Univiverzit Kalifornije u San Francisku) i Stanli N. Kohen (Stanford) znatno su unapredili novu tehnologiju 1972. godine transferom genetičkog materijala u bakterije, tako da se uneseni materijal može reprodukovati. Komercijalna isplativost biotehnološke industrije je znatno proširena 16. juna 1980, kad je Vrhovni sud Sjedinjenih Američkih Država doneo odluku da se genetički modifikovani mikroorganizam može patentirati u slučaju Diamond v. Chakrabarty.[13] Ananda Čakrabarti radeći za Dženeral elektrik, je modifikovao bakteriju (roda Pseudomonas) tako da može da razlaže sirovu naftu, i predložio je da se primeni u tretiranju izlivene nafte. (Čakrabartijev rad nije obuhvatao manipulacije gena već transfer celokupnih organela između vrsta Pseudomonas bakterija.

Još jedan faktor koji utiče na uspeh biotehnološkog sektora je poboljšano zakonodavstvo u oblasti intelektualne svojine i sprovođenje širom sveta, kao i povećana potražnja za medicinskim i farmaceutskim proizvodima za tretman starosnih tegoba populacije.[14]

Rast potražnje za biogorivima je dobra vest za sektor biotehnologija, pri čemu Minstarstvo za energetiku SAD procenjuje da primena etanola može da redukuje američku potrošnju goriva izvedenog iz nafte i do 30% do 2030. Biotehnološki sektor je omogućio poljoprivrednoj industriji SAD da brzo poveća nivo ponude kukuruza i soje — glavnih sirovina u proizvodnji biogoriva — razvijajući genetički modifikovana semena koja su otporna na štetočine i sušu. Kroz povećanje poljoprivredne produktivnosti, biotehnologija igra ključnu ulogu u obezbeđivanju ispunjavanja ciljeva proizvodnje biogoriva.[15]

Primeri[uredi]

Biljka ruže koja je nastala kao ćelija uzgajena na tkivnoj kulturi

Biotehnologija nalazi primenu u četiri glavne industrijske oblasti: zdravstvena zaštita (medicina), proizvodnja useva za hranu, poljoprivreda useva za druge svrhe (npr. biorazgradiva plastika, biljno ulje, biogoriva), i ekološke primene.

Na primer, jedan aplikacija biotehnologije je usmerena na upotrebu organizama za proizvodnju organskih produkata (primer su pivo i mlečni produkti). Drugi primer je upotreba prirodno prisutnih bakterija u rudarskoj industriji za ekstrakciju metala iz rude. Biotehnologija se takođe koristi za recikliranje, tretiranje otpada, čišćenje mesta kontaminiranih industrijskim aktivnostima (bioremedijacija), kao i za produkciju biološkog oružja.

Niz izvedenih termina je skovan za identifikaciju nekoliko grana biotehnologije; na primer:

  • Bioinformatika je interdisciplinarno polje koje se bavi biološkim problemima koristeći računarske tehnike, i omogućava brzu organizaciju, kao i analizu bioloških podataka. Ovo polje se isto tako ponekad naziva računarskom biologijom, i može da bude definisano kao, „konceptualizacija biologije u smislu molekula i naknadna primena informatičkih tehnika radi razumevanja i organizovanja informacije asocirane sa tim molekulima, u velikim razmerama.“[16] Bioinformatika ima ključnu ulogu u raznim oblastima, kao što su funkcionalna genomika, strukturna genomika, i proteomika, i formira fundamentalnu komponentu biotehnologije i farmaceutskog sektora.
  • Plava biotehnologija je termin koji se koristi za opisivanje morskih i vodenih primena biotehnologije, mada je njegova primena relativno retka.
  • Zelena biotehnologija je biotehnologija primenjena na poljoprivredne procese. Primer je selekcija i domestikacija biljki putem mikropropagacije. Još jedan primer je dizajn transgenetskih biljaka da rastu pod specifičnim uslovima u prisustvu (ili odsustvu) hemikalija. Moguće je da će zelena biotehnologija proizvesti rešenja koja su ekološki povoljnija od tradicionalne industrijske poljoprivrede. Primer toga je inženjering biljke da izražava pesticid, te da nema potrebe za spoljašnjom primenom pesticida, kao što je to slučaj kod Bt kukuruza. Da li su ili nisu proizvodi zelene biotehnologije poput ovog u većoj meri ekološki povoljni je tema intenzivnih rasprava.
  • Crvena biotehnologija se primenjuje na medicinske procese. Neki primeri su dizajn organizama da proizvode antibiotike, i inženjering genetičkih lekova putem genetičkih manipulacija.
  • Bela biotehnologija, takođe poznata kao industrijska biotehnologija, je biotehnologija primenjena na industrijske procese. Primer je dizajn organizma da proizvodi korisne hemikalije. Drugi primer je upotreba enzima kao industrijskih katalizatora, bilo za produkciju vrednih hemikalija ili za uništavanje hazardnih/zagađujućih hemikalija. Bela biotehnologija teži da troši manje resursa nego tradicionalni procesi koji se koriste za produkciju industrijskih dobara.

Investicija i ekonomski ishod svih tipova primene biotehnologije se nazivaju „bioekonomijom“.

Medicina[uredi]

U medicini, moderna biotehnologija nalazi primene u oblastima kao što su otrkivanje i proizvodnja lekova, farmakogenomika, i genetičko testiranje (ili genetički trijaž).

DNK mikročip – neki od njih mogu da simultano obave milione krvnih testova

Farmakogenomika (kombinacija farmakologije i genomike) je tehnologija koja analizira kako genetički skolop utiče na individualne response na lekove.[17] Ona se bavi uticajem genetičkih varijacija na respons na lekove kod pacijenata putem uspostavljanja korelacija genskog izražavanja ili jednonukleotidnih polimorfizama sa delotvornošću ili toksičnošću lekova.[18] Na taj način, farmakogenomika ima za cilj da razvije racionalna sredstva za optimizaciju terapije lekovima, uzimajući u obzir genotip pacijenta, da bi se osigurala maksimalna efikasnost uz minimalne neželjene efekte.[19] Takvi pristupi vode ka razvoju „personalizovane medicine“; kod koje su lekovi i kombinacije lekova optimizovane za svaki individualni jedinstveni genetički sklop.[20][21]

Računarski generisana slika insulinskog heksamers kojom se naglašava trostruka simetrija; joni cinka se drže zajedno, i histidinski ostaci učestvuju u vezivanju cinka.

Biotehnologija je doprinela otkrivanju i proizvodnji tradicionalnih lekova koji su mali molekuli kao i lekova koji su produkt biotehnologije – biofarmaceutika. Modernna biotehnologija se može koristiti za proizvodnju postojećih lekova relativno lako i jeftino. Prvi genetskim inženjerstvom dizajnirani proizvodi su bili lekovi namenjeni tretmanu ljudskih bolesti. Na primer, 1978. godine Genentech je razvio sintetički humanizovani insulin putem spajanja njegovog gena sa plazmidnim vektorom koji je unet u bakteriju Escherichia coli. Insulin, koji je u širokoj upotrebi kao tretman za dijabetes, je reanije bio ekstrahovan iz pankreasa zaklanih žovotinja (goveda i/ili svinja). Rezultirajuća genetički modifikovana bakterija je omogućila produkciju velikih količina sintetičkog ljudskog insulina uz relativno niske troškove.[22][23] Biotehnologija je isto tako omogućava razvoj tipova terapija u nastajanju poput genske terapije. Primena biotehnologije na osnovne nauke (na primer putem Projekat ljudskog genoma) je takođe dramatično uvećala naše razumevanje biologije i sa povećanjem našeg naučnog poznavanja biologije normalnog i bolesnog organizma, naša sposobnost razvijanja novih lekova za tretman ranije neizlečivih bolesti se povećala.[23]

Genetičko testiranje omogućava uspostavljanje genetičkih dijagnoza podložnosti naslednim bolestima, a isto tako se može koristiti za određivanje roditeljstva deteta (potvrđivanja genetičke majke i oca) ili generalno porekla osobe. Pored proučavanja hromozoma do nivoa pojedinačnih gena, genetičko testiranje u širom smislu obuhvata biohemijske testove za moguće prisustvo gentičkih bolesti, ili mutiranih formi gena asociranih sa povećanim rizikom razvoja genetičkih poremećaja. Genetičkim testiranjem se identifikuju promene u hromozomima, genima, ili proteinima.[24] Najčešće se testiranje koristi za pronalaženje promena koje su povezane sa naslednim bolestima. Rezultati genetičkog testa mogu da potvrde ili odbace pretpostavljeno genetičko stanje ili da pomognu u određivanju verovatnoće da data osoba razvije ili prenese genetički poremećaj. Godine 2011. je nekoliko stotina genetskih testovi bilo u upotrebi.[25][26] Genetsko testiranje može da otvori etičke ili psihološke probleme, i stoga je genetsko testiranje često povezano sa genetskim savetovalištima.

Tehnika kloniranja[uredi]

Kloniranje je postupak stvaranja genetički identičnih kopija nekog organizma. Sam proces kloniranja je sledeći: iz organizma davaoca uzima se somatska ćelija i spaja se sa neoplođenom jajnom ćelijom primaoca kojoj je uklonjeno jedro. Posle spajanja dve ćelije dolazi do razvića embriona koji se implantira u matericu surogat - majke, gde se dalje normalno razvija. Potomak je genetički isti kao organizam davaoca.

Prvi primer kloniranja sisara bila je ovca Doli, 1997. g.(U projektu kloniranja ovce Doli od 277 pokušaja kloniranja uspeo je samo jedan.)

Saopšteni su i podaci o uspešnom kloniranju različitih vrsta životinja (npr. miša, mačke). Kloniranje je, navodno, uspešno primenjeno i kod čoveka. (Može se klonirati i gen postupcima koji su opisani u genetički inženjering.) Postoje dve osnovne vrste kloniranja:

  • reproduktivno i
  • terapeutsko.

Reproduktivno kloniranje ima za cilj stvaranje nove jedinke, a terapeutskim kloniranjem se proizvode ćelije kojim bi se lečile bolesti (npr. paraliza, dijabetes i dr.)

Primer prirodnog kloniranja jesu jednojajni blizanci.

Osim gore opisanog pravog kloniranja, može se spomenuti još i transgeneza. Transgeneza označava prenos jednog ili više gena iz DNK jednog organizma u DNK primaoca. Prenos gena može se izvesti i između različitih vrsta, a takva životinja (biljka) se naziva transgena. Najpoznatiji primeri prve generacije transgenih biljaka koje su otporne na štetne insekte (sadrže transgen iz bakterije koji im daje sposobnost sinteze otrova efikasnog protiv insekata) ili herbicide. U drugu generaciju spadaju biljke kojima je poboljšan kvalitet – promenjen sastav masti, obogaćene su vitaminima i dr.

Reference[uredi]

  1. ^ Text of the CBD. CBD.int. Pristupljeno 2013-03-20.
  2. 2,0 2,1 "Incorporating Biotechnology into the Classroom What is Biotechnology?", from the curricula of the 'Incorporating Biotechnology into the High School Classroom through Arizona State University's BioREACH program', accessed on October 16, 2012). Public.asu.edu. Pristupljeno 2013-03-20.
  3. ^ Biotechnology Arhivirano na sajtu Wayback Machine (novembar 7, 2012) (jezik: engleski). Portal.acs.org. Pristupljeno 2013-03-20.
  4. ^ „Arhivirana kopija” (PDF). Arhivirano iz originala (PDF) na datum 7. 8. 2015. Pristupljeno 1. 6. 2017. 
  5. ^ What is biotechnology?. Europabio. Pristupljeno 2013-03-20.
  6. ^ KEY BIOTECHNOLOGY INDICATORS (December 2011). oecd.org
  7. ^ Biotechnology policies – Organization for Economic Co-operation and Development. Oecd.org. Pristupljeno 2013-03-20.
  8. ^ What Is Bioengineering? Arhivirano na sajtu Wayback Machine (јануар 23, 2013) (језик: енглески). Bionewsonline.com. Приступљено 2013-03-20.
  9. ^ See Arnold, John P. Origin and History of Beer and Brewing: From Prehistoric Times to the Beginning of Brewing Science and Technology. Cleveland, Ohio: BeerBooks. 1911.. 2005. ISBN 978-0-9662084-1-2. стр. 34. OCLC 71834130.
  10. ^ Cole-Turner, Ronald (2003). „Biotechnology”. Encyclopedia of Science and Religion. Приступљено 7. 12. 2014. 
  11. 11,0 11,1 Thieman, W. J.; Palladino, M. A. (2008). Introduction to Biotechnology. Pearson/Benjamin Cummings. ISBN 978-0-321-49145-9. 
  12. ^ Springham, D.; Springham, G.; Moses, V.; Cape, R. E. (1999). Biotechnology: The Science and the Business. CRC Press. стр. 1. ISBN 978-90-5702-407-8. 
  13. ^ "Diamond v. Chakrabarty, 447 U.S. 303 (1980). No. 79-139." United States Supreme Court. June 16, 1980. Приступљено May 4, 2007.
  14. ^ VoIP Providers And Corn Farmers Can Expect To Have Bumper Years In 2008 And Beyond, According To The Latest Research Released By Business Information Analysts At IBISWorld. Los Angeles (March 19, 2008)
  15. ^ The Recession List — Top 10 Industries to Fly and Fl... (ith anincreasing share accounted for by ...), bio-medicine.org
  16. ^ Gerstein, M. "Bioinformatics Introduction Архивирано на сајту Wayback Machine (јун 16, 2007) (језик: енглески)." Yale University. Retrieved on May 8, 2007.
  17. ^ Ermak G., Modern Science & Future Medicine (second edition), 164 p., 2013
  18. ^ Wang, L. (2010). „Pharmacogenomics: a systems approach”. Wiley Interdiscip Rev Syst Biol Med. 2 (1): 3—22. PMC 3894835Слободан приступ. PMID 20836007. doi:10.1002/wsbm.42. 
  19. ^ Becquemont, L. (2009). „Pharmacogenomics of adverse drug reactions: practical applications and perspectives”. Pharmacogenomics. 10 (6): 961—9. PMID 19530963. doi:10.2217/pgs.09.37. 
  20. ^ „Guidance for Industry Pharmacogenomic Data Submissions” (PDF). U.S. Food and Drug Administration. 2005. Приступљено 27. 8. 2008. 
  21. ^ Squassina A, Manchia M, Manolopoulos VG, Artac M, Lappa-Manakou C, Karkabouna S, Mitropoulos K, Del Zompo M, Patrinos GP (2010). „Realities and expectations of pharmacogenomics and personalized medicine: impact of translating genetic knowledge into clinical practice”. Pharmacogenomics. 11 (8): 1149—67. PMID 20712531. doi:10.2217/pgs.10.97. 
  22. ^ Bains, W. (1987). Genetic Engineering For Almost Everybody: What Does It Do? What Will It Do?. Penguin. стр. 99. ISBN 978-0-14-013501-5. 
  23. 23,0 23,1 U.S. Department of State International Information Programs, "Frequently Asked Questions About Biotechnology", USIS Online; available from USinfo.state.gov Archived 2007-09-12 at the Wayback Machine, accessed 13 September 2007. Cf. Feldbaum, C. (2002). „Some History Should Be Repeated”. Science. 295 (5557): 975. PMID 11834802. doi:10.1126/science.1069614. 
  24. ^ „What is genetic testing? – Genetics Home Reference”. Ghr.nlm.nih.gov. 30. 5. 2011. Приступљено 7. 6. 2011. 
  25. ^ „Genetic Testing: MedlinePlus”. Nlm.nih.gov. Приступљено 7. 6. 2011. 
  26. ^ „Definitions of Genetic Testing”. Definitions of Genetic Testing (Jorge Sequeiros and Bárbara Guimarães). EuroGentest Network of Excellence Project. 11. 9. 2008. Архивирано из оригинала на датум 4. 2. 2009. Приступљено 10. 8. 2008. 

Литература[uredi]

Spoljašnje veze[uredi]