If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Jeżeli jesteś za filtrem sieci web, prosimy, upewnij się, że domeny *.kastatic.org i *.kasandbox.org są odblokowane.

Główna zawartość

Wprowadzenie do biotechnologii

Czym jest biotechnologia. Przegląd technologii DNA. Kwestie etyczne w biotechnologii.

Kluczowe punkty:

  • Biotechnologia to dziedzina nauki wykorzystująca organizm, jego składnik lub inne systemy biologiczne, aby otrzymać określony produkt lub przeprowadzić określony proces.
  • Wiele form nowoczesnej biotechnologii opiera się na inżynierii genetycznej.
  • Inżynieria genetyczna stanowi sekwencjonowanie, analizę oraz wycinanie fragmentów DNA i umieszczanie ich w innych częściach genomu.
  • Powszechnie stosowane metody inżynierii genetycznej to sekwencjonowanie DNA, kopiowanie DNA, reakcja łańcuchowa polimerazy i elektroforeza żelowa.
  • Wynalazki biotechnologii mogą wzbudzać obawy ze strony praktycznej i etycznej, które należy rozwiązywać dzięki świadomemu wkładowi ze strony całego społeczeństwa.

Wprowadzenie

O czym pomyślałeś, gdy pierwszy raz usłyszałeś słowo "biotechnologia"? Może o rzeczach, które widujemy w mediach, na przykład sklonowana owieczka Dolly, genetycznie modyfikowane organizmy lub terapia genowa.
Eksponat owieczki Dolly, która była pierwszym sklonowanym ssakiem. Oznacza to, że była identyczną pod względem genetycznym "kopią" inne owcy.
Zmodyfikowana ilustracja "Owca Dolly, National Museums of Scotland, Edinburgh," autorstwa Mike Pennington (CC BY-SA 2.0). Modyfikacja ilustracji na mocy licencji CC BY-SA 2.0.
Jeśli o tym pomyślałeś, masz absolutną rację: powyższe przykłady są zasługami biotechnologii. Ale co z produkcją piwa, uprawami roślin i antybiotykami takimi jak penicylina? To również przykłady procesów i produktów uzyskanych dzięki biotechnologii, a niektóre z nich towarzyszą nam od tysięcy lat.
W tym artykule zaczniemy od omówienia definicji biotechnologii, przyjrzymy się, jak wiele różnorodnych organizmów możemy wykorzystywać (lub też cząsteczek albo procesów przeprowadzanych przez organizmy), aby uzyskać docelowe, przydatne ludziom produkty. Następnie, trochę bardziej szczegółowo omówimy inżynierię genetyczną — techniki manipulacji i sekwencjonowania DNA. Inżynieria genetyczna ma kluczowe znaczenie w bardzo wielu nowoczesnych procesach biotechnologicznych.

Czym jest biotechnologia?

Biotechnologia to dziedzina nauki wykorzystująca organizm, cząsteczkę lub procesy przeprowadzane przez organizmy w celu uzyskania określonego produktu, lub przeprowadzenia określonego procesu.
Jest to bardzo szeroka definicja, a jak wspomniano wcześniej, zawierają się w niej zarówno najnowocześniejsze techniki laboratoryjne, jak i zwyczajne praktyki rolnicze czy kulinarne stosowane od setek lat. Przyjrzyjmy się trzem przykładom zastosowania biotechnologii i ich definicji:
  • Piwowarstwo. W tym przemyśle, małe grzyby (drożdże) są wprowadzane do roztworu ekstraktu słodu jęczmiennego, gdzie zaczynają metabolizować w procesie zwanym fermentacją. Produktem ubocznym fermentacji jest alkohol, który znajduje się w piwie. Jest to przykład wykorzystania organizmów — drożdży — do produkcji artykułów spożywczych.
  • Penicylina. Ten antybiotyk jest produkowany przez niektóre pleśnie. By wytworzyć małe ilości penicyliny używanej we wczesnych badaniach klinicznych, naukowcy musieli wyhodować aż 500 litrów "soku pleśniowego” tygodniowo1. Od tego czasu proces produkcji penicyliny był stopniowo ulepszany do produkcji przemysłowej, z wykorzystaniem pleśni produkujące więcej penicyliny i w korzystniejszych warunkach hodowlanych2. Ten przykład to wykorzystanie organizmy (pleśni) do produkcji leku — w tym przypadku antybiotyku zwalczającego infekcje bakteryjne.
Zmodyfikowana ilustracja "Sample of penicillin mould presented by Alexander Fleming to Douglas Macleod," (CC BY-SA 2.0). Ilustracja została zmodyfikowana na mocy licencji: CC BY-SA 2.0
  • Terapia genowa. Jest to wschodząca technika stosowana w leczenie zaburzeń genetycznych, spowodowanych niefunkcjonalnymi genami. Polega na dostarczaniu „brakujących” genów do materiału genetycznego komórek. Na przykład, ludziom chorującym na mukowiscydozę brakuje genu, który warunkuje powstawanie kanałów chlorkowych w płucach. W ostatnio przeprowadzonych, próbnych badaniach klinicznych wprowadzono prawidłową kopię tego genu do kolistej cząsteczki DNA (zwanej plazmidem) i dostarczono ją do komórek płuc pacjentów w otoczkach błonowych — całość miała postać aerozolu przyjmowanego doustnie.
    W tym przykładzie, składniki biologiczne z różnych źródeł (prawidłowy gen pochodził od ludzi, natomiast plazmid i otoczki błonowe od bakterii) zostały połączone, by stworzyć nowy produkt, który umożliwił ludziom chorym na mukowiscydozę utrzymanie prawidłowej czynności płuc.
Jak pokazują powyższe przykłady, biotechnologia umożliwia produkcję, z którą spotykamy się codziennie, na przykład alkohol i penicylina. Może również służyć do opracowania nowych zabiegów medycznych, takich jak terapia genowa dla pacjentów z mukowiscydozą. Biotechnologia wykorzystywana jest również w takich dziedzinach jak produkcja żywności i rekultywacja (oczyszczanie) zanieczyszczonych środowisk.

Czym jest inżynieria genetyczna?

Wiele przykładów nowoczesnej biotechnologii zależą od umiejętności analizowania, manipulowania, wycinania i wklejania fragmentów DNA. Określenie na proces sekwencjonowania i manipulowania materiałem genetycznym jest inżynieria genetyczna. Na przykład, do próbnej terapii genowej dla pacjentów chorych na mukowiscydozę, naukowcy użyli technik inżynierii genetycznej, aby wkleić gen kodujący tworzenie kanałów chlorowych do fragmentu transferowego DNA (tzw. transpozony), które pozwoliły mu na ekspresję w komórkach płuc ludzi.
Technologia DNA jest ważna zarówno dla biologii teoretycznej, jak i praktycznej (stosowanej). Na przykład, technika używana do produkcji wielu kopii tego samego fragmentu DNA zwana reakcją łańcuchową polimerazy (PCR) jest używana w wielu skomplikowanych testach diagnostycznych i kryminalistycznych, jak i również w podstawowych badaniach laboratoryjnych.

Przykłady inżynierii genetycznej

Przyjrzyjmy się niektórym przykładom analizy i manipulacji DNA, które są powszechnie używane w nowoczesnej biologii molekularnej. Możesz użyć poniższych linków, aby znaleźć bardziej szczegółowe informacje na temat tych technik.
  • Klonowanie DNA: w klonowaniu DNA, naukowacy "klonują" - produkują wiele kopii - określonego fragmentu DNA, np. genu. W wielu przypadkach, klonowanie DNA polega na wklejeniu docelowego genu do kolistej cząsteczki DNA, zwanej plazmidem. Plazmid następnie ulega replikacji w komórkach bakterii, produkując w ten sposób wiele jego kopii. W niektórych przypadkach, wklejony w plazmid gen ulega ekspresji w wyniku czego bakteria zaczyna syntezować białka (np. insulinę używaną przez osoby chore na cukrzycę).
  • Reakcja łańcuchowa polimerazy: PCR jest kolejną powszechnie używaną techniką manipulacji DNA w niemal każdej dziedzinie współczesnej biologii. Reakcje PCR produkują wiele kopii określonej sekwencji DNA. Ta technika umożliwia uzyskanie wielu kopii DNA, które występuje w bardzo niewielkich ilościach (np. kropla krwi na miejscu przestępstwa).
  • Elektroforeza żelowa: Elektroforeza żelowa jest techniką używaną do wizualizacji (stworzeniem obrazu) fragmentów DNA. Na przykład, naukowcy mogą analizować wyniki PCR badając fragmenty DNA uwidocznione na żelu. Elektroforeza żelowa odziela fragmenty DNA ze względu na ich rozmiar, następnie są one wybarwiane w celu wizualizacji.
    Oparte na podobnym schemacie z Reece et al.5
  • Sekwencjonowanie DNA: Sekwencjonowanie DNA polega na określaniu sekwencji zasad nukleotydowych (adeniny, tyminy, cytozyny i guaniny) w cząsteczce DNA. W niektórych przypadkach, tylko jeden fragment ulega sekwencjonowaniu na raz, natomiast w innych przypadkach komplet fragmentów DNA (np. kilka części DNA tworzących genom) mogą ulegać sekwencjonowaniu grupowo.
W powyższych linkach, możesz szczegółowo zobaczyć jak wymienione techniki działają oraz przykłady ich zastosowania w nauce, medycynie i innych dziedzinach.

Biotechnologia stwarza nowa pytania etyczne

Biotechnologia ma potencjał, aby przynieść korzyści ludziom i społeczeństwom, ale może nieść też negatywne skutki i konsekwencje. Jest to fakt dotyczący wszystkich form technologii, nie tylko biotechnologii. Jakkolwiek, biotechnologia oferuje różnorodne typy korzyści i stwarza nieco inne wątpliwości etyczne.
To ważne, że innowacje biotechnologiczne (tak samo jak inne innowacje technologiczne) są starannie testowane i analizowane zanim zostaną dopuszczone do użytku. Badania kliniczne i rozporządzenia rządowe pomagają w zapewnianiu ludzi, że wprowadzane na rynek produkty biotechnologiczne są bezpieczne i skuteczne. Jednak czasami nowe informacje stają się ogólnodostępne co sprawia, że przedsiębiorstwa i agencje rządowe ponownie rozpatrują bezpieczeństwo i użyteczność tychże innowacji. Możemy obserwować to zjawisko, gdy leki od czasu do czasu ulegają wycofaniu przez rząd.
Ponadto, innowacje biotechnologiczne mogą rodzić nowe pytania etyczne dotyczące tego, jak należy lub nie należy wykorzystywać informacji, technik i wiedzy.
  • Niektóre z nich związane są z prywatnością i brakiem dyskryminacji. NA przykład czy firma ubezpieczeniowa powinna wycenić swoje usług drożej dla osoby, która posiada gen narażający ją na rozwój chorób? Jak byś się poczuł gdyby szkoła lub pracodawca mieli wgląd w Twój genom?
  • Inne wątpliwości odnoszą się do bezpieczeństwa biotechnologii oraz jej wpływu na zdrowie i środowisko ekologiczne. Na przykład, genetycznie modyfikowane uprawy potrafią same wytwarzać substancje chroniące je przed szkodnikami, aby zredukować użycie chemicznych oprysków, ale co za tym idzie podnosi to prawdopodobieństwo, że te rośliny wydostaną się ze strefy upraw i zaczną niekontrolowanie krzyżować się z innymi roślinami (potencjalnie powodując niezamierzone zmiany ekosystemu).
  • Biotechnologia może dostarczać wiedzę, która stwarza dylematy dla osób fizycznych. Na przykład, para może dowiedzieć się za pośrednictwem badań prenatalnych czy płód posiada jakiekolwiek zaburzenia genetyczne - czy zdecydują się donoszenie ciąży i wychowanie takiego dziecka? W podobny sposób, osoba dorosła może przez sekwencjonowanie genomu dowiedzieć się, że jest aktualnym nosicielem nieuleczalnej choroby, która za jakiś czas zacznie się objawiać (np. pląsawica Huntingtona) - czy zdecyduje się ona na posiadanie potomstwa, któremu te chorobę może przekazać?
Badania naukowe i rozwój może dostarczać nam nowych informacji, technik i wiedzy. Jakkolwiek, sama nauka nie potrafi odpowiedzieć na pytania czy powinny być one stosowane czy nie. To ważne aby wszyscy członkowie społeczeństwa mogli wyrazić swoje zdanie na temat innowacji biotechnologicznych i tego jak jej produkty mogą wpływać na nasze życie.

Edukuj siebie i poszerzaj swoje perspektywy

Zrozumienie podstaw biologii, na których opiera się biotechnologia jest pierwszym, niezwykle ważnym krokiem do oceny korzyści i potencjalnych zagrożeń. Informacje zawarte w tej części artykułu pomogą Ci rozpocząć zbieranie wiedzy na temat nowych wynalazków biotechnologii i ich działania.
Jeżeli zaciekawił Cię określony typ biotechnologii lub zaniepokoiły Cię jego potencjalne konsekwencje, jest to świetny powód aby zacząć własną edukację. Poszukaj wiarygodnych i obiektywnych źródeł, a następnie postaraj się zrozumieć opinie obu stron. Upewnij się, że w pełni rozumiesz procesy odpowiadające za wynalazek, co jest wiadome (i co nie) na jego temat oraz jakie są jego wady i zalety. Wtedy, będziesz w stanie wyrazić swoją własną dobrze przemyślaną i popartą dowodami opinię.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Na razie brak głosów w dyskusji
Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.