Biologija in tehnologija
Razvoj biotehnologije
Že pred več kot 10 000 leti, v kameni dobi, so ljudje udomačili prve rastline in živali ter začeli izbirati osebke, ki so imeli bolj zaželene lastnosti, in jih med seboj načrtno križati; tako so dobili potomce, ki so združevali za človeka želene dobre lastnosti obeh starševskih osebkov. Pred 9500 leti so pridobili prvo alkoholno pijačo – pivo, pred okoli 8000 leti so iz grozdja pričeli pridobivati vino, iz mleka jogurt in sir, iz moke vzhajan kruh.
Vse do 19. stoletja ljudje niso vedeli, da so mikroorganizmi tisti, ki s svojim delovanjem omogočajo pridobivanje alkoholnih pijač, vzhajanje kruha ter pridelavo jogurtov in sirov. 19. stoletje pa je prineslo spoznanje o vlogi mikroorganizmov pri pripravi teh živil in pričela se je industrijska uporaba mikroorganizmov z namenom pridelave hrane – razvila se je biotehnologija. Kasneje so pričeli uporabljati mikroorganizme tudi za sintezo antibiotikov, vitaminov in encimov. Že desetletja se v kmetijstvu zavedamo vloge bakterij v prsti, ki prispevajo h kakovosti in količini pridelka, v čistilnih napravah pa se nekatere mikroorganizme uporablja za biološko čiščenje odpadne vode.
V kameni dobi so ljudje udomačili prve rastline in živali. Izbirali in križali so osebke, ki so imeli bolj zaželene lastnosti. Tako so dobili potomce, ki so imeli dobre lastnosti obeh starševskih osebkov. Pred okoli 8000 leti so iz grozdja pričeli pridobivati vino, iz mleka jogurt in sir, iz moke pa vzhajati kruh.
Kasneje so spoznali, da so mikroorganizmi tisti, ki s svojim delovanjem omogočajo pridobivanje alkoholnih pijač, vzhajanje kruha ter pridelavo jogurtov in sirov. Z industrijsko uporabo mikroorganizmov se je razvila biotehnologija. Kasneje so pričeli uporabljati mikroorganizme tudi za sintezo antibiotikov, vitaminov in encimov.
A pravi razmah je biotehnologija dosegla z genskim inženirstvom, to je tehnologijo, ki vključuje osamitev določenega dela DNA in pomnoževanje tega dela v velikem številu kopij.
Gensko inženirstvo se je pričelo leta 1972, ko sta se na kongresu na Havajih srečala dva znanstvenika, Herbert W. Boyer, ameriški biokemik, ki se je ukvarjal z zunajkromosomskimi krožnimi molekulami DNA, t. i. plazmidi, in ameriški genetik Stanley N. Cohen; slednji je preučeval encime, ki lahko na točno določenih zaporedjih nukleotidov režejo DNA, tako dobljene dele DNA pa je potem med seboj spet združeval s posebnim encimom, ki lahko povezuje končne nukleotide dveh delov DNA (t. i. ligaza). Znanstvenika sta ob klepetu na skupnem kosilu ugotovila, da bi bilo zanimivo rezati različne plazmide in tako dobljene dele plazmidov potem v novih kombinacijah ponovno združevati. Že naslednje leto sta o tem objavila članek.
O genskem inženirstvu govorimo takrat, ko vsaj dva po izvoru različna dela DNA med seboj povežemo v novo funkcionalno molekulo DNA. Gensko inženirstvo pomeni temelje za pripravo gensko spremenjenih organizmov (GSO). Skupna lastnost vseh gensko spremenjenih organizmov je, da ob sebi lastnih genih vsebujejo tudi tuje gene – gene iz drugih organizmov ali umetno spremenjene lastne gene.
O genskem inženirstvu govorimo, kadar dva po izvoru različna dela DNA med seboj povežemo v novo funkcionalno DNA. Organizme, ki poleg sebi lastnih genov vsebujejo tudi tuje gene, imenujemo gensko spremenjeni organizmi (GSO).
Gensko inženirstvo se je od prvega poskusa leta 1972 hitro razvijalo in tako imamo danes kopico različnih gensko spremenjenih organizmov. Eden največjih uspehov genskega inženirstva je bila priprava bakterij Escherichia coli, ki vsebujejo človeški gen za beljakovino inzulin in jih uporabljamo v proizvodnji človeškega hormona inzulina. Do leta 1982 so namreč inzulin, ki ga sladkorni bolniki potrebujejo za svoje zdravljenje, lahko pridobivali le z izolacijo iz trebušnih slinavk goveda in prašičev. A ta živalski inzulin se od človeškega nekoliko razlikuje in je bil pogosto vzrok hudih alergijskih reakcij pri bolnikih, ki so ga uporabljali; pri uporabi človeškega hormona, ki ga pridobivajo iz gensko spremenjenih bakterij Escherichia coli, pa se to ne dogaja.
Eden največjih uspehov genskega inženirstva je bakterija Escherichia coli, ki vsebujejo človeški gen za beljakovino inzulin. Tako spremenjene bakterije uporabljamo za proizvodnjo človeškega hormona inzulina.
Na podoben način kot inzulin od leta 1987 pridobivamo z bakterijo Escherichia coli tudi beljakovinski rastni hormon (somatotropin). Potrebujejo ga otroci, ki jim primanjkuje lastnega hormona in so zato zavrti v rasti. V medicini pa ga uporabljajo tudi pri celjenju ran, opeklin in kostnih prelomov.
Tudi cepiva, ki jih uporabljamo za zaščito pred zelo različnimi boleznimi, so pogosto pripravljena z genskim inženirstvom. Tako na primer že od leta 1986 s pomočjo kvasovk izdelujemo cepivo proti hepatitisu B. V kvasovke so namreč vnesli gen za površinsko beljakovino virusa hepatitisa B in tako zdaj te gensko spremenjene kvasovke izdelujejo to virusno beljakovino. Pridobljena virusna beljakovina je sestavni del cepiva proti hepatitisu B, ki ga vbrizgamo ob cepljenju.
Gensko spremenjene organizme uporabljamo tudi v kmetijstvu. Eden najbolj znanih primerov gensko spremenjenih rastlin je koruza, ki vsebuje gen za Bt-toksin bakterije Bacillus thuringiensis, ki živi v prsti. Gen za Bt-toksin ima zapis za beljakovino, ki je strupena. Iz bakterije so gen za Bt-toksin osamili in ga vstavili v DNA koruze. Takšna gensko spremenjena koruza sintetizira Bt-toksin in žuželke, ki se hranijo s koruzo, tako dobijo v svoja prebavila tudi ta toksin. Toksin deluje v prebavilih žuželk in njihovih ličink ter povzroči njihovo smrt. Tako je gensko spremenjena koruza zaščitena pred žuželčjim objedanjem.
Primeri gensko spremenjenih organizmov so bakterije Escherichia coli, ki proizvajo rastni hormon, kvasovke, s pomočjo katerih izdelujemo cepivo proti hepatitisu B, in gensko spremenjena koruza, ki je zaščitena pred žuželčjim objedanjem.
V kmetijstvu pogosto uporabljajo tudi rastline (soja, navadna ogrščica, bombaž), ki so jih gensko spremenili tako, da so zdaj odporne proti herbicidom, snovem, ki uničujejo rastline. Če tak herbicid uporabljajo na njivi, kjer gojijo gensko spremenjene poljščine, odporne proti temu herbicidu, na njivi zraste samo gojena poljščina in nobena druga rastlina, s čimer se donos zelo poveča.
V kmetijstvu uporabljajo tudi gensko spremenjene živali. Tako so na primer v prašiče vnesli gen za človeški rastni hormon. Takšni gensko spremenjeni prašiči rastejo hitreje in prej dosežejo primerno težo za zakol. Tudi v krape so vstavili gen za rastni hormon, in sicer tistega iz postrvi. Takšni gensko spremenjeni krapi rastejo hitreje. Sebi v prid želimo spremeniti tudi druge lastnosti domačih živali. Obstajajo na primer gensko spremenjene krave, ki imajo dodan gen za hormon, katerega posledica je povečana količina mleka.
V Evropi za raziskave GSO, njihovo pridelavo in uporabo v živilih velja zelo stroga zakonodaja. Zakonodaja s tega področja je obširna in ureja vse vidike gojenja rastlin in živali, poskuse z njimi ter proizvodnjo in označevanje izdelkov, ki so izdelani iz GSO ali vsebujejo vsaj 0,9 % GSO. Seznami GSO, podjetij in raziskovalnih ustanov, ki delujejo na področju GSO, so javno dostopni.
V kmetijstvu pogosto uporabljamo gensko spremenjene rastline in živali. S tem povečamo pridelavo poljščin ali sebi v prid spremenimo lastnosti domačih živali.
Na področju GSO v Evropi velja zelo stroga zakonodaja.
V slovenski zakonodaji je GSO definiran kot organizem (z izjemo človeka) ali mikroorganizem, katerega genski material je spremenjen s postopki, ki spreminjajo genski material drugače, kot to poteka v naravnih razmerah s križanjem ali naravno rekombinacijo (Zakon o ravnanju z gensko spremenjenimi organizmi – Uradni list RS 23/2005 UPB-1 in 21/2010).
Kloniranje
V biotehnologiji se pogosto uporabljajo različne oblike kloniranja kot načina nespolnega razmnoževanja. Pri tem nastanejo kloni nekega organizma, ki so vsi genetsko enaki izhodiščnemu organizmu.
Celice (bakterijske, glivne, rastlinske in živalske) lahko nanesemo na gojišča, kjer se lahko nato zaradi ustreznih dejavnikov delijo in se tako pomnožujejo. Tako nastane kultura celic, ki imajo vse enako dedno snov, saj izhajajo iz ene same celice. Takšnemu kloniranju rečemo celično kloniranje.
V rastlinski biotehnologiji pogosto uporabljamo kloniranje s pomočjo drobnih delov rastlin. Drobne dele rastlin, npr. del lista, del korenine ali del stebla, nanesemo na gojišča, ki imajo vse potrebne sestavine, da se na njih lahko razvije sicer majhna, a celotna rastlina. Kasneje jo lahko prestavimo v zemljo, kjer normalno raste naprej.
Kloniranje z zamenjavo celičnega jedra je značilen postopek v živalski biotehnologiji. Pri tem kloniranju jedro iz živalske telesne celice prenesejo v jajčno celico iste vrste živali, ki so ji jedro predhodno odstranili. Jajčna celica s prenesenim jedrom se nato deli in v celični kulturi se iz nje razvije zgodnji zarodek, ki ga nato, če klonirajo sesalca, vstavijo v maternico nadomestne »matere«, kjer se do konca razvije. Prvi sesalec, ki so ga klonirali na tak način, je bila ovca Dolly, ki se je skotila 5. julija 1996.
Kloniranje je način nespolnega razmnoževanja. Pri tem nastanejo kloni nekega organizma, ki so vsi genetsko enaki izhodiščnemu organizmu. Poznamo celično kloniranje, kloniranje s pomočjo drobnih delov rastlin in kloniranje z zamenjavo celičnega jedra.
