Въведение в биотехнологиите

Ключови точки:

• Биотехнология е използването на организъм или част от организъм или друга биологична система за създаването на продукт или процес.
• Много видове модерни биотехнологии зависят от ДНК технология.
• ДНК технология е секвенирането, анализа и изрязването-и-поставянето на ДНК.
• Често срещани видове ДНК технологии включват ДНК секвениране, полимеразна верижна реакция, ДНК клониране и гел електрофореза.
• Биотехнологичните изобретения могат да доведат до нови практически проблеми и етични въпроси, които трябва да бъдат разрешени с информирана обратна връзка от цялото общество.

Въведение

Какво е биотехнология?

• Варене на бира. При варенето на бира малки гъбички (дрожди) се поставят в разтвор на малцова ечемичена захар, която бързо метаболизират чрез процес, наречен ферментация. Страничният продукт на ферментацията е алкохолът, който се съдържа в бирата. Тук виждаме един организъм – дрождите – да се използва за производство на продукт за човешка консумация.
• Пеницилин. Антибиотикът пеницилин е създаден от определени видове плесен. За да се направят малки количества пеницилин за използване в ранните клинични изпитвания, изследователите трябвало да отгледат до $500$‍ литра "сок от плесен" за една седмица${}^1$‍. Оттогава процесът е бил подобрен за индустриално производство с използването на високопродуктивни щамове плесен и по-добри условия за културите, за да се увеличи добивът${}^2$‍. Тук виждаме как един организъм (плесен) се използва за направа на продукт за човешка употреба – в този случай това е антибиотик за лечение на бактериални инфекции.

• Генна терапия. Генната терапия е развиваща се техника, използвана за лечение на генетични разстройства, които са причинени от нефункционален ген. Например на хората с генетичното заболяване цистична фиброза им липсва функцията на един ген за хлоридния канал в клетките на белите дробове. В едно скорошно клинично изпитване на генна терапия едно копие на нормално функциониращия ген било вмъкнато в кръгова ДНК молекула, наречена плазмид, и бил доставено в клетките на белите дробове на пациента в сфери, оградени с мембрана (във вид на спрей)${}^3$‍.
  В този пример биологични компоненти от различни източници (ген от хората, плазмид от бактерии) били комбинирани за създаване на нов продукт, който помага за запазване на функцията на белия дроб при пациенти с цистична фиброза.

Какво е ДНК технология?

Примери за ДНК технологии

• ДНК клониране. При ДНК клонирането изследователите "клонират" – правят много копия от един интересуващ ги ДНК фрагмент, например даден ген. В много случаи ДНК клонирането включва вмъкване на един целеви ген в кръгова ДНК молекула, наречена плазмид. Плазмидът може да бъде репликиран в бактерии, създавайки много копия на интересуващия ни ген. В някои случаи генът може да се експресира в бактериите, създавайки протеин (като инсулина, използван от диабетиците).

  Вмъкване на ген в плазмид.

• Полимеразна верижна реакция (PCR). Полимеразната верижна реакция е друга широко използвана техника за манипулация на ДНК с приложения в почти всяка област на модерната биология. PCR реакциите произвеждат много копия от една целева ДНК поредица, започвайки от една част от шаблонното ДНК. Тази техника може да бъде използвана за създаване на много копия ДНК, което е налице в незначителни количества (като в капчица кръв на местопрестъпление).
• Гел електрофореза. Гел електрофорезата е технология, която се използва, за да се визуализират (да се видят директно) ДНК фрагменти. Например изследователите могат да анализират резултатите от една PCR реакция, като проучат ДНК фрагментите, които тя произвежда, върху гел. Гел електрофорезата разделя ДНК фрагментите въз основа на големината им, като фрагментите се оцветяват, така че изследователят да може да ги види.

  ДНК фрагменти мигрират през гела от отрицателния към положителния електрод.

  След пропускането им през гела фрагментите се разделят по големина, като най-малките са близо до дъното (положителния електрод), а най-големите са близо до върха (отрицателния електрод).

• ДНК секвениране. ДНК секвенирането представлява определяне на последователността на нуклеотидните бази (А, Т, Ц и Г) в една молекула ДНК. В някои случаи само една част от ДНК се секвенира, докато в други случаи голяма съвкупност ДНК фрагменти (като тези от целия геном) може да бъдат секвенирани като група.

  Какво е геном?

  Геном представлява съвкупността от цялата ДНК на един организъм.

  При еукариотите, които имат ядро в клетките си, което съдържа тяхното ДНК, думата геном обикновено се използва за ядрения геном (ДНК, което се намира в ядрото), изключвайки ДНК, което е в органелите като хлоропласти или митохондрии.

Биотехнологията повдига нови етични въпроси

• Някои от тях са свързани с личната информация и недопускането на дискриминация. Например трябва ли компаниите за здравни осигуровки да могат да таксуват повече, ако имаш ген, който повишава вероятността да развиеш дадено заболяване? Как ще се чувстваш, ако училището или работодателят ти имат достъп до генома ти?
• Други въпроси са свързани с безопасността, ефектите върху здравето или върху екологичното въздействие на биотехнологиите. Например растителни култури, генетично модифицирани така, че да синтезират собствен инсектицид, намаляват нуждата от пръскане с химикали, но тази генетична модификация също така буди тревога, че растенията ще се разпространят и в дивата природа или ще се случи междувидово кръстосване с местни популации (потенциално водейки до нежелани екологични последици).
• Биотехнологиите може да осигурят знание, което създава сложни дилеми за хората. Например една двойка може да научи чрез пренатално изследване, че фетусът има генетично разстройство. Подобно, човек, чийто геном е секвениран от любопитство, може да научи, че ще развие нелечимо, късно проявяващо се генетично заболяване като Хънтингтън, например.

Информирай се и сподели мнението си