BIOTECHNOLOGIA w-dy.doc

BIOTECHNOLOGIA (Wiesław Przybylski)

WYKŁAD 1                                                                                                                                            8.10.2009

Znaczenie gospodarcze i społeczne biotechnologii we współczesnym świecie

Dane dotyczące rozwoju produkcji rolniczej świata – liczba ludzi, bydła i świń w roku 1913 i 1999

Produkcja najważniejszych produktów rolniczych na przestrzeni ostatnich 50 lat

Sam termin „biotechnologia” wywodzi się z trzech słów greckich: bios – życie, technos – technika oraz logos – myślenie.

Biotechnologia – interdyscyplinarna dziedzina nauki obejmująca różne kierunki technicznego wykorzystania materiałów i procesów biologicznych

· Biotechnologia tradycyjna

· Biotechnologia nowoczesna

Konwencja o różnorodności biologicznej ONZ

Biotechnologia oznacza zastosowanie technologiczne, które używa systemów biologicznych, organizmów żywych lub ich składników, żeby wytwarzać lub modyfikować produkty lub procesy o określonym zastosowaniu.

Biotechnologia jest interdyscyplinarną dziedziną łączącą w sobie nauki przyrodnicze i techniczne obejmującą badanie, wytwarzanie i wykorzystanie DNA/RNA, białek/enzymów, drobnoustrojów, kultur komórkowych, w procesach modyfikacji genetycznej, biosyntezy, biotransformacji, bioutylizacji, a także wyodrębnienie i modyfikację tak otrzymywanych bioproduktów

(W. Bednarski, J. Fiedurek, 2007)

Biotechnologia tradycyjna wykorzystuje do produkcji przemysłowej drobnoustroje, komórki lub całe organizmy roślin i zwierząt bez zmian w aparacie genetycznym.

Biotechnologia nowoczesna stosuje metody inżynierii genetycznej w celu dostosowania drobnoustrojów lub komórek eukariotycznych organizmów do potrzeb produkcyjnych.

Europejska Federacja Biotechnologii definiuje biotechnologię jako integrację nauk przyrodniczych i inżynieryjnych w celu osiągnięcia zastosowań organizmów, komórek lub ich części oraz molekularnych analogów dla pozyskania produktów i usług.

Historia biotechnologii

· Jest najstarszym kierunkiem gospodarczej działalności człowieka, pomimo, że sam termin „biotechnologia” został wprowadzony w naszych czasach.

· Już  7 tys lat temu najstarszymi technikami biotechnologii były: wypiek chleba, wyrób produktów mlecznych, produktów fermentacji wino i piwo

· Wyróżnia się 3 okresy – przedpasteurowski, przejściowy, nowoczesnej biotechnologii

Okres przedpasteurowski zaczyna się od zarania historii ludzkości do połowy XIX wieku. Człowiek epoki przedpasteurowskiej wykorzystywał mikroorganizmy do produkcji, nie mając świadomości o istnieniu tych organizmów i mechanizmów ich działania. Poza praktycznymi spostrzeżeniami ta długa epoka kończy się osiągnięciami poznawczymi, które zapoczątkowały późniejszy rozwój biologii w ujęciu molekularnym, jak też rozszerzeniem możliwości produkcyjnych

Oto niektóre fakty z historii nauki:

1770-1774 – J. Priestley odkrył tlen i wykazał, że jest on niezbędny dla życia zwierząt i że jest produkowany przez rośliny

1770-1786 – W. Scheelew otrzymał z naturalnego materiału produkty fermentacji: glicerynę, kwasy: cytrynowy, mlekowy, jabłkowy i moczowy

1806 – N.L. Vauquelin i P.J. Robiquet uzyskali pierwszy aminokwas – asparaginę

1833 – B. Paten i J. Persoz otrzymali czystą amylazę z ziaren pszenicy

Okres przejściowy – zapoczątkowany w II połowie XIX wieku badaniami Ludwika Pasteura zakończyły lata 40 XX wieku. Była to era mikrobiologicznych początków współczesnej biotechnologii wykorzystującej czyste kultury drobnoustrojów w warunkach aseptycznych

1854-1864 – Ludwik Pasteur udowodnił, że drożdże fermentują cukier gronowy do etanolu

1872 – G. Brefeld wprowadził do praktyki przemysłowej czyste kultury pleśni

1918 – w Anglii M Weigman wykorzystał pałeczki z rodzaju Clostridium do produkcji butanolu i acetonu jako produktów fermentacji acetonowo-butanolowej. Butanol stał się surowcem do produkcji kauczuku, a aceton do produkcji materiałów wybuchowych. W tym czasie w Niemczech uruchomiono mikrobiologiczną produkcję glicerolu jako surowca do produkcji nitrogliceryny i rozpoczęto mikrobiologiczną produkcję kwasu cytrynowego przy użyciu Aspergillus niger oraz produkcję enzymów proteolitycznych.

W latach 1936-1939 opracowano fermentory z mieszaniem i napowietrzaniem oraz wyjaławianiem powietrza przez filtracje.

Era nowoczesnej biotechnologii rozpoczęła się w latach 40 i wiązała się z uruchamianiem wielkoprzemysłowej produkcji antybiotyków (odkrycie penicyliny przez A. Fleminga w 1942), witamin, nukleotydów, hormonów roślinnych, takich jak gibereliny, leków steroidowych.

Do produkcji wyosabniano z naturalnego środowiska wydajne szczepy mikroorganizmów i ulepszano je przez stosowanie mutagenizacji. Nowoczesne metody genetyczne rozwinięto w latach 70. Dla ulepszenia szczepów produkcyjnych stosowano diploidyzację, hybrydyzację i konstrukcje nowych genotypów metodami inżynierii genetycznej, co dało początek nowoczesnej biotechnologii. Na nowoczesną biotechnologię składają się sukcesy naukowe wielu dziedzin nauk biologicznych, a kamieniami milowymi tego postępu są osiągnięcia w okresie poprzedzającym lata 70. i okres od lat siedemdziesiątych do końca XX wieku.

Kamienie milowe w rozwoju biotechnologii

1866 – ogłoszenie teorii dziedziczenia przez Grzegorza Mendla stanowiącej podstawę współczesnej genetyki

1944 – dowiedziono, że transformacja bakterii zachodzi dzięki DNA, a nośnikiem informacji genetycznej nie są białka

1953 – odkrycie struktury DNA (podwójna helisa) i przedstawienie teorii na temat mechanizmu przenoszenia informacji genetycznej przez F. Cricka i J Watsona.

1958 – dowiedzenie przez F Cricka, że DNA koduje RNA, a RNA syntetyzuje białko

1965 – złamanie kodu DNA – odkryto, że trzy z czterech zasad A, T, G i C połączone ze sobą w różnych konfiguracjach, tworzą matrycę (kodon), kodującą dany aminokwas

1969 – odkrycie enzymów (restryktaz), które potrafią przeciąć nić DNA w specyficznym miejscu

1972 – pierwsza zrekombinowana cząsteczka DNA – w sposób sztuczny utworzona z 2 różnych wirusów

1973 – pierwsze przeniesienie materiału genetycznego z jednego organizmu do drugiego – powstają podwaliny nowoczesnej biotechnologii – nauki zastosowanej w praktyce

1975 – potwierdzenie, iż bakteria (Agrobacterium tumefaciens) potrafi przenosić „na stałe” obcy materiał genetyczny do komórek rośliny

1978 – ludzka insulina (lekarstwo dla diabetyków) może być produkowana przez zrekombinowane bakterie

1986 – pierwsza roślina (petunia) ze zmienioną informacją genetyczną

1987 – pierwsza roślina uprawna została uodporniona na chorobę wirusową – pomidor odporny na wirusa mozaiki tytoniu

1994 – pierwszy „zmodyfikowany genetycznie” produkt spożywczy na rynku – pomidor FlavrSavr „z wyłączonym” genem odpowiedzialnym za gnicie

1997 – pierwsze badania polowe w Polsce – z ziemniakiem odpornym na stonkę i burakami pastewnymi odpornymi na herbicyd Roundup Ready

2000 – ogłoszenie poznania genomu ludzkiego

2004 – w tym roku areał roślin uprawnych ulepszonych dzięki biotechnologii przekracza 81 mln ha.

Biała biotechnologia – zastosowanie w przemyśle – wykorzystuje ona żywe komórki np. pleśni drożdży czy bakterii oraz enzymy do wytwarzania nowych produktów lub inicjowania procesów przetwórczych. Mikroorganizmy wykorzystywane w białej biotechnologii są zwykle zmodyfikowane przy zastosowaniu inżynierii genetycznej. Ulepszone w ten sposób komórki mikroorganizmów pracują jako komórkowe fabryki w bioreaktorach, produkując np. liczne enzymy dla przemysłu chemicznego.

Czerwona biotechnologia – jest związana z medycyną i ochroną zdrowia a wykorzystuje się ją przy tworzeniu nowych leków, w diagnostyce, profilaktyce i leczeniu dotychczas nieuleczalnych chorób. Ulepszone mikroorganizmy wytwarzają antybiotyki, witaminy, szczepionki i białka właśnie na użytek medycyny. Preparaty biotechnologiczne stanowią obecnie około 20% sprzedawanych lekarstw i około 50% nowych badanych leków.