ביוטכנולוגיה והנדסה גנטית: סקירה כללית

תוֹכֶן

• TL; DR (יותר מדי זמן; לא קרא)
• הנדסה גנטית לשינוי אורגניזם
• בחירה מלאכותית הייתה ההנדסה הגנטית הקדומה ביותר
• האורגניזם הראשון שהונדס גנטית
• צורות עתיקות אחרות להנדסה גנטית
• הנדסה גנטית מודרנית
• שילוב DNA משני מינים
• היסטוריה מודרנית של הנדסה גנטית
• הקשר בין הנדסה גנטית לביוטכנולוגיה
• ביוטכנולוגיה תעשייתית ודלקים
• חברות ביוטכנולוגיה ותרופות
• ביוטכנולוגיה וריכוז

ביוטכנולוגיה הוא תחום של מדעי החיים המשתמש באורגניזמים חיים ובמערכות ביולוגיות ליצירת אורגניזמים מותאמים או חדשים או מוצרים שימושיים. מרכיב עיקרי בביוטכנולוגיה הוא הנדסה גנטית.

התפיסה הפופולרית של ביוטכנולוגיה היא אחד הניסויים המתרחשים במעבדות והתקדמות תעשייתית מתקדמת, אך הביוטכנולוגיה משולבת הרבה יותר בחיי היומיום של רוב האנשים מכפי שהיא נראית.

החיסונים שאתה מקבל, רוטב הסויה, הגבינה והלחם שאתה קונה במכולת, הפלסטיק בסביבה היומית שלך, בגדי הכותנה העמידים שלך נגד קמטים, הניקוי לאחר הידיעה על שפיכת נפט ועוד, כל אלה הם דוגמאות לביוטכנולוגיה. כולם "מעסיקים" מיקרובים חיים כדי ליצור מוצר.

אפילו בדיקת דם של מחלת ליים, טיפול כימותרפי בסרטן השד או הזרקת אינסולין עשויים להיות תוצאה של ביוטכנולוגיה.

TL; DR (יותר מדי זמן; לא קרא)

הביוטכנולוגיה נשענת על תחום ההנדסה הגנטית, שמשנה את ה- DNA כדי לשנות את התפקוד או התכונות האחרות של יצורים חיים.

דוגמאות מוקדמות לכך הן גידול סלקטיבי של צמחים ובעלי חיים לפני אלפי שנים. כיום מדענים עורכים או מעבירים DNA ממין אחד למשנהו. ביוטכנולוגיה רותמת תהליכים אלה למגוון רחב של תעשיות, לרבות רפואה, מזון וחקלאות, ייצור ודלקים ביולוגיים.

הנדסה גנטית לשינוי אורגניזם

ביוטכנולוגיה לא הייתה אפשרית בלי הנדסה גנטית. במונחים מודרניים, תהליך זה מתפעל את המידע הגנטי של התאים בטכניקות מעבדה על מנת לשנות את תכונותיהם של אורגניזמים חיים.

מדענים עשויים להשתמש בהנדסה גנטית כדי לשנות את האופן בו אורגניזם נראה, מתנהג, מתפקד או מתקשר עם חומרים או גירויים ספציפיים בסביבתו. הנדסה גנטית אפשרית בכל התאים החיים; זה כולל מיקרואורגניזמים כמו חיידקים ותאים בודדים של אורגניזמים רב-תאיים, כמו צמחים ובעלי חיים. אפילו את הגנום האנושי ניתן לערוך באמצעות טכניקות אלה.

לפעמים מדענים משנים מידע גנטי בתא על ידי שינוי ישיר של הגנים שלו. במקרים אחרים, חלקי DNA מאורגניזם אחד מושתלים בתאים של אורגניזם אחר. התאים ההיברידיים החדשים נקראים מהונדס.

בחירה מלאכותית הייתה ההנדסה הגנטית הקדומה ביותר

הנדסה גנטית אולי נראית כמו התקדמות טכנולוגית אולטרה-מודרנית, אך היא נמצאת בשימוש כבר עשרות שנים, בתחומים רבים. למעשה, להנדסה גנטית מודרנית שורשיה בפרקטיקות אנושיות קדומות שהוגדרו לראשונה על ידי צ'רלס דארווין בחירה מלאכותית.

בחירה מלאכותית, הנקראת גם כן רבייה סלקטיבית, היא שיטה לבחירה מכוונת של זוגות מזדווגים לצמחים, לבעלי חיים או לאורגניזמים אחרים על בסיס תכונות רצויות. הסיבה לעשות זאת היא ליצור צאצאים עם אותן תכונות, ולחזור על התהליך עם הדורות הבאים לחזק בהדרגה את התכונות באוכלוסייה.

למרות שבחירה מלאכותית אינה מצריכה מיקרוסקופיה או ציוד מעבדה מתקדם אחר, היא סוג יעיל של הנדסה גנטית. למרות שזה התחיל כטכניקה עתיקה, בני האדם עדיין משתמשים בה כיום.

דוגמאות נפוצות כוללות:

האורגניזם הראשון שהונדס גנטית

הדוגמה הידועה הראשונה לבני אדם העוסקים בבחירה המלאכותית של אורגניזם היא עלייתו של זאבת קאניס, או כפי שמוכר יותר, הכלב. לפני כ- 32,000 שנה, בני אדם באזור מזרח אסיה שהיא כיום סין, חיו בקבוצות ציידים-לקטים. זאבי בר עקבו אחר הקבוצות האנושיות והתנגשו בפגרים שהציידים הותירו אחריהם.

מדענים חושבים שסביר להניח שבני האדם רק אפשרו לזאבים הצייתנים שלא היוו איום לחיות. באופן זה, הניתוק של כלבים מזאבים החל בבחירה עצמית, שכן האנשים עם התכונה המאפשרת להם לסבול את נוכחותם של בני האדם הפכו להיות בני לוויה מבויתים של הציידים-לקטים.

בסופו של דבר, בני האדם החלו להתביית במכוון ואז לגדל דורות של כלבים לתכונות הרצויות, ובמיוחד לצייתנות. כלבים הפכו לוויה נאמנים ומגנים לבני אדם. במשך אלפי שנים, בני האדם גידלו אותם באופן סלקטיבי עבור תכונות ספציפיות כמו אורך וצבע המעיל, גודל העיניים ואורך החוטם, גודל הגוף, המיקום ועוד.

זאבי הבר במזרח אסיה לפני 32,000 שנה שהתפצלו לפני 32,000 שנה לכלבים כוללים כמעט 350 גזעי כלבים שונים. אותם כלבים מוקדמים קשורים בצורה גנטית ביותר לכלבים המודרניים הנקראים כלבים ילידים סיניים.

צורות עתיקות אחרות להנדסה גנטית

בחירה מלאכותית באה לידי ביטוי בדרכים אחרות גם בתרבויות אנושיות קדומות. כאשר בני האדם התקדמו לעבר חברות חקלאיות, הם השתמשו בבחירה מלאכותית עם מספר הולך וגדל של מיני צמחים ובעלי חיים.

הם בייתו בעלי חיים על ידי גידולם דור אחר דור, רק הזדווגו את הצאצאים שהציגו תכונות רצויות. תכונות אלה היו תלויות במטרת החיה. לדוגמא, סוסים מבויתים מודרניים משמשים בדרך כלל בתרבויות רבות כתובלה וכחיות אריזה, חלק מקבוצת בעלי חיים המכונה בדרך כלל חיות נטל.

לפיכך, תכונות שמגדלי סוסים אולי חיפשו הם צייתנות וחוזק, כמו גם איתנות בקור או בחום, ויכולת להתרבות בשבי.

חברות עתיקות השתמשו בהנדסה גנטית בדרכים אחרות מלבד סלקציה מלאכותית. לפני 6,000 שנה, מצרים השתמשו בשמרים כדי לשאוף לחם ושמרים מותססים להכנת יין ובירה.

הנדסה גנטית מודרנית

הנדסה גנטית מודרנית מתרחשת במעבדה במקום על ידי גידול סלקטיבי, מכיוון שגנים מועתקים ומועברים מחיבור DNA אחד למשנהו, או מתא אורגניזם אחד לתא DNA של אורגניזם אחר. זה מסתמך על טבעת DNA הנקראת א פלסמיד.

פלסמידים קיימים בתאי חיידקים ושמרים ונפרדים מכרומוזומים. אף על פי ששניהם מכילים DNA, פלסמידות בדרך כלל אינם נחוצים כדי שהתא יוכל לשרוד. בעוד שכרומוזומי חיידקים מכילים אלפי גנים, פלסמידים מכילים גנים רבים ככל שתוכלו לסמוך על יד אחת. זה הופך אותם להרבה יותר פשוטים לתמרון ולניתוח.

התגלית בשנות השישים של אנדונוקליזות הגבלה, ידוע גם כ אנזימי הגבלה, הוביל לפריצת דרך בעריכת גנים. אנזימים אלה חותכים DNA במקומות ספציפיים בשרשרת של זוגות בסיסים.

זוגות הבסיס הם המלוכדים נוקליאוטידים היוצרים את גדיל ה- DNA. בהתאם למין החיידקים, אנזים ההגבלה יתמחה בכדי להכיר ולחתוך רצפים שונים של זוגות בסיס.

תוכן קשור: ההגדרה של ביולוגיה מולקולרית

מדענים גילו שהם הצליחו להשתמש באנזימי ההגבלה בכדי לחתוך חלקים של טבעות הפלסמיד. לאחר מכן הם הצליחו להציג DNA ממקור אחר.

אנזים אחר שנקרא DNA ligase מחבר את ה- DNA הזר לפלסמיד המקורי בפער הריק שהשאיר רצף ה- DNA החסר. התוצאה הסופית של תהליך זה היא פלסמיד עם פלח גנים זר, המכונה א וקטור.

אם מקור ה- DNA היה מין אחר, נקרא הפלסמיד החדש DNA רקומביננטי, או א כימרה. ברגע שהפלסמיד מוחדר לתא החיידק, הגנים החדשים באים לידי ביטוי כאילו החיידק תמיד היה בעל אותו איפור גנטי. ככל שהחיידק משכפל ומתרבה, כך יועתק הגן.

שילוב DNA משני מינים

אם המטרה היא להכניס את ה- DNA החדש לתא של אורגניזם שאינו חיידק, נדרשות טכניקות שונות. אחד מאלה הוא א אקדח גנים, הפוצץ חלקיקים זעירים מאוד של יסודות מתכתיים כבדים המצופים ב- DNA רקומביננטי ברקמות צמחיות או של בעלי חיים.

שתי טכניקות נוספות מחייבות לרתום את כוחן של תהליכי מחלות זיהומיות. זן חיידקי הנקרא Agrobacterium tumefaciens מדביק צמחים, גורם לגידולים לצמוח בצמח. מדענים מוציאים את הגנים הגורמים למחלות מהפלסמיד האחראי לגידולים, המכונה טי, או פלסמיד המעורר גידול. הם מחליפים את הגנים האלה בכל הגנים שהם רוצים להעביר לצמח כך שהצמח "יידבק" ב- DNA הרצוי.

תוכן קשור: ביולוגיה של התא: סקירה כללית של תאים פרוקריוטים ואוקריוטים

נגיפים פולשים לעתים קרובות לתאים אחרים, מחיידקים לתאים אנושיים, ומחדירים את ה- DNA שלהם. א וקטור ויראלי משמש על ידי מדענים להעברת DNA לתאי צמח או חיה. הגנים הגורמים למחלות מוסרים ומחליפים את הגנים הרצויים, שעשויים לכלול גנים לסמן כדי לאותת שההעברה התרחשה.

היסטוריה מודרנית של הנדסה גנטית

המקרה הראשון לשינוי גנטי מודרני היה בשנת 1973, כאשר הרברט בויר וסטנלי כהן העבירו גן מזן אחד של חיידקים לאחר. הגן מקודד לתנגודת לאנטיביוטיקה.

בשנה שלאחר מכן יצרו המדענים את המקרה הראשון של חיה שהונדסה גנטית, כאשר רודולף ג'ניש וביאטריס מינץ הצליחו להכניס DNA זרים לעוברי עכברים בהצלחה.

מדענים החלו ליישם הנדסה גנטית לשדה רחב של אורגניזמים, עבור מספר הולך וגדל של טכנולוגיות חדשות. לדוגמה, הם פיתחו צמחים בעלי עמידות לקוטלי עשבים, כך שהחקלאים יוכלו לרסס על עשבים שוטים מבלי לפגוע בגידולם.

הם גם שינו מזון, במיוחד ירקות ופירות, כך שהם יגדלו הרבה יותר ויימשכו זמן רב יותר מאשר בני דודים ללא שינוי.

הקשר בין הנדסה גנטית לביוטכנולוגיה

הנדסה גנטית היא הבסיס של הביוטכנולוגיה, מכיוון שתעשיית הביוטכנולוגיה הינה, במובן כללי, תחום עצום הכרוך בשימוש במינים חיים אחרים לצורכי בני האדם.

אבותיך מלפני אלפי שנים שגידלו סלקטיבית כלבים או גידולים מסוימים עשו שימוש בביוטכנולוגיה. כך גם חקלאים ומגדלי כלבים מודרניים, וכך גם כל מאפייה או יקב.

תוכן קשור: כיצד ליצור קשר עם הנציג שלך לגבי שינויים באקלים

ביוטכנולוגיה תעשייתית ודלקים

ביוטכנולוגיה תעשייתית משמשת למקורות דלק; מכאן מקור המונח "דלק ביולוגי". מיקרו-אורגניזמים צורכים שומנים והופכים אותם לאתנול, המהווה מקור דלק מתכלה.

אנזימים משמשים לייצור כימיקלים עם פחות בזבוז ועלות משיטות מסורתיות, או לניקוי תהליכי ייצור על ידי פירוק תוצרי לוואי כימיים.

חברות ביוטכנולוגיה ותרופות

מטיפולי תאי גזע ועד בדיקות דם משופרות למגוון תרופות, פני הבריאות שונו על ידי הביוטכנולוגיה. חברות ביוטכנולוגיה רפואית משתמשות בחיידקים כדי ליצור תרופות חדשות, כגון נוגדנים מונוקלוניים (תרופות אלה משמשות לטיפול במגוון מצבים, כולל סרטן), אנטיביוטיקה, חיסונים והורמונים.

התקדמות רפואית משמעותית הייתה פיתוח תהליך ליצירת אינסולין סינטטי בעזרת הנדסה גנטית ומיקרובים. DNA לאינסולין אנושי מוחדר לחיידקים המשכפלים ומגדלים ומייצרים את האינסולין, עד שניתן לאסוף את האינסולין ולטהר אותו.

ביוטכנולוגיה וריכוז

בשנת 1991, אינגו פוטריקוס השתמש במחקר ביוטכנולוגי חקלאי כדי לפתח סוג של אורז מועשר בטא קרוטן, שהגוף ממיר לוויטמין A, והוא אידיאלי לגידול במדינות אסיה, שם עיוורון בילדים ממחסור בוויטמין A הוא מסוים בעיה.

התקשורת השגויה בין קהילת המדעים והציבור הביאה למחלוקת רבה סביב אורגניזמים מהונדסים גנטית, או GMO. היה חשש וזעקה כה רבה בגלל מוצר מזון שעבר שינוי גנטי כמו אורז הזהב, כפי שהוא מכונה, שלמרות שהצמחים היו מוכנים להפצה לחקלאים באסיה בשנת 1999, ההפצה הזו טרם התרחשה.