Bioteknologian käyttökohteet

Bioteknologialla on monia käyttökohteita, kuten lääketiede, teollisuus ja ympäristöteknologia.

Lääketieteessä bioteknologiaa käytetään geenihoitoon, diagnostiikkaan, lääkkeisiin, rokotteisiin, muntogeenisiin eläimiin, kudosteknologiaan ja solukorvaushoitoon.

Teollisuudessa bioteknologiaa käytetään entsyymiteollisuudessa, pesuaineteollisuudessa, tekstiiliteollisuudesa, elintarviketeollisuudessa, metsäteollisuudessa, kaivosteollisuudessa, lääketeollisuudessa ja biopolttoaineiden tuotannossa.

Ympäristöteknologiassa bioteknologiaa käytetään jätevesien puhdistamiseen, kompostointiin, saastuneen maaperän puhdistukseen, päästöjen ja jätteiden vähentämiseen ja energian säästämiseen.

Geenitekniikka on muuttanut jalostusta

Geenitekniikan menetelmin jalostuksessa siirretään vain haluttuja geenejä. Geeni pyritään siirtämään eliön soluun, siten että se kiinnittyy osaksi sen genomia, ja siten periytyy jälkeläisille.

Kasvilajikkeita on jalostettu geenitekniikan menetelmin tuhohyönteisille ja rikkakasvimyrkyille vastustuskykyisiksi. Myös esimerkiksi riisitä, joka on ravintoarvoltaan huono, on pyritty jalostamaan enemmän vitamiineja ja ravintoaineita sisältäväksi.

Myös eläimiä jalostetaan tuotannon tehostamisen vuoksi, mutta geenitekniikan hyödyntäminen on vähäistä, koska ominaisuuksia säätelevät usein useat eri geenit. Tuottaminen on myös kallista ja hidasta.



Muuntogeeninen ravinto jakaa mielipiteitä. Tähän liittyy pelkoja terveysvaikutuksista ja ympäristö vaikutuksista. Muuntogeeninen ravinto voi aiheuttaa yllättäviä allergisia reaktioita ja geenien muokkaamista pidetään epäluonnollisena. Muuntogeeniset kasvit voivat myös levitä luontoon ja risteytyä samanlajisten viljelykasvien kanssa. Muuntogeenisillisiin kasveihin, jotka kestävät paremmin myrkkyjä, voi kerääntyä enemmän jäämiä ja kasvit jotka tuottavat itse myrkkyä, saattavat aiheuttaa hyönteisille lisääntyneen vastustuskyvyn.

Jalostus voi vaikuttaa myös luonnon biologiseen monimuotoisuuteen, jos muuntogeeniset lajit pääsevät valloilleen, koska ne voivat olla kilpailukykyisempiä kuin luonnonvaraiset lajit. Myös lajien osa geneettisestä muuntelusta on menetetty jalostuksen seurauksena. 

Jalostuksella ohjataan haluttujen ominaisuuksien periytymistä

Jalostuksella tarkoitetaan ihmisen tekemää kasvien ja eläinten ominaisuuksien valikoimista ja parantamista. Jalostuksessa hyödynnetään populaatioissa esiintyvää perinnöllistä muuntelua.

Kasvi- ja eläinjalostuksella pyritään parempaan tuottavuuteen ja haluttujen ominaisuuksien periytymiseen jälkeläisille, esimerkiksi kasveilla satoisuus, kylmänkestävyys ja tuholaisten ja tautien kestävyys ja eläimillä terveys, nopeakasvuisuus ja ulkonäkö ja käyttäytyminen.

Valintajalostus perustuu siihen, että valitaan yksilöt, jotka ilmentävät parhaita ominaisuuksia jatkamaan sukua. Itsepölytteisillä kasveilla saadaan valinnan avulla puhdas, homotsygoottinen linja. Tätä jalostusta kuitenkin hankaloittaa se, että suureen osaan jalostettavista ominaisuuksista vaikuttaa monta eri geeniä, kuten esimerkiksi kasvunopeuteen.

Risteytysjalostuksella pyritään lisäämään perinnöllistä muuntelua ja näin saamaan aikaan uusia hyviä ominaisuusyhdistelmiä. Jalostetut lajikkeet voidaan risteyttää uudestaan maatiaislajikkeiden kanssa, joilla voi olla hyviä ominaisuuksia kuten tautien- tai hallankestävyys. Yleensä ominaisuuksissa pyritään homotsygotiaan, mutta on huomattu että heterotsygoottinen yksilö, hybridi, lisääntyy tehokkaammin tai on parempi ympäristön stressitekijöitä vastaan.

Jalostuksessa voidaan käyttää myös geeni- tai kromosomistomutaatioita esmierkiksi säteilyttämällä siemeniä gamma- ,röntgen- ,tai UV-säteilyllä tai käsettelemällä sitä mutaatioita aiheuttavilla kemikaaleilla. Tällä saadaan aikaan suuri määrä satunanisia geneettisiä muutoksia. Kasvin kromosomisto voidaan kaksinkertaistaa käsittelemällä ne kolksiinilla, joka estää tumasukkulan synnyn. Tällöin siemenistä kehittyy polyploidisia kasveja. Kun kromosomit ovat peräisin samalta lajilta, kyseessä on autopolyploidia. Tällaiset kasvit ovat yleensä normaaleja kasveja satoisampia, mutta niiden siementuotanto on yleensä heikkoa.

Solukkoviljelyn avulla voidaan tuottaa kasviklooneja ottamalla kasvista pieni määrä soluja kasvamaan ravintoalustalle tai liuokseen. Solut saadaan erilaistumaan taimiksi kasvihormonien avulla. Haploidisella jalostuksella kasvatetaan hedelmöittymättömästä munasolusta tai siitepölyhiukkasesta solukkoviljelyssä uusi taimi, jolle tulee vain puolet normaalista kromosomimäärästä. Tällöin kasvissa ilmenevät myös resessiivisetkin alleelit.

Geenitekniikan avulla voidaan muokata eliöitä

Jos eliön perimää muutetaan, sitä sanotaan muuntogeeniseksi. Muuntogeeniset eliöt voidaan jakaa siirtogeenisiin ja poistogeenisiin. Siirtämällä geenejä voidaan selvittää miten ne vaikuttavat eliöön tai miten ne toimivat ja tätä voidaan hyödyntää teollisuudessa tai lääketieteessä.

Bakteereihin siirretään geenejä yleensä jonkin proteiinin tai geenin tuottamista varten.  Geeni siirretään bakteeriin plasmideilla tai viruksilla. Siirrettävä geeni ei toimi sellaisenaan bakteerissa vaan se tarvitsee myös bakteerissa toimivan säätelyalueen ja siinä ei saa olla introneita.

Tumallisiin eliöihin geenejä voidaan siirtää monella tavalla. Yleensä käytetään mikroinjektiota, sähköpulssia, viruksia tai liposomeja. Mikroinjektiossa geeni siirretään ohuen lasiputken avulla eläimen munasoluun. Sähköpulssin avulla solukalvot voidaan tehdä hetkellisesti läpäiseviksi jolloin geeni voidaan siirtää soluun. Virukset voivat tunkeutua soluihin ja liittää osan perimäänsä solun perimään. Liposoimeissa voidaan kuljettaa geeni soluun kun liposomi sulautuu solun solukalvoon.

Geeneissä on informaatio solujen toimintaan

DNA:ssa sijaitsee eliöiden perinnöllinen informaatio. DNA-molekyyli koostuu kahdesta rinnakkaisesta juosteesta joissa on nukleotideja.

Geeneissä on ohjeet tietyn proteiinin tai RNA-molekyylin rakentamiseksi.
Geenit sijaitsevat kromosomissa. Kromatiini on pakkautunutta DNA:ta.

Geenit muodostuvat koodaavasta alueesta, joka sisältää informaation proteiinin valmistusta varten, ja säätelyalueesta, joka käynnistää RNA-synteesin.
Koodaavia alueita kutsutaan eksoneiksi, ja niiden välissä olevia informaatiota sisältämättömiä alueita introneiksi.
Kromosomeissa on myös toistojaksoja ja sammuneita geenejä.

DNA:ssa on neljää erilaista emästä, jotka muodostavat emäskolmikkoja jotka koodaavaat proteiinisynteesissä yhtä aminohappoa.

RNA:n rakentaminen käynnistyy kun RNA-polymeraasientsyymi tarttuu geenin säätelyalueella sijaitsevaan promoottoriin. Sitten polymeraasientsyymi rakentaa tumassa olevista nukleotideista esiaste-RNA-molekyylin. Esiaste-RNA muutetaan lähetti-RNA:ksi poistamalal esiaste-RNA:sta intronit silmukoinnilla.

Sitten lähetti-RNA siirtyy solulimaan ja tarttuu ribosomiin, jossa aminohappoketjun valmistus käynnistyy. Siirtäjä RNA:t siirtävät oikeat aminohapot oikeisiin kohtiin emäspariperiaatteen mukaan liittyen toisiinsa peptidisidoksilla. Rakentaminen loppuu lopetuskolmikon kohdalle.

Sitten aminohappo irtoaa ribosomeista ja kiertyy tai laskostuu kemiallisten vuorovaikutusten takia. Kemiallisten vuorovaikutusten takia useiden aminohappoketjujen yhdistyessä saadaan aikaan kolmiuloitteinen proteiini.

Jos proteiini tuotetaan toisten solujen käyttöön, se valmistetaan karkeassa solulimakalvostossa, ja siirretään sieltä golgin laitteeseen, jossa proteiineihin lisätään entsyymien toimesta mm. hiilihydraattiosia.

Tumallisilla soluilla on samankaltainen perusrakenne

Solut ovat erilaisia eri kudoksissa, mutta silti niiden perusrakenteet ja toiminta ovat hyvin samankaltaisia. Solun toiminta on aineenvaihduntaa.
Solu rakentaa tarvitsemiaan aineita entsyymien ohjaamissa biokemiallisissa reaktioissa pilkkomistaan ravintoaineista. Solun toimintaan vapautetaan energiaa ravintoaineista mitokondrioissa.
Tumassa sijaitsevat geenit sisältävät informaation jota käytetään proteiinisynteesissä.
Solukalvon avulla solu ottaa ja poistaa aineita.
Kalvostorakenteissa valmistetaan, muokataan ja kuljetetaan proteiineja ja lipidejä.

Virukset lisääntyvät soluissa

Virus koostuu kuoresta, ulospäin suuntautuvista pintarakenteista ja kuoren sisällä olevasta perintöaineksesta ja joskus myös isäntäsolusta poimitusta vaipasta. Perintöaines on DNA.ta tai RNA:ta. Viruksilla ei ole aineenvaihduntaa minkä takia niitä ei luokitella eliökuntaan kuuluvaksi.
Viruksia luokitellaan niiden muodon, perintöaineksen ja isäntäeliön mukaan.



Virukset pystyvät lisääntymään vain isäntäsoluissa. Monet virukset lisääntyvät vain tietyn lajin tietyissä soluissa.
Viruksen lisääntymisen vaiheet:
1. Virus kiinnittyy isäntäsolun solukalvoon ja se tunkeutuu soluun endosytoosin avulla.
2. Virus vapauttaa perintöaineksen solun sisään.
3. Isäntäsolu valmistaa uusia viruksen osia.
4. Isäntäsolu kokoaa viruksen perintöaineiden ohjeiden mukaan.
5. Virukset vapautuvat isäntäsolusta, jolloin isäntäsolu kuolee.

Virusten perinnöllinen muuntelu on nopeaa koska viruksilla on kutakin geeniä vain yksi kappale ja rekombinaatiosta.
Rekombinaatiossa isäntäsoluun päätyy erilaisia viruksia, jolloin niitä kootessa saattaa uuden viruksen sisään yhdistyä eri virusten geenejä.
Virukset ovat edistäneet eliöiden evoluutiota siirtämällä geenejä lajista toiseen.
Virukset ovat myös merkittäviä tautien aiheuttajia.

Mikroskooppisen pienet eliöt ovat mikrobeja

Mikrobeihin kuuluvat kaikki bakteerit ja arkit, alkueläimet, yksisoluiset levät ja hiiva- ja homesienet ja virukset. Mikrobit lisääntyvät nopeasti minkä takia ne ovat hyvin sopeutumiskykyisiä.

Arkit ovat erikoistuneet selvästi omiin ekologisiin lokeroihin, kaikkialle maapallolle. Jotkin arkit selviytyvät esimerkiksi 300-asteisessa vedessä ja suolajärvissä. Arkit ovat omavaraisia tai toisenvaraisia, omavaraiset saavat energiansa kemosynteesistä hapettamalla epäorgaanisia aineita.

Bakteerien rakenne:
'
Soluhengitys ja fotosynteesireaktiot tapahtuvat soluhengityskalvostoissa, jotka ovat poimuttuneita solukalvosta. Soluseinä koostuu mureiinista, ja sen ympärillä voi olla limakapseli joka suojaa sitä. Siimat auttavat baketeereita liikkumisessa.
Bakteereja voidaan tunnistaa niiden muodon, kasvutavan ja biokemiallsiten ominaisuuksien perusteella.

Bioteknologiassa hyödynnetään eliöitä tai niiden osia

Bioteknologiasta on paljon hyötyä ja sillä on useita sovelluksia. Bioteknologia tarkoittaa tekniikka jossa käytetään apuna eliöitä, soluja ja molekyylejä.

Bioteknologiaa sovelletaan monilla osa-alueilla, kuten lääkkeiden kehittämiseen ja kasvien jalostamiseen. Bioteknologia edistää erityisesti ekologista kestävyyttä ja kestävän kehityksern turvaamista.

Bioteknologiassa tarvitaan tietoa molekyylibiologiasta, solubiologiasta, genetiikasta ja mikrobiologiasta. Ihmisen DNA ja geenien toiminta on keskeinen asia bioteknologiassa.

Proteiinin rakenteen, merkityksen ja niiden välisen vuorovaikutuksen tutkimusalaa kutsutaan proteomiikaksi. Tämän avulla pystytään ymmärtämään esimerkiksi solujen välistä viestintää.

Systeemibiologiassa yhdistetään biologinen tieto kokonaisuudeksi solu tai yksilötasolla ja tätä koitetaan mallintaa tietokoneen avulla. Tämän tarkoituksena on tarkastella geenejä ja proteiinien vuorovaikutuksia toisiinsa ja ympäristöönsä.

Bioinformatiikka on monitieteinen ala, joka analysoi ja hyödyntää biologista tietoa käyttäen matemaattisia ja tilastotieteen menetelmiä.

Nanobiotekniikassa kehitetään nanomittakaavan teknologiaa, joka yhdistetään biologisiin rakenteisiin.