Biotechnologia jest interdyscyplinarną dziedziną wiedzy, która łączy wiedzę oraz umiejętności z zakresu biologii, chemii, fizyki, matematyki, informatyki i  nauk technicznych. Umożliwia wykorzystanie organizmów, ich części lub metabolitów do procesów diagnostycznych i produkcyjnych.

Zgodnie z przyjętą przez Organizację Współpracy Gospodarczej i Rozwoju (OECD) wyróżnia się dziesięć rodzajów biotechnologii, często określanych kolorami.

Zauważalny w biotechnologii postęp spowodował podział na biotechnologię tradycyjną i biotechnologię nowoczesną.

Biotechnologia tradycyjna opiera się na wykorzystaniu dzikich szczepów organizmów, czyli takich, które naturalnie występują w przyrodzie. Pozyskuje się je do procesów produkcyjnych na drodze selekcji sztucznej.

Początkowo działalność biotechnologiczna miała charakter rzemiosła, sztuki empirycznej, przekazywanej z pokolenia na pokolenie, i była ściśle związana z uprawą roślin i hodowlą zwierząt. W okresie uprzemysłowienia produkcja rzemieślnicza została zastąpiona produkcją przemysłową.

Sztuczna selekcja różnorodnych osobników w celu uzyskania pożądanych cech następnych pokoleń oraz wykorzystywanie metabolizmu niektórych grzybów i bakterii do produkcji pieczywa czy alkoholu to właśnie „pionierskie” dziedziny tej nauki.

Za kamienie milowe w rozwoju biotechnologii uznaje się odkrycia Ludwika Pasteura dotyczące mikroorganizmów (badania nad fermentacją, opracowanie metody hodowli bakterii na pożywkach płynnych, metody sterylizacji, opracowanie pierwszych szczepionek) w II połowie XIX w. oraz wprowadzenie do leczenia chorób bakteryjnych antybiotyków produkowanych na skalę przemysłową w latach 40. XX w.

Biotechnologia molekularna jest nauką łączącą wiedzę z biochemii, biologii komórki i żywych organizmów, mikrobiologii, nauk inżynieryjnych oraz genetyki. Wykorzystuje procesy biosyntezybiosyntezabiosyntezy i biotransformacjibiotransformacjabiotransformacji przebiegające z udziałem drobnoustrojów, kultur tkankowych (roślinnych i zwierzęcych) in vitro oraz enzymów, a także izolację otrzymanych w ten sposób bioproduktów. Umożliwia przeprowadzanie modyfikacji genomów w celu uzyskania organizmów o pożądanych cechach, wykorzystując technik inżynierii genetycznej.

Pod koniec lat 90. XX w. podstawy poznawcze biotechnologii uległy rozszerzeniu dzięki postępowi w sekwencjonowaniu genów i genomów. Poznano wówczas pełne sekwencje genomów kilkudziesięciu mikroorganizmów, m.in. drożdży Saccharomyces cerevisiae oraz bakterii: Mycoplasma genitalium, Helicobacter pylori, Baccilus subtilis, Methanoccocus janaishi, Haemophilus influenzae i Escherichia coli.

Rb2QEhDC0F4uQ1

Ilustracja przedstawia kolonię bakterii Escherichia coli. Mają one podłużny, walcowaty kształt, mają półokrągłe końce i intensywnie niebieski kolor. Są ułożone nieregularnie na czarnej powierzchni.

Biotechnologia molekularna pozwala na opracowanie technologii realizowanych w skali przemysłowej. Wytworami biotechnologicznymi są m.in. białka stosowane jako katalizatory w produkcji innych substancji lub będące produktami końcowymi (leki, szczepionki). Należą do nich także organizmy modyfikowane genetycznie (GMO)organizmy genetycznie zmodyfikowane, GMOorganizmy modyfikowane genetycznie (GMO), w tym organizmy transgeniczne: bakterie, grzyby, owady, rośliny i zwierzęta powstałe w wyniku wprowadzenia do ustroju przedstawiciela danego gatunku obcych genów (transgenów). Do produktów biotechnologicznych zalicza się ponadto nowe metody terapii genowejterapia genowaterapii genowej i zestawy odczynników diagnostycznych (np. do wykrywania HIV).

Osiągnięcia biotechnologii molekularnej znajdują zastosowanie głównie w medycynie, przemyśle farmaceutycznym, spożywczym, chemicznym, wydobywczym oraz w rolnictwie, leśnictwie i ochronie środowiska.

Farmacja i medycyna

Od lat 80. XX wieku biotechnologia najszybciej rozwija się w zakresie farmacji i medycyny. W komórkach różnych gatunków bakterii, drożdży, roślin i zwierząt wytwarza się kilkadziesiąt leków peptydowych i białkowych. Pierwszym lekiem dopuszczonym do użytku medycznego była ludzka insulina zsyntetyzowana w bakteriach w 1982 r. Inne preparaty lecznicze zatwierdzone w niektórych krajach to m.in. interferonyinterferon, FNinterferony, ludzki hormon wzrostu, erytropoetynaerytropoetyna, EPOerytropoetyna, dysmutaza ponadtlenkowa i szczepionka przeciw wirusowemu zapaleniu wątroby typu B.

W diagnostyce molekularnej chorób zakaźnych (wykrywanie materiału genetycznego patogenu w materiale pacjenta), nowotworowych (badanie zmian w DNA), wieloczynnikowych (badanie DNA, mRNA, białek pozwalają na określenie stopnia zaawansowania choroby) oraz o podłożu genetycznym wykorzystuje się sondy molekularnesonda molekularnasondy molekularne oraz przeciwciała monoklonalneprzeciwciała monoklonalneprzeciwciała monoklonalne i poliklonalneprzeciwciała poliklonalnepoliklonalne. Transgeniczne myszy są niezastąpionym organizmem modelowym do badania licznych schorzeń wrodzonych i nabytych. Prowadzone na nich badania ułatwiają zrozumienie mechanizmów patogenezy, a także umożliwiają opracowanie wielu metod terapeutycznych. Somatyczna terapia genowa ludzi pozostaje wciąż w fazie klinicznej – ograniczenie jej stosowania wynika ze współczesnych możliwości technicznych. Najsłabszą stroną potencjalnych terapii są niedoskonałe wektorywektory genetycznewektory terapeutycznych genów. Sytuacja ta może ulec poprawie po skonstruowaniu sztucznych ludzkich chromosomów – badania w tej dziedzinie są już bardzo zaawansowane.

Rolnictwo

Z technik współczesnej biotechnologii korzysta też rolnictwo. Uprawia się rośliny transgeniczne o nowych zaletach agrotechnicznych oraz te o skorygowanych cechach użytkowych, głównie: odmiany kukurydzy (stanowią jedną trzecią wszystkich zmodyfikowanych roślin), rzepaku, ziemniaków, pomidorów, soi, bawełny i tytoniu.

R17pgPYhXY0ON

Ilustracja przedstawia kolby dojrzałej kukurydzy. Mają one podłużny, walcowaty kształt, półokrągłe końce i intensywnie pomarańczowy kolor. Kolbę otaczają ułożone w zwartych rzędach ziarna, na niektórych z nich znajdują się podłużne, brązowe włókna podobne do włosów. Są ułożone nieregularnie, jedna na drugiej.

W wolniejszym tempie powstają nowe odmiany transgenicznych zwierząt – postęp w tym zakresie dotyczy modyfikowania ryb, bydła i królików (najczęściej wyposażonych w dodatkowe kopie genów kodujących hormon wzrostu), a także prób otrzymania transgenicznych ssaków wytwarzających leki białkowe w formie białek mleka. Najbardziej wydajne zwierzęta transgeniczne będzie można powielać.

Inne obszary zastosowań biotechnologii

Współczesna biotechnologia zmierza również do wytworzenia określonych produktów i metod analitycznych w zakresie ochrony środowiska,  poszukiwania nowych źródeł energii, przemysłów chemicznego i wydobywczego, w medycynie sądowej oraz w badaniach ewolucyjnych i systematyce organizmów.

Biotechnologia, dziedzina często komentowana publicznie, podlega społecznej ocenie. To akceptacja konsumentów decyduje o sukcesie komercyjnym produktu. Zarówno środki społecznego przekazu, jak i organizacje proekologiczne formułują obawy i zastrzeżenia co do bezpieczeństwa produktów, etycznych i prawnych uwarunkowań ich powstawania oraz rozpowszechniania.

Jej negatywne aspekty związane są głównie z niewłaściwym wykorzystaniemnjej wielu metod, m.in. w zakresie tworzenia broni biologicznej czy bioterroryzmu.

Wprowadzanie organizmów transgenicznych (GMO) do środowiska podlega regulacjom prawnym w większości krajów europejskich, Ameryki Północnej, w niektórych krajach azjatyckich (m.in. w Japonii) oraz w Australii. Nowe techniki terapii medycznej wymagają zatwierdzenia przez odpowiednie komisje oraz komitety lokalne i krajowe.

Słownik