Biotechnologia - zintegrowane zastosowanie wiedzy i techniki w dziedzinie biochemii, mikrobiologii i nauk inżynieryjnych w celu technologicznego wykorzystania zdolności drobnoustrojów kultur tkankowych lub części z nich. Składa się z członu bio - Co oznacza, że dotyczy to świata istot żywych, w którym nie istnieją identyczne osobniki czy identyczne procesy oraz członu technologia - co oznacza, że życie rozumiane, jako biologiczne procesy powstawania i rozpadu jest rozpatrywane od strony celów praktycznych z zastosowaniem określonych technik produkcji.

KOLORY BIOTECHNOLOGII:

• zielona biotechnologia - agrobiotechnologia

• biała biotechnologia – przemysł

• niebieska biotechnologia - wody oraz ochrona środowiska

• czerwona biotechnologia - zdrowie

• fioletowa biotechnologia - aspekty społeczne i prawne: legislacja, własność intelektualna i opinia społeczna.

PODSTAWOWYM CELEM współczesnej biotechnologii jest zmodyfikowanie mikroorganizmów oraz komórek roślinnych i zwierzęcych tak, aby procesy życiowe nowych organizmów były szybsze, wydajniejsze, tańsze i dostarczały nowych metabolitów.

INŻYNIERIA GENETYCZNA określa transfer materiału genetycznego z jednego organizmu do drugiego z zastosowaniem technologii rekombinowanego DNA. Obejmuje ona metody pozwalające na manipulacje materiałem genetycznym poza komórką i klonowanie go w odpowiednio dobranym organizmie.

W wyniku kontrolowanego wprowadzania wybranych genów z możliwością ich przenoszenia między różnymi gatunkami możliwe było wytworzenie organizmów modyfikowanych genetycznie (GMO), o nowych właściwościach, również takich, które przedtem trudno było sobie wyobrazić. Skrót GMO pochodzi od słów: Genetically Modified Organism – Organizm zmodyfikowany genetycznie. Używa się też nazwy: organizm transgeniczny – zawierający przenoszony gen – wtedy tzw. transgen. Czyli w praktyce zwykle organizm zmodyfikowany genetycznie (transgeniczny) to taki, do którego genomu (informacji genetycznej) został dodany jakiś nowy gen pochodzący z zupełnie innego organizmu. W uproszczeniu, gen jest to fragment DNA, który jest odpowiedzialny za powstanie danej cechy – np. w kukurydzy modyfikowanej genetycznie wprowadzony jest gen z bakterii, który produkuje toksyczne dla szkodników białko – kukurydza jest wtedy odporna na te szkodniki.

Metody modyfikacji roślin:
1. Metoda z wykorzystaniem wektora - metoda modyfikacji przy użyciu Agrobacterium tumefaciens. Najstarsza, najpowszechniej używana metoda modyfikacji roślin dwuliściennych. Bakterie te mają naturalną zdolność wprowadzania swojego DNA do komórek roślin. Naturalnie wprowadzają do roślin geny, które powodują narośli na łodygach – Agrobacterium tumefaciens,lub powstania dużej ilości małych, cienkich korzeni. Biotechnolodzy potrafią usunąć geny odpowiedzialne za powstanie narośli na łodygach i w ich miejsce wstawić dowolny inny gen, który zostanie wprowadzony do rośliny. Zamiast powstania narośli roślina otrzyma odporność na np. herbicydy. Przy użyciu A. tumecaciens modyfikuje się rośliny dwuliścienne, np. soją, rzepak, bawełnę, tytoń, gdyż bakteria ta ma zdolność infekowania tylko roślin dwuliściennych.

2. Metoda bez wykorzystania wektora- polegają na bezpośrednim wprowadzeniu DNA do komórek roślinnych. Pozwalają na transformowanie dowolnych roślin. Nim fragment będzie mógł być wprowadzony do komórki gospodarza, ta musi być pozbawiona ściany komórkowej. By to osiągnąć można poddać ją działaniu enzymów degradujących. Otrzymuje się w ten sposób tzw. protoplast, którego błona komórkowa stanowi koleją barierę dla transgenu, wprowadzanego do komórek z wykorzystaniem jednej z metod.

• Elektroporacja, fizyczna - polega na wykorzystaniu serii impulsów elektrycznych, które naruszają strukturę błony, powodując powstanie w niej porów, przez które DNA może przeniknąć do wnętrza komórki.

• Mikrowstrzeliwanie, fizyczna - wykorzystuje mikroskopijne kulki z złota lub wolframu o średnicy 0,5 - 5 mikrometra. Fragmenty DNA które pragnie się wprowadzić do komórek są opłaszczane na tych kulkach, a następnie wstrzeliwane do komórek roślinnych. Używana jest do tego tzw. "armatka genowa" (ang. particle gun). Wadą metody jest niska wydajność oraz mogące wystąpić uszkodzenia komórek. Zaletą jest to iż komórki nie muszą być pozbawiane ściany komórkowej, można wprowadzać np. do fragmentu liścia, jak i DNA może zostać wprowadzona także do chloroplastów i mitochondriów.

• Z użyciem PEG, chemiczna - polega na wykorzystaniu glikolu polietylenowego,który powoduje zwiększenie przepuszczalności błony komórkowej, poprzez prowadzenie do jej chwilowej, odwracalnej dezorganizacji. To pozwala na wniknięcie transgenu do komórek, wraz z DNA nośnikowym. Np. kukurydza Liberty Link, odporna na herbicyd glifodtal.

• Fuzja liposomów - tworzone są liposomy, wewnątrz których są cząsteczki DNA. Tworzy się je poprzez utworzenie podwójnej błony lipidowej na roztworze z cząsteczkami DNA i wstrząsanie nie - powstają wtedy "kuleczki" błonowe z DNA w środku. Liposomy łączą się z protoplastami komórek wprowadzając do środka DNA.

• Mikroiniekcja polega na wprowadzeniu DNA za pomocą igły mikromanipulatora, doświadczenie wykonywanie jest ręcznie przez człowieka.

Cele modyfikacji:

• odporność na herbicydy - chemiczne środki ochrony roślin (soja, rzepak),

• odporność na szkodniki - modyfikacja Bt (kukurydza, bawełna),

• odporność na choroby wirusowe, grzybowe, bakteryjne,

• odporność na niekorzystne warunki środowiska (zasolenie gleby, mróz, susza, metale ciężkie),

• poprawa lub nadanie nowych cech jakościowych (pomidor Flavr Savr, „Golden Rice”, szczepionki w warzywach).

Metody modyfikacji zwierząt:

• Mikroiniekcja,

• użycie wektorów wirusowych,

• modyfikacje embrionalnych komórek macierzystych technikami inżynierii genet.

Celem modyfikacji jest głownie przyśpieszenie wzrostu zwierząt hodowlanych oraz produkcja farmaceutyków izolowanych z mleka.

`Pierwsze zwierzęce GMO, w którym wprowadzony gen był dziedziczony to myszka powstała w 1980-81 roku. Wprowadzony gen spowodował podatność na raka. Mysz ta zmodyfikowana została metodą mikroiniekcji DNA.

Modyfikuje się ryby (na obrazku łosoś, także karpie) wprowadzając do ich genomu geny hormonu wzrostu (gen ludzki albo szczurzy), oraz inne zwierzęta hodowlane. Tak zmodyfikowane zwierzęta bardzo szybko rosną.

Krowy, kozy, owce dzięki modyfikacjom stają się tzw. bioreaktorami – produkują różnego rodzaju farmaceutyki (przeciwciała, hormony, itp.), które później są izolowane z ich mleka. Dlatego, że ich produkcja poza żywym organizmem jest niemożliwa, lub bardzo kosztowna i trudna.

Najpowszechniej się modyfikuje zwierzęta laboratoryjne (myszy, szczury) – zwykle wyciszając im dane geny – tzw. knock-out . Są wykorzystywane w badaniach w laboratoriach na całym świecie.

Interesującym kierunkiem badań w konstrukcji zwierząt transgenicznych, są prace nad uzyskaniem świń jako dawców serca dla ludzi. Jednak problem jaki należy pokonać jest wyeliminowanie nadostrej reakcji imunologicznej. W tym celu transgeniczny dawca serca (świnia), musi być tak genetycznie doskonały, aby do odrzutu przez biorcę nie dochodziło, a wszczepiony organ mógł funkcjonować do czasu znalezienia odpowiedniego serca allogenicznego. Można to uzyskać poprzez wprowadzenie do genomu świni ludzkich genów regulujących aktywność tzw. kaskady enzymatycznej, która powoduje powstanie kompleksu antygen-przeciwciało.

Nie do końca poznane są efekty uboczne rozprzestrzeniania się GMO w środowisku i ich wpływ na bioróżnorodność:

• zwiększone stosowanie środków chwastobójczych w uprawach GMO odpornych na herbicydy - poważne upośledzenie bioróżnorodności ekosystemów rolniczych;

• efekt niekontrolowanego krzyżowania się uprawnych odmian GMO odpornych na herbicydy ze spokrewnionymi chwastami - pojawić się mogą uodpornione na herbicydy superchwasty,

• nie ma możliwości współistnienia upraw konwencjonalnych z uprawami roślin GMO, brak praktycznej izolacji pomiędzy uprawami,

• w produkcji rolnej zapylenie upraw ekologicznych pyłkiem roślin GM oznacza dyskwalifikację plantacji ekologicznej i poważne straty dla rolnika, który taką uprawę prowadził,

• rośliny GM pod kątem odporności na szkodniki i zawierające gen warunkujący syntezę białka toksycznego dla owadów mogą być toksyczne również dla owadów pożytecznych (złotooków, pszczół), dla ptaków zjadających zatrute w ten sposób owady, dla mikroorganizmów glebowych, a nawet dla niektórych ludzi,

• konsumpcja żywności pochodzącej z GMO może być u ludzi przyczyną alergii i poważnych schorzeń przewodu pokarmowego, a nawet spowodować uaktywnienie procesów nowotworowych (trudno jednak określić, jaki procent populacji może być narażony na tego typu niebezpieczeństwo),

• pasze zawierające GMO mogą negatywnie wpływać na zdrowie i produkcyjność zwierząt

• plony roślin transgenicznych mogą być obniżone w stosunku do plonów odmian konwencjonalnych w związku z brakiem stabilności genetycznej GMO, polegającym na tym, że w odmianie transgenicznej mechanizm obronny genów rodzimych powoduje osłabienie lub zablokowanie funkcji genów obcych,