Biotechnologia termin wprowadzony pod koniec lat 50-tychXX wieku, oznacza konstruowanie nowych szczepów drobnoustrojów i linii komórkowych organizmów wyższych o niespotykanych dotąd walorach technologicznych. Biotechnologia znana dziś ze względu na osiągnięcia biologii molekularnej oraz inżynierii genetycznej towarzyszyła człowiekowi od zarania dziejów( procesy mikrobiologicznej fermentacji). Zastosowanie współczesnej biotechnologii: Produkcja żywności:- tradycyjne procesy fermentacyjne( produkcja pieczywa, produktów mlecznych), -nowe technologie mikrobiologii( witaminy, aminokwasy), -zastosowanie enzymów do wyrobów mleczarskich( kefiry, jogurty), - utrwalenie żywności( antyutleniacze). Rolnictwo: - produkcja pasz( preparaty białkowe, witaminowe, kiszonki roślinne),- kultury komórkowe i tkankowe in vitro, -ochrona roślin( bioinsektycydy, antybiotyki), - lecznictwo zwierząt( szczepionki )Ochrona środowiska: - oczyszczanie ścieków, filtry biologiczne, czynne osady. Biotransformacja proces w wyniku którego dochodzi do modyfikacji grup funkcyjnych związków organicznych przez żywe komórki lub izolowanie z nich enzymy. Co to są i na czym polegają biotransformacje roślin ? Reakcje biotransformacji w różnych kulturach zawiesinowych. Zastosowanie: - do produkcji metabolitów wtórnych, - do biotransformacji egzogennych prekursorów w bardzo wartościowe, bądź pożądane produkty. Typy reakcji biotransformacji: - utlenianie, redukcja, hydroliza, -rozszczepienie wiązania C-C, kondensacja, izomeryzacja Substraty: naturalne prekursory, związki syntetyczne( ksenobiotyki), zw obce roślinie Materiał stosowany: - izolowane enzymy, - zawiesiny komórkowe, agregaty komórek, -immobilizowane( unieruchamiane) enzymy i komórki Dane ilościowe: - na świecie jest ok. 137 gat roślin leczniczych i aromatycznych wykorzystywanych do produkcji matabolitów wtórnych lub do biotransformacji prekursorów, - w Polsce tylko ok. 40 gat roślin ( zostało przebadanych) Korzyści biotransf : - wysoka wydajność( często bliska 100%),- duża czystość produktu reakcji, - wysoka specyficzność reakcji, - możliwość zajścia reakcji w miejscach mało reaktywnych, - otrzymanie dużej ilości produktów występujących w małych ilościach w roślinie, - otrzymanie produktów o zwiększonej aktywności farmakologicznej lub zmniejszonej toksyczności Biotransf z użyciem kultur zawiesinowych – jest to najprostszy model doświadczalny, nie ma dodatkowego etapu wiązaniakomórek z nośnikiem, komórki nie ulegają zmianom fizjologicznym Czynniki regulujące reakcje biotransf: - rodzaj kultury( zawiesina, kultury organów np. korzeni), - stadium rozwojowe kultury i jej warunki, a zwłaszcza nadtlenianie, skład pożywki i jej pH, - struktura chemiczna substratu, jego stężenie, właściwość.
Paklitaksel (taksol C47H51NO14) – organiczny związek chemiczny z grupy alkaloidów terpenowych typu taksanów o działaniu cytostatycznym. Po raz pierwszy został wyizolowany z kory cisa zachodniego (Taxus brevifolia). Należy do leków fazowo–specyficznych (faza G2 i faza M). Jego działanie antymitotyczne polega na zahamowaniu depolimeryzacji mikrotubul, co uniemożliwia prawidłowe rozdzielenie chromatyd siostrzanych i wędrówkę chromosomów siostrzanych podczas podziału komórki. Konsekwencją zaburzeń mitozy jest śmierć komórki. Początkowo lek uzyskiwano z kory cisa zachodniego. Leczenie jednego pacjenta wymagało wycięcia przynajmniej sześciu 100-letnich drzew. Ze względu na rzadkie występowanie tego gatunku i jego wyjątkowo powolny wzrost, konieczne było opracowanie technologii wytwarzania syntetycznego paklitakselu na skalę przemysłową. Zaproponowano kilka metod syntezy i semisyntezy tego związku. Metodami inżynierii genetycznej opracowano szczepy bakterii oraz grzybów wytwarzające substancje o podobnej strukturze. Kuracja dla jednego pacjenta wymagała by ścięcia 3 dojrzałych okazów bardzo wolno rosnących drzew. Z tego względu syntezę taksolu prowadzi się w kulturach zawiesinowych. Planuje się izolowanie genów odpowiedzialnych za biosyntezę taksolu i przeniesienie ich do komórek szybko namnażających się. Zastosowanie w chorobach nowotworowych: rak jajnika, rak płuc, rak sutka, nowotwory w obrębie głowy i szyi, rak jądra. Działania niepożądane: supresja szpiku, nudności i wymioty, biegunki, bóle mięśni i stawów, duszność, neuropatie, łysienie. Organizmy transgeniczne organizmy poddane transformacji tzn. posiadające zmodyfikowany genom. Powstały z takiej komórki, która włączyła do swego genomu fragment DNA skonstruowany za pomocą inżynierii genetycznej. Fragment ten może zawierać dowolna informację i może zostać włączony w prawie każdym miejscu genomu. Transgen - właściwy gen, przeniesiony do transformowanej rośliny. Nie ma on w genomie rośliny swojego odpowiednika w postaci allelu, stąd roślina transgeniczna jest heterozygotą. Linia transgeniczna- samozapylone rośliny transgeniczne o nowym fenotypie dają potomstwo rozszczepiające się lub jednolite. Te ostatnie pochodzą z homozygoty i dają ustaloną linie transgeniczną. Zmienność somaklonalna - rośliny powstałe z transgenicznej komórki i mogą wykazywać różne zmienione właściwości, co nazywamy zmiennością somaklonalną- dziedziczoną trwale w kolejnych pokoleniach. Wykorzystanie roślin transgenicznych w hodowli: Metody transformowania roślin umożliwiają na drodze pozageneratywnej wprowadzenie następujących cech: 1.odporność na szkodniki i choroby wirusowe, bakteryjne i grzybowe 2.odporność na herbicydy 3.modyfikacje cech użytkowych roślin: a)ingerencja w metabolizm związany z dojrzewaniem, b) modyfikowanie spektrum barw kwiatów, c)zmiany w metabolizmie węglowodanów i tłuszczów, d)rośliny transgeniczne jako bioreaktory do syntezy białek: alfa- amylazy, beta- glukozydazy, peroksydaza ligniny –białka przemysłowe oraz źródło przeciwciał i szczepionek, e)rośliny transgeniczne mogą służyć do biodegradacji plastiku.
Obecnie wprowadzane są geny warunkujące cechy jakościowe o prostym, jedno- lub kilkugenowym sposobie dziedziczenia. Uprawa roślin transgenicznych na swiecie: Powierzchnia uprawy roślin transgenicznych na świecie w 2010 r. osiągnęła 148 mln ha. Była ona o 10% większa niż rok wcześniej. W porównaniu z 1996 r. wzrosła ona 87 razy. Najczęściej uprawia się transgeniczną soję, której areał wynosi 73,3 mln ha (50% upraw transgenicznych na świecie). Kolejne miejsca pod tym względem zajmują kukurydza (31% upraw), bawełna (14% upraw) i rzepak (5% upraw). Liczba krajów, w których uprawia się transgeniczne rośliny wzrosła do 29. Największy areał tych upraw występuje w USA (66,8 mln ha), Brazylii (25,4 mln ha), Argentynie (22,9 mln ha), Indiach (9,4 mln ha), Kanadzie (8,8 mln ha), Chinach (3,5 mln ha), Paragwaju (2,6 mln ha), Pakistanie (2,4 mln ha), RPA (2,2 mln ha ) i Urugwaju (1,1 mln ha).W krajach Unii Europejskiej areał upraw roślin transgenicznych w dalszym ciągu spada. W ostatnim roku zmniejszył się o 0,5 mln ha. Uprawy takie występują w Portugalii, Hiszpanii, Niemczech, Szwecji, Czechach, Polsce, Słowacji i w Rumunii. Największym unijnym producentem roślin transgenicznych jest Hiszpania, gdzie areał tych upraw wynosi 0,1 mln ha. Kultury protoplastów - stanowią unikalną populację jednokomórkowych jednostek odizolowanych od siebie. -każdy zastosowany czynnik eksperymentalny dociera do wszystkich komórek jednakowo tj. w tym samym czasie i z jednakową częstotliwością. -protoplasty są bardzo przydatne w badaniach czynników indukujących morfogenezę oraz badaniach mutacyjnych Wykorzystanie protoplastów: Jako system jednokom. pozbawiony ścian komórkowych i zdolny do ich odtwarzania, protoplasty stanowią doskonały model doświadczalny służący do badania szeregu procesów przebiegających na poziomie: - biosyntezy ścian komórkowych - badania właściwości plazmolemy, składu błon, ładunku receptorów błonowych, mechanizmu aktywnego, pobierania i transportu związków drobno cząsteczkowych -funkcjonowanie organelli, -badanie wpływu patogenów na roślinę, -źródła pozyskania mieszańców somatycznych- doskonały materiał do biotransformacji, -wpływ hormonów na morfogenezę, - badania czynników wpływających stymulująco bądź hamująco na podstawowe funkcje metaboliczne. Pozyskiwanie protoplastów: -fragment tkanki (np. Liść), podajemy sterylizacji oraz usuwamy epidermę, -skrawki umieszcza się w mieszaninie enzymów macerujących ścianę komórkową ( istotny czas inkubacji, temp, pH), -degradacja dwuetapowa: -najpierw działają enzymy peptyno a następnie celulityczne -degradacja jednoetapowa: stosuje się mieszaninę różnych enzymów o aktywności totalnie degradującej ściany -ważny dodatek stabilizatorów osmotycznych ( o charakterze jonowym i niejonowym), -mieszaninę filtruje się przez sita, -delikatnie wiruje się -w zależności od zastosowania stabilizatora frakcję protoplastów zbiera się w osadzie lub na powierzchni płynu -przemywa kilkakrotnie roztworem stabilizatorów osmotycznych lub pożywką - ostatecznie protoplasty poddaje się ocenie morfologicznej i jakościowej. Zielona rewolucja – określenie programów rozwoju rolnictwa prowadzonych w latach 60. XX w. przez agencję ONZ – Organizacja do spraw Wyżywienia i Rolnictwa (FAO). Ich celem było zlikwidowanie zjawiska głodu na Ziemi poprzez zwiększenie produktywności rolnictwa (zwłaszcza w krajach tropikalnych i subtropikalnych) dzięki zastosowaniu wydajniejszych odmian roślin uprawnych i rozwojowi agrotechniki. Ważnym czynnikiem było wyhodowanie nowych odmian pszenicy, ryżu (np. IR-8) i kukurydzy, charakteryzujących się dużą plennością i odpornością na choroby. Mimo znacznej poprawy sytuacji żywnościowej w wielu krajach m.in. Indiach, Pakistanie, państwach Ameryki Południowej i Afryki, zielona rewolucja miała również swoje negatywne następstwa: ekologiczne – niekorzystne przekształcenia środowiska przyrodniczego w wyniku wprowadzania monokultur rolnych, przeprowadzania nieprzemyślanych melioracji czy nadmiernego zużycia wody w celu nawadniania, nadużywania nawozów sztucznych i pestycydów; społeczne: np. nagły wzrost zróżnicowania dochodów (biedni jeszcze bardziej zubożali), zaś brak doświadczenia rolników i odpowiednich urządzeń do magazynowania spowodowały straty cennych nadwyżek żywności. Idea zielonej rewolucji krytykowana była również z pozycji marksistowskich – uważano, że prawdziwym jej celem jest wprowadzanie i utrwalanie systemu kapitalistycznego, m.in. poprzez zaniechanie reform rolnych i zachowywanie dotychczasowej struktury własności obszarów rolnych.