Biotechnologie

Biotechnologie je obor biologie, který využívá biologické procesy pro průmyslové (výroba antibiotik, hormonů atd.) a jiné účely.

Historie

Pozadí

Biotechnologie je využívána lidmi již od počátku zemědělství, včetně selektivního šlechtění kukuřice (která pochází z trávy teosinte, která se křížila s jinými travami a vytvořila kukuřici), počátku zemědělství a šlechtění rostlin v neolitu a domestikace a selektivního šlechtění zvířat. Všechny moderní plemena psů pocházejí z domestikace šedého vlka; psi a šedí vlci jsou si tak podobní, že patří ke stejnému druhu (psi a šedí vlci mohou mít životaschopné, plodné potomky). Selektivní chov psů byl jedním z příkladů, které Charles Darwin použil k potvrzení svých myšlenek o přirozeném výběru jako metodě vytváření evolučních změn pocházejících od společného předka. V současné době existuje více než 200 běžných plemen psů, která se používají k mnoha různým účelům, od lovu až po společnost. Dnes je také známo, že neandrtálci a lidé jsou stejný druh, který se křížil a vytvořil homo sapiens.

Moderní biotechnologie

Moderní biotechnologii lze chápat jako vycházející z poznatku, že nukleové kyseliny jsou genetickým materiálem, z molekulární struktury molekuly DNA, že nukleové kyseliny jsou univerzálním genetickým materiálem na Zemi a že uvnitř molekuly se nachází genetický kód, který řídí metabolismus buňky, stejně jako párování bází, které usnadňuje replikaci tohoto genetického materiálu (a molekulární informace v něm uložené) na další generace buněk. Lidé využívají biotechnologii k objevování a výrobě léků, genetickému inženýrství, klonování DNA, technologiím rekombinantní DNA, jaderné transplantaci (klonování), designovým proteinům, monoklonálním protilátkám a genové terapii. Vlčí psi mohou být vytvořeni křížením vlka a psa, chiméry ovcí a koz mohou být vytvořeny fúzí ovčího a kozího zygoty a další hybridní a transgenní zvířata mohou být vytvořena fúzí zygoty. Kromě toho lze vytvořit svítící králíky a kočky implantací nových genů do DNA zvířat. Mezi další důležité faktory při využívání biotechnologií patří porozumění lidskému genomu a molekulární úrovni genetické variability; vývoj metodik pro sekvenování lidského genomu za méně než 1 000 dolarů je v plném proudu a mohl by vést k personalizované medicíně. Kromě toho může mapování haplotypů a porozumění epigenomu poskytnout lidem lepší pochopení genetické exprese. Moderní biotechnologie a farmaceutický průmysl již měly zásadní vliv na objevování, izolaci a čištění léčiv pomocí nových technik. K dispozici je mnoho geneticky modifikovaných produktů a mezi použité techniky patří monoklonální protilátky, epidermální růstové faktory, lidský inzulín, interleukiny, mnoho cytokinů, faktor VIII (látka používaná k léčbě hemofiliků). Vědci ze společnosti Genitech objevili způsob, jak izolovat lidský inzulín a vložit jej do bakterií, což bakteriím umožňuje exprimovat lidský inzulínový gen a produkovat bílkoviny. 

Technologie rekombinantní DNA vkládají požadované geny do vhodných vektorů, které se vkládají do genomů buněk v kultuře. Tkáňové kultivační buňky, které obsahují vložené geny, jsou vybrány a produkují požadované genové produkty, které lze sklízet a čistit, což vede k biologicky aktivním produktům. Mezi další oblasti biotechnologie patří mikrobiální (využití prokaryotických organismů), zemědělská (od odolnosti rostlin po lepší rýži, pšenici, kukuřici atd.), živočišné (vytváření bioreaktorů), forenzní DNA otisky prstů (identita), bioremediace (geneticky modifikované mikroby), vodní (geneticky modifikované ryby, stejně jako chov ryb) a lékařské (preventivní medicína, regenerativní medicína, lepší léky a léčby, terapie kmenovými buňkami, genová terapie a reprodukční technologie).

V průběhu 21. století došlo k opravdové vědecké revoluci, která proměnila biologii z deskriptivní vědy na syntetickou vědu. Nyní existují nástroje, které mohou zkoumat běžné genetické choroby a také se dozvědět více o genové interakci u chorob způsobených jediným genem, genetických rizicích atd. Tyto inovace poskytují více pracovních příležitostí, například v oblasti výzkumu a vývoje, a mezi hlavní investory patří výroba a produkce, zajištění kvality, kontrola kvality, vládní dohled a začínající biotechnologické firmy. V roce 2019 dosáhl rychle se rozvíjející biotechnologický průmysl obratu 13 miliard dolarů ročně. Jak věda dozrává, prochází různými fázemi a přechází od sféry analýzy k sféře syntézy. To se stalo v oblasti genetiky, což vedlo k vzniku nové oblasti biotechnologie.

Počátky technologie rekombinantní DNA

V 70. letech 20. století se vyvinuly techniky klonování DNA, které transformovaly genetický výzkum – otevřely možnost studovat celé genomy (genomika), manipulovat s geny, přesouvat geny z jednoho druhu do druhého (rekombinantní genetika) a přinesly revoluční možnosti pro medicínu, zemědělství, ekologii, forenzní vědy a další vědecké obory.

Mezi hlavní kroky ve vývoji biotechnologie v letech 1970 až 2000 patří použití enzymů k rozřezání a opětovnému sestavení DNA na menší kousky, klonování těchto fragmentů ve velkém množství pro usnadnění studií (klonování DNA), sekvenování fragmentů DNA za účelem zjištění přesných genetických písmen ve fragmentech a dekódování fragmentů a jejich sestavení za účelem určení skutečných genových sekvencí (projekt lidského genomu z 90. let do roku 2003). 

Klonování DNA bylo zásadní pro inovace v oblasti úpravy genů a dalších forem biotechnologie. Klonovací vektor a eukaryotické chromozomy byly odděleně štěpeny stejnou restrikční endonukleázou; fragmenty byly poté klonovány a ligovány do klonovacího vektoru. Výsledná rekombinantní DNA byla poté zavedena do hostitelské buňky, kde mohla být rozmnožena (klonována).  To tvořilo základ genetického inženýrství v 70. letech; za touto vědeckou revolucí stál brilantní mysl profesora Paula Berga ze Stanfordu, nositele Nobelovy ceny z roku 1980.

Hamilton O. Smith byl první, kdo izoloval restrikční enzymy typu II, které štěpí na specifických místech. Typ II byl pro genetické inženýrství snazší k použití, protože nevyžadoval ATP; mohl poskytnout „tupé“ nebo „lepkavé konce“, které byly pro manipulaci nejužitečnější. Vymyslel různé typy nůžek na stříhání DNA, které rozpoznávají různé páry bází. Fragmenty s pěti páry se stříhají snáze než fragmenty s devíti páry.

Endonukleázy jsou nástroje, které mohou řezat fragmenty DNA; velikost fragmentu souvisí s velikostí rozpoznávacího místa a do jisté míry také s druhem řezané DNA. V rozpoznávacím místě je více bází. K propojení fragmentů lze použít DNA ligázu, i když spojování je u tupých konců mnohem méně účinné než u lepkavých konců. Ligáza se používá k vytvoření kovalentních vazeb mezi fragmenty a řezy provedenými stejným restrikčním enzymem v klonovacím vektoru. Umělé plazmy, polylinkery, jsou syntetické nukleotidové sekvence, které lze umístit do plazmidu, mají místo pro specifickou endonukleázu a slouží jako vynikající výzkumný nástroj. Berg byl první, kdo použil všechny různé nástroje k vložení molekuly DNA z jednoho druhu do jiného druhu, čímž zvýšil povědomí o mnoha možnostech technologie rekombinantní DNA. Vědci i vládní úředníci při experimentování s rekombinantní DNA uvažovali o regulačních opatřeních, protože se obávali, že Bergův objev umožní lidem vytvářet nové bakterie nebo viry. V Monterey v Kalifornii svolal konferenci, aby získal rady od jiných vědců ohledně toho, jak kontrolovat nové odvětví. Na konferenci Asilomar Conference on Recombinant DNA v únoru 1975 se zúčastnilo 140 profesionálních vědců (především biologů, ale také právníků a lékařů), aby vypracovali dobrovolné pokyny pro zajištění bezpečnosti technologie rekombinantní DNA. Konference také více otevřela vědecký výzkum veřejnosti a lze ji považovat za uplatnění jedné z verzí principu předběžné opatrnosti. Konference doporučila, aby se vláda zapojila do výzkumu s cílem jej regulovat. Ve stejné době Berg, Herbert Boyer a Stanley N. Cohen navštívili delikatesy v San Franciscu a hovořili o svém výzkumu schopností restrikčních enzymů. Cohen a Boyer se rozhodli spolupracovat a položili tak základ první biotechnologické společnosti. Boyer později spolupracoval s Robertem A. Swansonem na založení biotechnologické společnosti Genitech v roce 1976; byla to první biotechnologická společnost vůbec a jejím prvním produktem byl somatostatin (1977), růstový hormon. Byl to první produkt vyrobený bakteriemi, který produkoval lidský hormon, který bylo možné prodávat; jejich vytvoření syntetického lidského inzulínu v roce 1978 bylo pro společnost obrovským zdrojem příjmů. Společnost Roche se později spojila se společností Genitech a vytvořila skupinu Roche Group, což byla jedna z největších fúzí dvou společností v historii. 

Dalším důležitým krokem bylo umístění fragmentů DNA do virů. Vědci mohli vytvářet viry s normálními geny a používat je k léčbě lidí narozených s defektními geny. Konstrukce virů s potřebnými genovými sekvencemi a jejich použití k infikování buněk byla další důležitou součástí inovací v oblasti genetického inženýrství. Dalším krokem bylo sekvencování fragmentů, jehož průkopníky byli Berg, Walter Gilbert a Frederick Sanger. Polovina Nobelovy ceny za chemii za rok 1980 byla udělena Paulu Bergovi, zatímco Gilbert a Sanger se podělili o druhou polovinu za své příspěvky týkající se stanovení sekvencí bází v nukleových kyselinách. Berg před analýzou odřezával aminokyseliny z bílkovin po jedné; u DNA se pokusil udělat totéž s nukleotidy. Tato metoda však nefungovala, protože molekuly byly příliš velké. Místo toho se rozhodl použít řetězec, který kopíroval. Namísto odřezávání kousků přidával vždy jeden a označoval ho jako vytvořený. Pomocí reverzního myšlení spojoval kousky nukleotidů, když je vytvářel, a v průběhu několika následujících desetiletí byl tento proces automatizován a zrychlen. Sanger přišel s metodou čtení fragmentů DNA pomocí DNA polymerázy, deoxy-nukleotidů a primerů k vytvoření reakční směsi. Sanger vytvořil DNA sekvence různých délek, přičemž největší řetězce zůstaly na vrcholu „síta“ gelu zapojeného do procesu. Tento proces byl také automatizován, přičemž DNA sekvence byla čtena určením sekvence barev v píkech, jak procházely detektorem; tato informace byla přenesena přímo do počítače, který určil sekvenci. 

V 80. letech 20. století byla vyvinuta chemická amplifikace pomocí polymerázové řetězové reakce. Tato technologie, oceněná Nobelovou cenou, se stala základem četných testů, které zahrnovaly diagnostiku genetických onemocnění, identifikaci infekčních organismů, forenzní vědu, testování identity, antropologii a další; stala se neuvěřitelně důležitou technikou a byla použita v několika forenzních případech. Kary Mullis získal Nobelovu cenu za svou práci na tomto procesu, když působil jako technolog. PCR lze použít pro testování DNA, osobní DNA příběhy a další účely. Později Francis S. Collins a J. Craig Venter jako první provedli sekvenování genomu, když v roce 1989 zahájili projekt lidského genomu a pracovali na genomech bakterií, kvasinek, hlístic, octomilek, rostlin, lidí, kvasinek, myší, rýže, šimpanzů, protistů, mořských ježků a včel. Geny byly izolovány z genomové knihovny, seřazeny do podrobné fyzické mapy a sekvenovány pomocí protokolů shotgun sekvenování.

V roce 2010, po zdokonalení sekvenačních technik, byl zveřejněn celý genom neandrtálců. To vedlo k důležitým poznatkům o tom, kdo byl náš společný předek (homo erectus) a kdy došlo k rozdělení, které vedlo ke vzniku homo sapiens a neandrtálců před asi 370 000 lety. Projekt lidského genomu dokončil v roce 2003 sekvenci 3,2 miliardy bp lidské DNA a 22 000 genů; v rámci projektu HAPMAP pokryli celý genom genetickými markery. 

Existuje 5 000 známých onemocnění způsobených mutacemi v jediném genu (cystická fibróza, Tay-Sachsova choroba atd.). Genetické testování běžných mutací v genu může být problémem, pokud existují etnické rozdíly v populaci; řešením je sekvenování celého genu pomocí technologie Next Generation DNA. Multifaktoriální onemocnění, jako je rakovina, cukrovka, obezita a Alzheimerova choroba, jsou velmi častá. Byly zapojeny mutace mnoha genů, které predisponovaly k onemocnění, ale nezaručovaly ho. Významný je také vliv prostředí. K vyléčení těchto onemocnění by bylo nutné sekvenování velkých panelů více genů DNA nebo sekvenování celé exomové DNA. Cíle v oblasti multifaktoriálních onemocnění člověka zahrnují identifikaci všech genů, které významně přispívají k onemocnění (genomové DNA mikročipy), identifikaci predisponujících mutací těchto genů běžných v populaci a sekvenování genů, genový panel, sekvenování celého exomu a celého genomu u jednotlivých pacientů za účelem posouzení genetického rizika běžných onemocnění.

Další informace: 10. illinoiský pěší pluk, 13. pennsylvánský záložní pluk.