Bioteknologi adalah produksi produk dan bahan yang dibutuhkan manusia secara sadar dengan menggunakan organisme hidup dan proses biologis.

Sejak dahulu kala, bioteknologi telah digunakan terutama dalam industri makanan dan ringan: dalam pembuatan anggur, pembuatan roti, fermentasi produk susu, dalam pengolahan rami dan kulit, berdasarkan penggunaan mikroorganisme. Dalam beberapa dekade terakhir, kemungkinan bioteknologi telah berkembang pesat. Hal ini disebabkan metodenya lebih menguntungkan dibandingkan metode konvensional karena alasan sederhana bahwa pada organisme hidup, reaksi biokimia yang dikatalisis oleh enzim terjadi pada kondisi optimal (suhu dan tekanan), lebih produktif, ramah lingkungan dan tidak memerlukan bahan kimia. reagen yang meracuni lingkungan.

Objek bioteknologi adalah berbagai perwakilan kelompok organisme hidup - mikroorganisme (virus, bakteri, protozoa, ragi), tumbuhan, hewan, serta sel yang diisolasi darinya dan komponen subseluler (organel) dan bahkan enzim. Bioteknologi didasarkan pada proses fisiologis dan biokimia yang terjadi dalam sistem kehidupan, yang mengakibatkan pelepasan energi, sintesis dan pemecahan produk metabolisme, serta pembentukan komponen kimia dan struktural sel.

Arah utama bioteknologi adalah produksi, dengan menggunakan mikroorganisme dan sel eukariotik yang dikultur, senyawa aktif biologis (enzim, vitamin, hormon), obat-obatan (antibiotik, vaksin, serum, antibodi yang sangat spesifik, dll.), serta senyawa berharga ( bahan tambahan pakan, misalnya asam amino esensial, protein pakan, dan sebagainya). Metode rekayasa genetika telah memungkinkan untuk mensintesis hormon seperti insulin dan somatotropin (hormon pertumbuhan) dalam jumlah industri, yang diperlukan untuk pengobatan penyakit genetik manusia.

Salah satu bidang bioteknologi modern yang paling penting juga adalah penggunaan metode biologis untuk memerangi pencemaran lingkungan (pengolahan air limbah secara biologis, tanah yang terkontaminasi, dll.).

Jadi, untuk mengekstrak logam dari air limbah, strain bakteri yang mampu mengakumulasi uranium, tembaga, dan kobalt dapat digunakan secara luas. Bakteri lain dari genera Rhodococcus dan Nocardia berhasil digunakan untuk emulsifikasi dan penyerapan hidrokarbon minyak bumi dari lingkungan perairan. Mereka mampu memisahkan fase air dan minyak, memekatkan minyak, dan memurnikan air limbah dari kotoran minyak. Dengan mengasimilasi hidrokarbon minyak bumi, mikroorganisme tersebut mengubahnya menjadi protein, vitamin B, dan karoten.

Beberapa strain halobacteria berhasil digunakan untuk menghilangkan bahan bakar minyak dari pantai berpasir. Strain rekayasa genetika juga telah diperoleh yang dapat memecah oktan, kapur barus, naftalena, dan xilena, serta memanfaatkan minyak mentah secara efektif.

Penggunaan metode bioteknologi untuk melindungi tanaman dari hama dan penyakit sangatlah penting.

Bioteknologi mulai memasuki industri berat, dimana mikroorganisme digunakan untuk mengekstraksi, mengubah dan memproses sumber daya alam. Di zaman kuno, ahli metalurgi pertama memperoleh besi dari bijih rawa yang dihasilkan oleh bakteri besi, yang mampu mengkonsentrasikan besi. Sekarang metode telah dikembangkan untuk konsentrasi bakteri dari sejumlah logam mineral lainnya: mangan, seng, tembaga, kromium, dll. Metode ini digunakan untuk mengembangkan timbunan tambang tua dan endapan miskin, di mana metode penambangan tradisional tidak layak secara ekonomi.

Rekayasa genetika adalah salah satu metode bioteknologi yang paling penting. Ini melibatkan penciptaan buatan yang ditargetkan dari kombinasi materi genetik tertentu yang mampu berfungsi secara normal di dalam sel, yaitu memperbanyak dan mengendalikan sintesis produk akhir. Ada beberapa jenis metode rekayasa genetika, tergantung pada tingkat dan karakteristik penggunaannya.

Rekayasa genetika digunakan terutama pada prokariota dan mikroorganisme, meskipun baru-baru ini mulai digunakan pada eukariota yang lebih tinggi (misalnya tumbuhan). Metode ini melibatkan isolasi gen individu dari sel atau sintesis gen di luar sel (misalnya, berdasarkan RNA pembawa pesan yang disintesis oleh gen tertentu), penataan ulang terarah, penyalinan dan perbanyakan gen yang diisolasi atau disintesis (kloning gen), serta sebagai transfer dan inklusi mereka dalam subjek perubahan genom. Dengan cara ini, dimungkinkan untuk mencapai masuknya gen “asing” ke dalam sel bakteri dan sintesis senyawa penting bagi manusia oleh bakteri. Berkat ini, gen sintesis insulin dari genom manusia dapat dimasukkan ke dalam genom E. coli. Insulin yang disintesis oleh bakteri digunakan untuk mengobati pasien diabetes.

Perkembangan rekayasa genetika menjadi mungkin berkat penemuan dua enzim - enzim restriksi, yang memotong molekul DNA di area yang ditentukan secara ketat, dan ligase, yang menyatukan potongan-potongan molekul DNA yang berbeda. Selain itu, rekayasa genetika didasarkan pada penemuan vektor, yaitu molekul DNA melingkar pendek yang berkembang biak secara mandiri dalam sel bakteri. Dengan bantuan enzim restriksi dan ligase, gen yang diperlukan dimasukkan ke dalam vektor, kemudian dimasukkan ke dalam genom sel inang.

Rekayasa sel adalah metode membangun jenis sel baru berdasarkan budidaya, hibridisasi, dan rekonstruksi. Hal ini didasarkan pada penggunaan metode kultur sel dan jaringan. Ada dua bidang rekayasa sel: 1) penggunaan sel yang ditransfer ke dalam kultur untuk sintesis berbagai senyawa yang berguna bagi manusia; 2) penggunaan sel yang dikultur untuk memperoleh tanaman yang diregenerasi darinya.

Sel tumbuhan dalam kultur merupakan sumber penting bahan alami yang berharga, karena sel tersebut mempertahankan kemampuan untuk mensintesis zat yang menjadi ciri khasnya: alkaloid, minyak atsiri, resin, senyawa aktif biologis. Dengan demikian, sel-sel ginseng yang ditransfer ke dalam kultur terus mensintesis, seperti dalam komposisi seluruh tanaman, bahan baku obat yang berharga. Selain itu, dalam kultur, manipulasi apa pun dapat dilakukan dengan sel dan genomnya. Dengan menggunakan mutagenesis terinduksi, dimungkinkan untuk meningkatkan produktivitas strain sel yang dikultur dan melakukan hibridisasinya (termasuk hibridisasi jarak jauh) dengan lebih mudah dan sederhana daripada pada tingkat organisme secara keseluruhan. Selain itu, pekerjaan rekayasa genetika dapat dilakukan dengan mereka, seperti halnya sel prokariotik.

Melalui hibridisasi limfosit (sel yang mensintesis antibodi, tetapi tumbuh dengan enggan dan dalam waktu singkat dalam kultur) dengan sel tumor yang memiliki potensi keabadian dan mampu tumbuh tanpa batas dalam lingkungan buatan, salah satu masalah terpenting bioteknologi pada tahap saat ini. telah dipecahkan - sel hibridoma yang mampu tumbuh tanpa akhir telah diperoleh sintesis antibodi yang sangat spesifik dari jenis tertentu.

Dengan demikian, rekayasa sel memungkinkan untuk membangun jenis sel baru menggunakan proses mutasi, hibridisasi dan, terlebih lagi, menggabungkan fragmen individu dari sel yang berbeda (inti, mitokondria, plastida, sitoplasma, kromosom, dll.), sel dari berbagai jenis. , tidak hanya terkait dengan genera, famili, tetapi juga kerajaan yang berbeda. Hal ini memfasilitasi pemecahan banyak masalah teoretis dan memiliki signifikansi praktis.

Rekayasa sel banyak digunakan dalam pemuliaan tanaman. Hibrida tomat dan kentang, apel dan ceri telah dikembangkan. Tanaman yang diregenerasi dari sel-sel tersebut dengan hereditas yang berubah memungkinkan untuk mensintesis bentuk dan varietas baru yang memiliki sifat bermanfaat dan tahan terhadap kondisi lingkungan dan penyakit yang merugikan. Metode ini juga banyak digunakan untuk “menyelamatkan” varietas berharga yang terkena penyakit virus. Dari kecambahnya dalam kultur, beberapa sel apikal diisolasi, yang belum terkena virus, dan tanaman sehat diregenerasi darinya, pertama dalam tabung reaksi, kemudian ditransplantasikan ke tanah dan diperbanyak.



Munculnya rekayasa genetika (genetik). terkait dengan penciptaan teknologi untuk mengisolasi gen dari DNA dan metode perbanyakan gen yang diinginkan oleh ilmuwan alam P. Berg (1972, USA). Pengenalan informasi genetik asing ke dalam organisme hidup, manipulasi genetik untuk mengubah genotipe yang ada dan menciptakan genotipe baru merupakan salah satu masalah rekayasa genetika yang paling menjanjikan saat ini.

Berdasarkan rekayasa genetika, cabang baru industri farmasi telah muncul, yang merupakan cabang bioteknologi modern yang menjanjikan - sintesis mikrobiologi. Dengan menggunakan metode rekayasa genetika, klon dari banyak gen, insulin, histon, kolagen dan globin tikus, kelinci dan manusia, hormon peptida dan interferon, yang digunakan dalam praktik medis, telah diperoleh.

Perkembangan rekayasa genetika memungkinkan terciptanya genotipe baru tanaman dan hewan pertanian yang ditandai dengan tidak adanya penyakit tertentu dan peningkatan produktivitas.

Metode rekayasa genetika banyak digunakan dalam bidang kedokteran, farmakologi, dan mikrobiologi. Misalnya, dengan menggunakan tes molekuler (fragmen DNA), dimungkinkan untuk menentukan apakah darah donor terinfeksi virus AIDS.

Teknologi genetik telah dikembangkan untuk meningkatkan kualitas vaksin dan menciptakan vaksin baru. Ahli genetika melakukan penelitian tentang modifikasi genetik terhadap sifat-sifat mikroorganisme yang diperlukan untuk pembuatan keju, pembuatan anggur, pembuatan kue, dan produksi produk susu fermentasi.

Pertanian menggunakan mikroba yang dimodifikasi untuk memerangi virus, kuman, dan serangga berbahaya.

Rekayasa sel berkaitan dengan manipulasi genetik sel individu atau kelompok sel. Prestasi rekayasa sel meliputi teknik fertilisasi in vitro sel telur dengan implantasi embrio berikutnya ke dalam rahim. Saat ini terdapat puluhan ribu bayi tabung di dunia.

Metode rekayasa seluler digunakan dalam peternakan untuk membiakkan hewan dengan kualitas tertentu yang bermanfaat bagi manusia. Dalam hal ini, bagian molekul DNA dimasukkan ke dalam telur hewan percobaan, mengubah genotipe individu.

Dalam budidaya tanaman, untuk mengurangi waktu reproduksi dan secara signifikan meningkatkan jumlah spesimen baru, mereka menggunakan mikropropagasi klonal(memperoleh organisme tumbuhan dari satu sel).

Namun, perlu diperhatikan aspek negatif dari perkembangan rekayasa genetika dan seluler: kemungkinan memperoleh virus patogen baru dan menciptakan senjata bakteriologis jenis baru menjadi nyata, yang tidak hanya menyebabkan destabilisasi dan ketegangan dalam hubungan antar negara, tetapi juga mengarah pada destabilisasi dan ketegangan hubungan antar negara. juga mengancam kesejahteraan peradaban manusia.

Pada tahun 1997, muncul informasi di media bahwa ilmuwan Skotlandia J. Wilmut telah mengembangkan metode kloning mamalia, yang menghasilkan kloning domba Dolly. 236 percobaan dilakukan, dan hanya satu yang berhasil - seekor domba lahir dengan seluruh genotipe induknya.

Setelah itu, diskusi mengenai isu kloning manusia mulai semakin sering muncul. Memang benar, teknologi rekayasa genetika kini semakin dekat untuk memecahkan masalah ini. Namun harus diingat bahwa kloning manusia akan menimbulkan sejumlah masalah etika, hukum dan agama, di antaranya yang paling mendesak mungkin adalah sebagai berikut:

♦ merendahkan nilai-nilai moral kemanusiaan;

♦ dampak buruk terhadap keberlanjutan sosial dan biologis populasi manusia;

♦ kemungkinan munculnya suatu peradaban dengan kriteria moral lain (atau ketiadaan kriteria moral);

♦ munculnya asosiasi kriminal peneliti yang menggunakan prestasi rekayasa genetika untuk tujuan ilegal.

Oleh karena itu, aspek moral dan sosial dari pemanfaatan capaian genetika untuk kepentingan manusia memerlukan diskusi, perhatian, dan kontrol publik yang luas.

Pertanyaan tes mandiri

1. Mengapa elektromagnetisme merupakan ciri keberadaan makhluk hidup?

2. Apa yang dimaksud dengan pendekatan evolusioner-sinergis dalam mendeskripsikan alam?

3. Apa hakikat pengorganisasian diri di alam pada umumnya dan makhluk hidup pada khususnya?

4. Apa peran sinergis bagi pandangan dunia modern?

5. Sebutkan sifat-sifat utama sistem yang mengatur dirinya sendiri.

6. Memberikan konsep pohon percabangan sebagai model evolusi alam, manusia, dan masyarakat.

7. Mendefinisikan kehidupan dari sudut pandang berbagai ilmuwan. Sebutkan perbedaan benda hidup dan tak hidup.

8. Mendeskripsikan tingkatan struktural organisasi makhluk hidup.

9. Merumuskan hipotesis utama tentang asal usul kehidupan di bumi.

10. Sebutkan tahapan-tahapan utama asal usul kehidupan menurut A.I.Oparin.

11. Mendeskripsikan sel sebagai satuan dasar makhluk hidup.

12. Sebutkan ketentuan pokok teori evolusi Charles Darwin. Apa perbedaan teori evolusi sintetik dengan teori Darwin?

13. Bagaimana gambaran evolusi dunia dan evolusionisme global?

14. Mendefinisikan hereditas dan variabilitas.

15. Apa yang dimaksud dengan konsep “warisan”, “gen”, “genom”, “kumpulan gen”?

16. Apa yang dimaksud dengan genotipe dan fenotipe? Mengapa secara umum diterima bahwa genotipe menentukan fenotipe?

17. Definisikan kode genetik dan daftarkan sifat-sifatnya.

18. Sebutkan prinsip dasar analisis hibridologi.

19. Sifat manakah yang disebut dominan dan mana yang disebut resesif?

20. Organisme manakah yang disebut homozigot dan mana yang heterozigot?

21. Berikan rumusan modern dari hukum Mendel.

22. Apa saja ciri-ciri genetika manusia? Sebutkan metode utama genetika manusia.

Sejak lama, manusia bermimpi bahwa hewan yang diternakkannya akan menjadi lebih besar, lebih tangguh, dan lebih produktif. Sehingga tanaman pertanian yang ditanamnya matang dalam waktu sesingkat-singkatnya, tidak terserang hama dan penyakit, serta tumbuh meski dalam kondisi suhu lingkungan yang rendah dan tidak adanya hujan secara teratur.

Sampai batas tertentu, semua rencana ini terwujud berkat seleksi, namun proses ini sangat panjang, dan tidak ada yang bisa menjamin kesuksesan total. Selain itu, metode ini sama sekali tidak akan membantu menggabungkan ciri-ciri beberapa spesies sekaligus dalam satu organisme. Tentu saja, jika mereka dapat kawin secara alami, maka hal ini mungkin terjadi, tetapi dalam kasus lain orang hanya dapat memimpikan kualitas keturunan yang diperlukan.

Teknologi Inti

Metode utama untuk mencapai hasil tersebut adalah rekayasa sel. Semua tekniknya telah dikerjakan secara paling rinci pada beberapa mikroorganisme. Secara umum, kemungkinan dan prospek lebih lanjut dari arah ini sangatlah besar. Saat ini, penelitian mendalam sedang dilakukan untuk mengisolasi gen individu yang dapat diintegrasikan ke dalam tubuh. Sederhananya, adalah mungkin untuk menciptakan hewan dan tumbuhan peliharaan yang memiliki serangkaian karakteristik yang ditentukan secara ketat dan memiliki penampilan yang diperlukan.

Kita tidak boleh lupa bahwa rekayasa seluler mikroorganisme telah memungkinkan diperolehnya bakteri “multifungsi”, yang, misalnya, dapat menguraikan polietilen secara biologis. Selain itu, bakteri yang dimodifikasi merupakan bahan yang ideal untuk produksi vaksin. Mereka mungkin benar-benar aman (yang memungkinkan penggunaan obat-obatan “hidup”) karena tidak adanya virulensi, tetapi mereka memiliki seluruh rangkaian antigen dari nenek moyang “liar” mereka.

Terakhir, rekayasa sel tumbuhanlah yang memungkinkan pengembangan semangka persegi dan lemon tanpa biji yang terkenal. Kepadanya kita berhutang penampilan kentang, yang tidak dimakan oleh larva dan kumbang kentang Colorado dewasa. Berkat penelitian genetikalah gandum muncul, yang dengan mudah menghasilkan panen yang sangat baik di tanah yang mengandung garam (!)!

Metode rekayasa sel

Semua sel tumbuhan memiliki sifat totipotensi (yaitu ketika satu sel dapat berkembang menjadi organisme utuh). Di bidang pertanian, hal ini memberikan prospek yang tidak terbatas untuk eksperimen pemuliaan jenis tanaman baru yang berguna bagi manusia. Rekayasa sel di bidang peternakan sangat menjanjikan. Saat ini, para ilmuwan memiliki pengalaman luas dalam mengumpulkan dan menyimpan sel somatik dari berbagai ras hewan secara in vitro. Hal ini terutama berlaku untuk menyimpan material pada suhu rendah.

Ngomong-ngomong, metode rekayasa sel hewan apa saja yang ada? Mari kita bahas.

Pemisahan embrio awal

Saat ini, metode pemisahan embrio awal sangat menjanjikan. Dorongan pertama ke arah ini diberikan oleh dimulainya perkembangan transplantasi, metode yang memungkinkan untuk mengawetkan sejumlah besar embrio yang diperoleh. Secara umum, percobaan pertama yang berhasil dalam memisahkan materi embrio pada tahap 2–8 dilakukan oleh Willard (di Cambridge, Inggris). Kerugian dari metode ini adalah padat karya, oleh karena itu operasi ini hanya dapat dilakukan di fasilitas kesehatan yang lengkap.

Sederhananya, ini adalah bioteknologi yang sangat kompleks. Rekayasa seluler saat ini menggunakan metode yang lebih sederhana.

Pemisahan embrio terlambat

Dengan demikian, para ilmuwan mulai memanipulasi materi embrio hanya pada tahap selanjutnya (morula, blastokista). Inti dari metode ini adalah zona transparan (pellucida) dibuka terlebih dahulu, setelah itu embrio dibagi dua dengan hati-hati. Separuhnya tetap di tempat yang sama, sedangkan bagian kedua dipindahkan ke area yang telah disiapkan sebelumnya.

Bahkan beberapa tahun lalu, tingkat kelangsungan hidup embrio yang menggunakan teknik ini mencapai 50-60%, sedangkan saat ini angka tersebut sudah mendekati 80%. Dampak utama yang diterapkan adalah peningkatan signifikan pada jumlah anak sapi yang diperoleh dari satu produsen. Tidak mengherankan jika rekayasa sel hewan menjadi industri yang tidak kekurangan dana.

Ilmuwan Amerika adalah yang pertama melakukan eksperimen ini. Merekalah yang menyimpulkan bahwa jika embrio tidak memiliki membran transparan, maka embrio tersebut akan bertahan hidup tidak lebih dari 15% kasus, namun jika lapisan beningnya tetap terjaga, maka tingkat kelangsungan hidup segera meningkat menjadi 35% kasus. Hasil paling optimal diperoleh jika setiap separuh embrio yang terbelah memiliki selaput transparan dan setiap bagian dimasukkan ke dalam tanduk rahim yang terpisah: dalam kondisi modern, hingga 75% embrio dapat bertahan hidup.

Namun untuk tujuan apa rekayasa sel digunakan dalam praktiknya? Hasil apa yang Anda dapatkan dengan bantuannya?

Pentingnya rekayasa sel dalam pemuliaan

Saat ini, teknik ini semakin banyak digunakan dalam pemuliaan internasional. Baru-baru ini, teknik memperoleh dan menanamkan embrio pada babi telah berhasil diuji. Para peneliti percaya bahwa rekayasa sel dapat meningkatkan jumlah keturunan suatu hewan setidaknya 30-35%. Namun kita tidak boleh melupakan kemungkinan memperoleh salinan genetik.

Hewan-hewan seperti itu hampir bernilai emas bagi para ilmuwan yang mempelajari interaksi lingkungan dan genotipe. Faktanya adalah kehadiran dua individu yang benar-benar identik memungkinkan untuk meminimalkan pengaruh faktor internal ketika mempelajari pengaruh lingkungan eksternal terhadap tubuh. Selain itu, satu ekor hewan dari satu pasang dapat disembelih jika penelitian memerlukan data keadaan internal tubuh.

Semua perkembangan ini merupakan metode dasar rekayasa sel. Namun kita lupa membicarakan arah terpenting dari cabang ilmu ini terkait dengan pengaturan buatan jenis kelamin hewan ternak. Saatnya memperbaiki kekurangan ini.

Metode pengaturan seks

Tentunya tidak seorang pun akan terkejut mengetahui betapa pentingnya perkembangan di bidang regulasi seks buatan pada hewan ternak. Saat ini, para ilmuwan tidak dapat mengatur jumlah hewan berjenis kelamin sama, dan terdapat masalah besar dalam mengenali jenis kelamin suatu individu pada tahap awal perkembangannya. Sejauh ini, hanya sedikit kemajuan yang dicapai dalam regulasi buatan indikator ini: bahkan rekayasa sel dan kloning tidak dapat sepenuhnya menyelesaikan masalah ini.

Tentu saja, idealnya memisahkan sperma yang membawa kromosom X dan Y saja. Ke arah inilah penelitian harus dikembangkan. Pendekatan lain (yang lebih sederhana dan karena itu digunakan) adalah dengan mengeluarkan embrio awal dari sistem reproduksi wanita, menentukan jenis kelaminnya, dan kemudian mentransplantasikannya.

Namun bagaimana hubungan metode rekayasa sel dengan semua ini? Semuanya cukup sederhana.

Ini semua tentang metode sitologi yang menentukan jenis embrio, XX atau XY. Hal ini dilakukan dengan mempelajari kromatin atau kromosom seks. Dalam beberapa tahun terakhir, ditemukan juga bahwa jenis kelamin dapat ditentukan dengan mempelajari antibodi spesifik, yang sangat berbeda pada wanita dan pria. Ada juga pendapat beberapa ilmuwan bahwa jenis kelamin dapat ditentukan dengan mempelajari aktivitas glukosa-6-fosfat dehidrogenase. Namun, saat ini, metode sitologi dan imunologi (studi tentang antibodi) adalah yang paling efektif.

Rekayasa genetika

Bukan suatu kebetulan jika judul artikel ini menggunakan frasa “rekayasa genetika dan seluler”. Betapapun efektifnya metode untuk mengoreksi materi seluler, bekerja secara langsung dengan gen akan selalu jauh lebih efektif.

Saat ini, metode genetika secara bertahap mendapatkan peran utama dalam peternakan dan produksi tanaman di seluruh dunia. Berkat mereka, pekerjaan pemuliaan telah mencapai tingkat yang secara fundamental baru: mulai sekarang, para ilmuwan tidak hanya dapat menebak kualitas apa yang akan dimiliki individu yang mereka ciptakan, tetapi juga mengetahuinya dengan pasti.

Perlu segera dicatat bahwa semuanya tidak begitu baik. Ada beberapa batasan. Faktanya, hanya materi genetik dari sapi jantan yang dapat memperbaiki keturunannya (improver) yang boleh dimanipulasi secara genetik. Satu-satunya masalah adalah saat ini hanya ada sedikit hewan seperti itu. Selain itu, program pemberantasan mastitis juga belum membuahkan hasil yang nyata. Sederhananya, rekayasa genetika dan seluler bukanlah obat mujarab.

Metode rekayasa itu sendiri mulai muncul menjadi satu sistem hanya pada tahun 50-an abad yang lalu. Dengan demikian, salah satu karya utama yang meletakkan dasar bagi cabang ilmu pengetahuan ini adalah eksperimen transplantasi inti sel menggunakan metode Briggs dan King. Pada awalnya, operasi ini berhasil dilakukan secara eksklusif pada katak. Saat ini, percobaan yang berhasil sedang dilakukan pada transplantasi materi genetik bahkan pada tikus dan mamalia yang lebih besar.

Baru-baru ini, para ilmuwan telah menciptakan metode transfer nuklir setelah fusi karyoplasts. Selain itu, metode genetika dan rekayasa sel telah memungkinkan terciptanya organisme chimeric berdasarkan berbagai jenis mamalia.

Gardner segera mengembangkan metode baru yang mendasar di mana blastomer ditanamkan ke dalam blastokista penerima. Butler berhasil menguji teknik ini pada tikus laboratorium. Atas dasar perkembangan inilah chimera yang didasarkan pada organisme domba pertama kali diperoleh.

Semua pekerjaan yang dijelaskan di atas secara bertahap mempersiapkan ilmu pertanian dunia untuk pengenalan metode rekayasa genetika secara luas. Metode yang paling umum saat ini adalah transfer materi gen ke dalam sel yang dikultur dan selanjutnya dimasukkan ke dalam blastokista.

Namun sebelum kita memahami beberapa aspek dari teknologi ini, ada baiknya kita menjawab sebuah pertanyaan penting. Lebih tepatnya, bahas perbedaan antara rekayasa genetika dan rekayasa seluler. Secara umum, semuanya di sini cukup sederhana: jika dalam kasus pertama para ilmuwan beroperasi secara langsung dengan materi genetik, maka ketika menggunakan metode "seluler", seluruh organel dan bagian sel diambil untuk bekerja, yang ditanamkan ke dalam materi penerima.

Definisi yang diperluas

Lalu apa inti dari rekayasa genetika? Pada pertengahan tahun 70-an abad terakhir, para ilmuwan membuat penemuan yang sensasional. Mereka menemukan bahwa beberapa enzim mikroba mampu memotong molekul DNA di tempat yang diperlukan. Sederhananya, telah muncul peluang unik untuk memperoleh materi genetik dengan sifat-sifat yang ditentukan secara ketat.

Para peneliti akhirnya dapat mengidentifikasi gen tertentu dengan akurat dan juga mengkloningnya jika diperlukan. Prinsip-prinsip apa yang memandu para ilmuwan dalam pekerjaan mereka? Secara umum hanya ada dua diantaranya:

• Gen tersebut harus mempunyai ciri-ciri yang jelas untuk dapat dideteksi.
• Materi genetik yang diisolasi perlu dilekatkan pada pembawa (virus, misalnya), yang akan melakukan transplantasi.

Sederhananya, gen yang diisolasi dari tubuh donor harus ditransfer ke tubuh penerima, yang mana gen tersebut adalah benda asing. Hal utama dalam pekerjaan para peneliti bukan hanya untuk mencapai pengerjaannya, tetapi juga untuk menciptakan kondisi di mana ia akan bereplikasi secara normal.

Bekerja dengan zigot

Namun, dalam beberapa tahun terakhir, teknik yang menyuntikkan gen asing ke dalam pronukleus zigot hewan telah meluas. Untuk pertama kalinya, metode ini diuji pada oosit katak danau: pertama, DNA tertentu dimasukkan ke dalamnya, dan para ilmuwan segera mencatat integrasi dan transkripsi. Pada tahun 1981, percobaan menarik dilakukan untuk pertama kalinya, di mana gen gammaglobulin kelinci dimasukkan ke dalam zigot tikus.

Gen tersebut tampak seperti tandem genom panjang yang mengandung daerah stabil. Anehnya, mereka ditranskripsi dengan benar hanya jika mereka benar-benar bebas dari komponen plasmid. Ekspresi gen yang disisipkan menggunakan metode ini dipelajari secara rinci pada tikus laboratorium.

Satu tahun sebelum percobaan dengan zigot tikus, pada tahun 1980, plasmid pBR322, yang berisi fragmen virus SK40 dan HSV, ditempatkan ke dalam pronukleus zigot tikus yang sama. Hasilnya, DNA virus ditemukan pada tiga tikus dari 78 individu yang berpartisipasi dalam percobaan tersebut. Anehnya, ketika gen gammaglobulin manusia disuntikkan, integrasinya sudah diamati pada lima tikus dari 33 individu (lebih dari 15%). Pengalaman ini telah membuktikan bahwa penciptaan organisme chimerical yang menggabungkan ciri-ciri beberapa spesies sekaligus sangat mungkin dilakukan.

Brinster dan para pengikutnya serta murid-muridnya mentransplantasikan konstruksi yang disiapkan secara khusus ke dalam pronukleus zigot tikus, termasuk metallothionein tikus, serta gen timidin kinase. Dalam hal ini, integrasi lengkap telah diamati pada 17% hewan laboratorium.

Kesimpulan utama

Saat ini, rekayasa genetika akhirnya menjadi cabang ilmu pengetahuan yang menjanjikan dan diperbincangkan. Hampir semua orang mengetahui hal ini. Tapi apa tugas rekayasa sel dan pengerjaan materi genetik? Oh, mereka cukup bervariasi.

Pertama, para ilmuwan di seluruh dunia dihadapkan pada tugas untuk menenangkan dan mengurangi kelaparan di seluruh dunia. Metode rekayasa genetika dan seluler memungkinkan terciptanya varietas spesies tumbuhan dan hewan yang produktivitasnya puluhan kali lebih tinggi dibandingkan nenek moyang liarnya.

Kedua, cabang keilmuan ini mungkin mampu mengatasi permasalahan penuaan dini dan penyakit genetik lainnya yang saat ini belum ada obatnya. Terakhir, rekayasa genetika suatu hari nanti pasti akan memperpanjang umur secara signifikan!

Para ahli mengatakan bahwa metode rekayasa genetika dalam waktu dekat akan memungkinkan tidak hanya untuk mendiagnosis penyakit genetik (sindrom Down, misalnya) pada tahap awal kehamilan, tetapi juga untuk mengobatinya secara efektif!

Rekayasa seluler adalah arah dalam ilmu pengetahuan dan praktik pemuliaan yang mempelajari metode hibridisasi sel somatik milik spesies berbeda, kemungkinan mengkloning jaringan atau seluruh organisme dari sel individu.

Salah satu metode pemuliaan tanaman yang umum adalah metode haploid - memperoleh tanaman haploid lengkap dari sperma atau sel telur.

Telah diperoleh sel hibrida yang menggabungkan sifat limfosit darah dan sel tumor yang aktif bereproduksi. Hal ini memungkinkan Anda memperoleh antibodi dengan cepat dan dalam jumlah yang tepat.

Kultur jaringan– digunakan untuk memperoleh jaringan tumbuhan atau hewan, dan terkadang seluruh organisme, dalam kondisi laboratorium. Dalam pertumbuhan tanaman, digunakan untuk mempercepat produksi garis diploid murni setelah pengobatan bentuk aslinya dengan colchicine.

Rekayasa genetika– perubahan genotipe mikroorganisme secara artifisial dan terarah untuk mendapatkan tanaman dengan sifat yang telah ditentukan.

Metode dasar– isolasi gen yang diperlukan, kloning dan pengenalannya ke dalam lingkungan genetik baru. Metode tersebut meliputi tahapan pekerjaan sebagai berikut:

– isolasi suatu gen, hubungannya dengan molekul DNA sel yang dapat mereproduksi gen donor di sel lain (dimasukkannya ke dalam plasmid);

– pengenalan plasmid ke dalam genom sel bakteri penerima;

– pemilihan sel bakteri yang diperlukan untuk penggunaan praktis;

– Penelitian di bidang rekayasa genetika tidak hanya mencakup mikroorganisme, tetapi juga manusia. Mereka sangat relevan dalam pengobatan penyakit yang berhubungan dengan gangguan sistem kekebalan tubuh, sistem pembekuan darah, dan onkologi.

Kloning. Dari sudut pandang biologis, kloning adalah perbanyakan tumbuhan dan hewan secara vegetatif, yang keturunannya membawa informasi turun-temurun yang identik dengan induknya. Di alam, tumbuhan, jamur, dan protozoa dikloning, yaitu. organisme yang berkembang biak secara vegetatif. Dalam beberapa dekade terakhir, istilah ini mulai digunakan ketika inti suatu organisme ditransplantasikan ke dalam telur organisme lain. Contoh kloning tersebut adalah domba Dolly yang terkenal, yang diperoleh di Inggris pada tahun 1997.

Bioteknologi– proses penggunaan organisme hidup dan proses biologis dalam produksi obat-obatan, pupuk, dan produk perlindungan tanaman biologis; untuk pengolahan air limbah biologis, untuk ekstraksi biologis logam berharga dari air laut, dll.

Dimasukkannya gen yang bertanggung jawab atas pembentukan insulin pada manusia dalam genom Escherichia coli memungkinkan dilakukannya produksi industri hormon ini.

Di bidang pertanian, lusinan tanaman pangan dan pakan telah dimodifikasi secara genetik. Dalam peternakan, penggunaan hormon pertumbuhan yang diproduksi secara bioteknologi telah meningkatkan produksi susu;

menggunakan virus hasil rekayasa genetika untuk membuat vaksin herpes pada babi. Dengan bantuan gen yang baru disintesis yang dimasukkan ke dalam bakteri, sejumlah zat aktif biologis penting diperoleh, khususnya hormon dan interferon. Produksi mereka merupakan cabang penting dari bioteknologi.

Seiring kemajuan genetika dan rekayasa sel, masyarakat menjadi semakin khawatir tentang kemungkinan manipulasi materi genetik. Beberapa kekhawatiran secara teoritis dapat dibenarkan. Misalnya, tidak mungkin untuk mengesampingkan transplantasi gen yang meningkatkan resistensi terhadap antibiotik dari beberapa bakteri dan penciptaan bentuk produk makanan baru, namun pekerjaan ini dikendalikan oleh negara dan masyarakat. Bagaimanapun, bahaya penyakit, kekurangan gizi dan guncangan lainnya jauh lebih besar dibandingkan dengan penelitian genetik.

Prospek rekayasa genetika dan bioteknologi:

– penciptaan organisme yang berguna bagi manusia;

– mendapatkan obat baru;

– koreksi dan koreksi patologi genetik.

Untuk mengobati banyak penyakit, diperlukan berbagai zat aktif biologis. Jika diisolasi dari jaringan manusia, terdapat bahaya kontaminasi bahan yang dihasilkan dengan berbagai virus (hepatitis B, human immunodeficiency, dll.). Selain itu, zat tersebut diproduksi dalam jumlah kecil dan harganya mahal. Zat aktif biologis yang berasal dari hewan tidak efektif karena ketidakcocokan dengan sistem kekebalan tubuh orang yang sakit. Hanya pengembangan cabang baru rekayasa genetika yang membantu memastikan produksi zat aktif biologis murni dalam jumlah besar dengan harga lebih rendah.

Rekayasa genetika- ini adalah penciptaan molekul DNA hibrid dan rekombinan, dan karenanya organisme dengan karakteristik baru. Untuk melakukan ini, perlu untuk mengisolasi gen dari suatu organisme atau mensintesisnya secara artifisial, mengkloning (menggandakan) dan mentransfernya ke organisme lain.

Alat rekayasa genetika adalah enzim: enzim restriksi (memotong molekul DNA) dan ligase (menghubungkannya). Virus digunakan sebagai vektor.

Dengan menggunakan rekayasa genetika, strain Escherichia coli telah diciptakan di mana gen insulin manusia (diperlukan untuk pengobatan diabetes), interferon (obat antivirus), dan somatotropin (hormon pertumbuhan) tertanam.

Sel ragi telah direkayasa secara genetik untuk menghasilkan insulin manusia. Metode biosintetik untuk memproduksi insulin manusia menggunakan sel ragi banyak digunakan dalam produksi farmasi (di Denmark, Yugoslavia, AS, Jerman, dan negara lain).

Saat ini, para ilmuwan dari berbagai negara sedang berupaya untuk memperoleh, dengan menggunakan rekayasa genetika, sejumlah zat aktif biologis lain yang diperlukan, vaksin terhadap hepatitis B, aktivator profibrinolysin (antikoagulan), interleukin-2 (imunomodulator), dll.

Gen asing dimasukkan ke dalam sel hewan dalam bentuk molekul DNA individu atau sebagai bagian dari vektor virus yang mampu memasukkan DNA asing ke dalam genom sel. Dua metode biasanya digunakan:

1) DNA ditambahkan ke media inkubasi sel;

2) menghasilkan suntikan mikro DNA langsung ke dalam nukleus (yang lebih efektif).

Tugas utama rekayasa genetika pada manusia adalah pembuatan bank gen manusia untuk mempelajarinya dan mencari cara terapi gen, yaitu penggantian gen mutan dengan alel normal.

Rekayasa sel adalah metode untuk membangun jenis sel baru berdasarkan budidaya, hibridisasi, atau rekonstruksi. Hibridisasi secara artifisial menggabungkan seluruh sel (terkadang dari spesies yang jauh) untuk membentuk sel hibrida. Rekonstruksi sel adalah penciptaan sel yang layak dari fragmen sel yang berbeda (inti, sitoplasma, kromosom, dll.).

Studi tentang sel hibrida memungkinkan pemecahan banyak masalah dalam biologi dan kedokteran. Misalnya, bioteknologi menggunakan hibridoma. Hibridoma adalah hibrida sel yang diperoleh melalui peleburan limfosit normal dan sel tumor. Ia memiliki kemampuan untuk mensintesis antibodi monoklonal (homogen) dengan spesifisitas yang diinginkan (sifat limfosit) dan pertumbuhan tak terbatas dalam lingkungan buatan (sifat sel tumor).

Bioteknologi- adalah produksi produk dan bahan yang diperlukan manusia dengan menggunakan benda-benda biologis.

Istilah “bioteknologi” menyebar luas pada pertengahan tahun 70-an abad ke-20, meskipun cabang-cabang bioteknologi tertentu telah dikenal sejak lama dan didasarkan pada penggunaan berbagai mikroorganisme: pembuatan kue, pembuatan anggur, pembuatan bir, pembuatan keju. Kemajuan dalam bidang genetika telah menciptakan peluang tambahan yang besar bagi pengembangan bioteknologi.

Di pertengahan abad ke-20. dan di babak kedua, dengan menggunakan mutagenesis terinduksi, antibiotik (penisilin, streptomisin, eritromisin, dll.) diperoleh - dengan bantuan mikroba; enzim amilase - dengan bantuan Bacillus subtilis, asam amino - dengan bantuan Escherichia coli; asam laktat - dengan bantuan bakteri asam laktat; asam sitrat - menggunakan jamur aspergillus; Vitamin B - dengan bantuan ragi.