Biotechnologia.

Biotechnologia to interdyscyplinarna dziedzina nauki (posługująca się wiedzą z biochemii, mikrobiologii i nauk inżynieryjnych), obejmująca różne kierunki techniczne wykorzystania materiałów i procesów biologicznych (w szczególności przebiegających przy udziale drobnoustrojów, kultur tkankowych oraz biokatalizatorów) w przemyśle.

Historycznie biotechnologia obejmowała sposoby przeróbki lub konserwacji produktów pochodzenia roślinnego i zwierzęcego, jak np. kiszenie warzyw i owoców czy produkcja napojów alkoholowych. Do niedawna biotechnologia stanowiła również domenę nauk technicznych, zajmowała się opracowywaniem urządzeń i warunków technicznych produkcji (urządzeń służących do wydzielania produktów, filtracją, zagęszczaniem płynów hodowlanych). Fakt wykorzystywania przez tą gałąź nauki drobnych organizmów jednokomórkowych, które w odpowiednich warunkach oraz karmione odpowiednimi pożywkami przeprowadzały procesy syntezy lub rozkładu oraz to, że produkty wytwarzane w ten sposób znajdowały zastosowanie w przemyśle spożywczym i paszowym, inżynierii chemicznej, leśnictwie, ochronie środowiska i licznych pokrewnych dziedzinach sprawiało, iż przez długi okres czasu biotechnologie utożsamiano z mikrobiologią (nauką zajmującą się w szerszym znaczeniu badaniem wszystkich drobnoustrojów).

W historii biotechnologii spotykamy, jak na razie, dwa główne momenty przełomowe. Pierwszy to zaczęcie wykorzystywania gromadzonej przez lata wiedzy w biologicznej oraz przede wszystkim osiągnięć genetyki w celu udoskonalenia wykorzystywanych w przemyśle mikroorganizmów. W pewnym momencie historii w wielu laboratoriach na całym świecie rozpoczęto prace mające zaefektować wzrostem produktywności organizmów wykorzystywanych w przemyśle. Pierwsze próby polegały na poddawaniu nieszczęsnych mikroorganizmów działaniu czynników mutagennych, takich jak np.: promieniowanie ultrafioletowe czy rentgenowskie. Klasycznym przykładem może być wytwarzanie penicyliny. W roku 1929 naukowiec Alexander Fleming odkrył, że pewne grzyby z rodzaju Penicillium syntetyzują mocno bakteriobójczą substancję, którą można z powodzeniem wykorzystać w medycynie. Nazwał ją, od grzybów, które ja wytwarzały, penicyliną. Szybko związek ten został wyodrębniony przez chemików i doceniony w medycynie. W latach czterdziestych w USA kontynuowano wciąż prace nas produkcja penicyliny. Zastosowanie sztucznej mutagenezy pozwoliło już w początkowych etapach prac uzyskać szczepy nawet kilkudziesięciokrotnie wydajniejsze od wyjściowych! Właśnie metody genetyczne, oparte na powodowaniu mutacji i selekcji doprowadziła do tego, że aktywność stosowanych dziś w przemyśle farmaceutycznym szczepów Penicillium jest ponad 10000 razy większa od szczepu wyizolowanego przez Fleminga.
Drugi to ogrom możliwości otwarty przed tą dziedziną nauki przez gwałtowny rozwój technik manipulowania genami oraz technik służących hodowli komórek i tkanek organizmów eukariotycznych (in vitro). Odkrycia inżynierii genetycznej zostały wykorzystane w przemyśle biotechnologicznym opierającym się na aktywności mikroorganizmów, aby otrzymać ich zmodyfikowane szczepy zawierające przeniesione geny sztucznie zsyntezowane lub wyizolowane z innych organizmów, tak jedno- jak i wielokomórkowych. Możliwości, jakie stwarza inżynieria genetyczna, wydają się oczywiste. Wiele produktów białkowych otrzymywanych przez człowieka z naturalnych źródeł nie zaspokaja rosnącego na nie popytu. Metody sztucznej rekombinacji DNA nie tylko umożliwiły powstanie nowych niezwykle użytecznych narzędzi do badania podstawowych mechanizmów funkcjonowania żywych komórek, lecz także przyczyniły się do rozwoju całkowicie nowych działów technologii. W niektórych przypadkach białka, a także żywe komórki uzyskane w wyniku manipulacji z wykorzystaniem metod inżynierii genetycznej zaczynają odgrywać ważną rolę w naszym życiu. Najbardziej spektakularnych przykładów dostarcza farmakologia i medycyna. Jednym z pierwszych białek, które dzięki zastosowaniu metod inżynierii genetycznej mogło być wytwarzane jako produkt handlowy, była ludzka insulina produkowana w E.coli. Przed uzyskaniem szczepów bakterii produkujących ten ludzki hormon insulinę otrzymywano wyłącznie z trzustek zwierząt. Wielu cukrzyków nabyło alergii w stosunku do insuliny pochodzenia zwierzęcego, której sekwencja aminokwasowa różni się nieco od sekwencji aminokwasowej insuliny ludzkiej. Możliwość wytwarzania ludzkiego białka za pomocą technologii sztucznej rekombinacji DNA miała ogromne znaczenie dla chorych cierpiących na cukrzycę również z powodu dużo niższej ceny insuliny produkowanej w ten sposób. Wcześniej bardzo wysoka cena tej substancji była powodem, dla którego wielu chorych zaprzestawało leczenia, co nieuchronnie prowadziło do pogorszenia stanu zdrowia i w efekcie śmierci.

Wytwarzany za pomocą tych samych metod ludzki hormon wzrostu jest niezbędny w leczeniu wad wzrostowych występujących u niektórych dzieci. Hormon ten uzyskiwano przedtem wyłącznie ze zwłok. Otrzymywano niewielkie jego ilości, a na dodatek niektóre preparaty wykazywały zanieczyszczenie wirusami. Stosowanie w medycynie produkowanego metodami inżynierii genetycznej czynnika VIII, białkowego czynnika krzepnięcia krwi, którego nie mają chorzy na hemofilię A, eliminuje ryzyko zakażenia wirusem HIV- powodującym AIDS. Ryzyko takie istnieje, gdy stosuje się preparaty czynnika VIII uzyskiwane z krwi.
Istotne osiągnięcia biotechnologii w medycynie związane z zastosowaniem technik inżynierii genetycznej to także produkowany przez bakterie czynnik przeciwwirusowy interferon, czy też wytwarzany w drożdżach antygen powierzchniowy wirusa żółtaczki, stanowiący szczepionkę przeciw tej chorobie.

Biotechnologia zajmuje się także wykorzystywaniem enzymów, np.: techniką unieruchomienia enzymów na trwałych podłożach. Polega ona na wyizolowaniu i oczyszczeniu enzymu, a następnie związaniu go ze stałym podłożem w ten sposób, aby nie tracąc swej aktywności przestał być rozpuszczalny. Przez pojemnik unieruchomiony w ten sposób enzymem można przepuszczać powoli roztwór, w którym będzie zachodzić reakcja katalizowana przez obecny w pojemniku enzym. Zalet takiego wykorzystania enzymów jest wiele. W medycynie dąży się np. do związania z nośnikiem takich enzymów, których inaktywacja, zwykle uwarunkowana genetycznie, jest przyczyną choroby. W przypadku fenyloketonurii prostą i skuteczną terapię widzi się w związaniu ze stałym nośnikiem enzymu przekształcającego gromadzącą się we krwi chorego fenyloalaninę.
Jednak biotechnologia jest nauką bardzo rozległą i zajmującą się nie tylko przemysłem farmakologicznym i medycyną. Wykorzystuje się ja również intensywnie w rolnictwie. Poprzez wprowadzenie obcego genu do jąder komórkowych niektórych roślin uzyskuje się odmiany o większej odporności na choroby, pestycydy i warunki pogodowe. Ciekawym przykładem są transgeniczne pomidory: we krwi niektórych fląder znajdują się związki chemiczne zapobiegające jej zamarzaniu, co pozwala tym rybom przetrwać w wodzie. Gen, który nadaje ich krwi tę cechę może być wyodrębniony i wprowadzony do pomidorów. Warzywa takie są wtedy bardziej odporne na śnieg i mróz, dzięki czemu można je hodować poza normalnym okresem wegetacyjnym. Wprowadzenie do kukurydzy genów skorpiona spowodowało znaczny wzrost jej masy oraz wielkości, a co za tym idzie większa wydajność upraw. Prowadzone są także prace mające na celu wykorzystanie technologii biologicznych do skonstruowania roślin umiejących wiązać azot z powietrza, co byłoby rewolucją w rolnictwie, gdyż nie byłoby potrzeby stosowania nawozów azotowych (powodujących rozrost masy rośliny), które są szkodliwe dla środowiska, a także znacznie obniżyłoby koszt uprawy.
Pierwsze odmiany transgeniczne (rośliny GM, czyli genetycznie zmodyfikowane) wprowadzono do uprawy w 1994 roku. Od tego momentu nastąpił ogromny wzrost powierzchni ich uprawy, głównie w Stanach Zjednoczonych, Kanadzie, Ameryce Południowej. Całkowity areał ich upraw na świecie w 2000 roku wynosił około 43 milionów hektarów. W 2001 roku największa część upraw tego typu przypadała na soję, kukurydzę, bawełnę.

Żywność i rośliny modyfikowane genetycznie od bardzo dawna wzbudzają liczne kontrowersje. Ludzie są nieufni wobec nieznanego, trudno im zaakceptować tak silną ingerencję w świat natury, a jeszcze bardziej niepokojące jest to, iż żaden naukowiec nie jest w stanie określić czy tak naprawdę transgeniczna żywność pozostaje bez wpływu na nasz organizm, gdyż nie jesteśmy w stanie dostrzec skutków takiego odżywania, które mogą być bardzo rozciągnięte w czasie. Podobnie na pewno nie wpływa na wzrost zaufania fakt, że nie wszystkie zjawiska związane z manipulacjami genowymi naukowcy są w stanie wyjaśnić. Przeciwnicy stosowania upraw transgenicznych na szeroką skalę obawiają się również, że geny wprowadzone do roślin uprawnych mogą się rozprzestrzenić na inne organizmy i spowodować zakłócenie naturalnej równowagi ekologicznej. Muszę jednak zaznaczyć, że nie ma żadnych dowodów na szkodliwe działanie żywności transgenicznej obecnej na rynku na organizm człowieka.

Z drugiej strony żywność GM, której spożywanie ma negatywne skutki może zostać wyeliminowana już na etapie testowania. Chciałam też podać przykład na to, że stwierdzenie złych efektów możliwe jest już na poziomie laboratorium i prowadzi do zaprzestania badań i procesów wdrożeniowych, przed rozpoczęciem komercjalizacji. Soja należy do jednej z najcenniejszych roślin i wytwarza bardzo zdrowe białko, jednakże zawiera stosunkowo niewiele aminokwasów siarkowych, które są obecne w dużej ilości w orzeszkach ziemnych. Geny tych białek przeniesiono do soi. Na etapie prac doświadczalnych stwierdzono, że niektóre białka mają charakter alergenny i natychmiast wstrzymano prowadzenie dalszych prac.

Zdarza się też bardzo wiele „fałszywych alarmów”, które powodują jedynie ośmieszenie przeciwników żywności GM. W swoim czasie jedna z najbardziej znanych uczelni amerykańskich- Cornell
University- ogłosiła groźnie brzmiący komunikat: na polach transgenicznej kukurydzy giną motyle. Wkrótce ta sama uczelnia opublikowała sprostowanie: zapomniano wykonać próbę kontrolną, czyli sprawdzić ile motyli ginie na poletku kontrolnym (na zwykłej kukurydzy, traktowanej chemicznymi środkami ochrony roślin) - okazało się, że znacznie mniej motyli ginie na polu transgenicznym, aniżeli w przypadku upraw gdzie stosowano tradycyjne środki.

Jedną z ważniejszych i dynamicznie rozwijających się dziedzin biotechnologii jest ochrona środowiska, a konkretniej możliwość usuwania zanieczyszczeń wprowadzanych przez człowieka do otoczenia. Np. zmienione genetycznie grzyby i bakterie mają zdolność do rozkładania różnych zanieczyszczeń. Jednak zastosowania na szeroką skalę ich własności leży jeszcze w sferze przyszłości, gdyż nie zostały jeszcze dokładnie zbadane mechanizmy za pomocą, których mielibyśmy możliwość kontrolowania tego procesu.
Biotechnologię wykorzystuje się w setkach różnych dziedzin i sytuacji. Jest to nauka dająca ogromne możliwości. Stosuje się ją nawet w produkcji proszku do prania, ale także w farmakologii, medycynie, rolnictwie, przemyśle spożywczym, przemysłowym, kosmetycznym (niedługo pojawić ma się na rynku krem dostosowany do indywidualnego DNA użytkownika), ochronie środowiska… itp… Jednym słowem nie można zaprzeczyć, iż jest to nauka wszechobecna w naszym życiu i chociaż nie zdajemy sobie zawsze z tego sprawy z produktów biotechnologii korzystamy codziennie. Warto docenić zasługi tej niezwykle dynamicznie się rozwijającej nauki dla nas wszystkich. Z drugiej strony ważne jest też, aby starać się wciąż uaktualniać swoje wiadomości na temat dalszego jej rozwoju, aby móc z pełną świadomością wypowiedzieć się i posiadać własne, oparte na faktach zdanie na temat wielu kontrowersyjnych kwestii dotyczących biotechnologii w służbie człowieka. Współczesny człowiek musi być świadomy zarówno korzyści jak i zagrożeń, jakie niesie postęp i rozwój technologii, aby móc eliminować te drugie i pomnażać pierwsze.