14. Teollisuudessa ja ympäristöteknologiassa hyödynnetään bioteknologiaa

Bioteknologiaa käytetään nykyään monella tavalla teollisuudessa. Kemianteollosuudessa uusilla tuotantoprosesseilla pyritään säästämään energiaa, raaka-aineita ja ympäristöä. Elintarviketeollisuudessa bioteknologiaa sovelletaan esim. maitotuotteiden ja oluen valmistuksessa ja sen menetelmin parannetaan elintarvikkeiden ja niiden raaka-aineiden ominaisuuksia.

Kemianteollisuus

Entsyymejä käytetään muun muassa elintarvike-, pesuaine-, puunjalostus- ja tekstiiliteollisuudessa. Teollisuuden käyttämien entsyymien tuottamiseen käytetään bakteereita ja homeita, joita kasvatetaan biorektorien eli fermentorien kasvatusliuoksissa. Mikrobit soveltuvat hyvin entsyymien tuotantoon, koska ne kasvavat nopeasti pienellä ravintoainemäärällä ja pystyvät tuottamaan pieneen kokoonsa nähden suuria määriä entsyymejä. Entsyymi kerätään talteen joko hajottamalla mikrobit tai eristämällä entsyymi mikrobien kasvatuslioksesta, minkä jälkeen entsyymi vielä puhdistetaan.

Pesuaineteollisuus

Eniten entsyymejä käyttävä teollisuudenala on pesuaineteollisuus, jonka osuus entsyymien maailman markkinoista on yli kolmannes. Pesuaineisiin lisätyt entsyymit hajottavat tärkkelystä (amylaasi), proteiineja (proteaasit) sekä rasvoja (lipaasit), ja saavat näin likatahrat irtoamaan. Suomi on puunjalostusteollisuudessa käytettävien entsyymien tutkimuksen ja kehittämisen edelläkävijämaa.

Elintarvikkeista pyritään bioteknologian menetelmin valmistamaan entistä maukkaampia, säilyvämpiä, terveellisempiä ja käyttötarkoitukseen paremmin sopivia. Hiivasolut käyttävät energianlähteenään taikinan sisältämiä hiilihydraatteja. Hapekkaissa oloissa hiivasoluissa vapautuu energiaa soluhengityksessä ja samalla syntyy hiilidioksidia. Sekä oluen että viinin valmistus perustuu hiivasoluissa tapahtuvaan alkoholikäymiseen. Meijeriteollisuudessa piimän, viilin, jogurtin ja juuston valmistus perustuu maidon sisältämän maitosokerin eli laktoosin käymiseen maitohapoksi maitohappobakteerien eli hapatteiden avulla.

Vähälaktoosisten tuotteiden valmistuksessa käytetään laktaasientsyymiä, joka pilkkoo maidon laktoosia. Elintasosairauksien, kuten sydän- ja verisuonisairauksien, ylipainon, diabeteksen ja syöpäsairauksien yleistyminen on vaikuttaut siihen, että kuluttajat ovat entistä enemmän kiinnostuneita ruuan terveellisyydestä.

Meijeriteollisuus

Maailmanlaajuinen ilmastonmuutos ja fossiilisten polttoaineiden väheneminen ovat jouduttaneet vaihtoehtoisten energiaratkaisujen etsimistä. Bioteknologian avulla kehitetään uusia ja tehokkaits menetelmiä, joilla valmistetaan biobolttoaineita. Biopolttoaineella tarkoitetaan eloperäisestä aineesta valmistettua polttoainetta ja siitä saatavaa energiaa kutsutaan bioenergiaksi. Ongelmana bioetanolin ja -dieselin tuotannossa on se, että niiden valmistuksessa käytetään ruuaksi kelpaavia raaka-aineita tai niitä viljellään ruuantuotantoon sopivilla alueilla.

Monet bioteknologian sovellukset edistävät sekä taloudellisesti että ekologisesti kestävää tulevaisuutta. Jätevesien biologiseen puhdistukseen on jo pitkään käytetty hajottajamikrobeja. Suomessa on vanhojen sahojen ja puunkäsittelylaitosten alla maaperää, joka sisältää runsaasti vaarallisia kemikaleja, kuten kloorifenolia. Parhaiten biopuhdistus sopii vähän saastuneen tai yhtä kemikaalia sisältävän maaperän puhdistukseen.

Lähteet: oppikirja, google kuvahaku

13. Lääketieteessä kehitetään jatkuvasti uusia rokotteita ja hoitomenetelmiä

Ihmisen immuunijärjestelmän toiminta perustuu elimistölle vieraiden molekyylien eli antigeenien tunnistamiseen ja tuhoamiseen. Mikrobien lääkinnällisessä torjunnassa on tärkeää, että lääke vaikuttaa vain mikrobiin, ei tartunnansaajaan. Bakteeritautien hoidossa saavutetiin merkittävä edistysaskel, kun antibiootit löydettiin. Antibiootit ovat bakteerien ja homeiden valmistamia aineita. Antibioottien teho heikentyy, koska niille vastustukykyisiä bakteerikantoja kehittyy jatkuvasti bakteereissa tapahtuvan nopean perinnöllisen muuntelun seurauksena.

Antibiootti

Sekä bakteeri- että virustautien ennaltaehkäisynä käytetään rokotuksia eli aktiivista immuunisaatiota. Geenitekniikan avula valmistetaan entistä tehokkaampia ja turvallisempia rokotteita. Kun rorkotuksissa käytetään yhä pienempiä taudinaiheuttajan osia, ne eivät ain riitä aktivoimaan immuunijärjestelmää. Tästä syystä rokotteisiin lisätään tehosteaineita.

Biotekniikan avulla tuotetaan monia lääkeproteiineja, joita aiemmin eristettiin eläimistä tai vainajista. Tälläsisä ovat esim. diabeteksen hoidossa käytettävä insuliini ja lyhytkasvuisuuden hoidossa käytettävä kasvuhormoni. Bioteknisen valmistuksen etuina ovat valmisteen puhtaus ja prosessin tehokkuus. Nisäkkäät ovat hyviä, joskaan eivät kovin tehokkaita, lääkeaineiden tuottajia, koska periaatteessa maidon mukana voi erittää lähes mitä tahansa proteiinia. Syövän hoitoon on kauan käytetty sädehoitoa ja solunsalpaajia. Ne ovat kuitenkin epätarkkoja ja vaikuttavat syöpäsolujen lisäksi terveisiin soluihin haitallisesti.

Kantasolusta kehittyy erilaisia soluja

Eläinten avulla voidaan mallintaa ihmisissä esiintyviä perinnöllisiä sairauksia ja kehittää niihin uusia hoitokeinoja.
Solukorvaushoidolla korvataan potilaan tuhoutuneet tai toimimattomat solut terveillä soluilla.
Kantasolujen käytössä sairauksien hoidossa on vielä paljon tutkittavaa. Kantasolut saattavat jakautua hallitsemattomasti, mikä jojtuu niiden kyvystä tuottaa kromosomien telomeereja pidentävää telomeraasientsyymiä.

Ensimmäiset geenisiirrot tehtiin Yhdysvalloissa synnynnäistä immuunipuutostautia (ADA) sairastavalle lapsipotilaalle. Geenihoidossa hoitava geeni liitetään sopivaan vektoriin eli kuljettimeen. Virukset ovat hyviä geenikuljettajia, koska ne ovat evoluutionsa aikana sopeutuneet tunkeutumaan soluihin ja lisääntymään niissä.

Yhtenä geenihoidon ongelmana on, että geenisiirtoa ei osata tehdä kohdistetusti. Vektoriin voitaisiin liittää ns. postitusosoite, jonka avulla vektori tunnistaisi kuljetuksen kohteena olevan solun sen pintaproteiineista. Geenihoitoa saa käyttää vain sellaisten vakavien, kuolemaan johtavien tautien hoidossa, joihin ei ole olemassa muuta tehokasta hoitokeinoa.

Geenitestien avulla voidaan etsiä perinnöllisiä sairauksia, tunnistaa jonkin taudin oireeton kantaja tai kartoittaa vanhempien riski saada lapsi. Geenitietoja kerätään geenipankkeihin ja kudoksia ja soluja biopankkeihin.
Kudos- ja elinsiirtoihin liittyvien hylkimisreaktioiden vuoksi etsitään uusia menetelmiä. Yksi menetelmä on kudosteknologia, jossa yhdistyvät biologia, lääketiede ja insinööritieteet. Keinotekoisia elimiä ja kudoksia voidaan käyttää hoidon lisäksi myös lääkeaineiden testauksessa.

Lähteet: oppikrija, google kuvahaku

12. Yksilön tunnistaminessa käytetään uusia keinoja

Ihmisen voi tunnistaa biologisten ominaisuuksien, kuten kasvojen piirteiden, silmien iiristen, sormenjälkien tai puheäänen perusteella. Tätä biologisiin ominaisuuksiin perustuvaa tunnistusta kutsutaan biometriseksi tunnistukseksi. Biologisten tunnisteiden etuna on se, että ne kulkevat aina mukanana, eikä niitä voi unohtaa, hukata tai varastaa. Biologisilla tunnisteilla voidaan korvata mm. avaimet, kulkuluvat ja salasanat, ja niitä voidaan käyttää passeissa, ajokorteissa ja luottokorteissa.

Oikeuslääketieteessä ja rikostutkimuksessa käytetäänn DNA-yksilötunnistusta. Yksilöiden DNA-tunnistuksessa käytetään geenien ulkopuolisia DNA:n toistojaksoja, koska niissä esiintyy runsaasti perinnöllistä muuntelua. Eripituisista DNA-pätkistä muodostuu kullekin henkilölle yksilöllinen koodi eli DNA-tunniste.

Yksilön tunnistamisessa voidaan käyttää mitä tahansa elävän tai kuolleen yksilön soluja, koska DNA on samanlaista niissä kaikissa. DNA-tunnistusta käytetään rikostutkimuksiin, isyystesteihin, sukulaisuuden selvittämiseen, uhrien ja lajien tunnistamiseen, eliöiden alkuperän selvittämiseen ja muuntogeenisten eliöiden tunnistukseen. 

Rikostutkimuksissa tunnistukseen tarvittava näyte saadaan esim. hiuksesta, verestä, syljestä, spermasta tai uhrin kynnen alta tai tupakan tumpista löytyneistä soluista.

Lähteet: oppikirja, google kuvahaku

11. Geenitekniikka on muuttanut jalostusta

Perinteisessä jalostuksessa geenejä saadaan siirtymään vain sellaisten lajikkeiden, rotujen ja lajien välillä jotka risteytyvät keskenään. Geenitekniikan menetelmin jalostuksessa siirretään vain haluttujan geenejä. Eläinjalostuksessa ongelmana on usein se, että jalostuseläinten sopivuus periyttäjän on aiemmin voitu määrittää vasta jälkeläisiä arvioitaessa. Viime aikoina jalostusta on pystytty nopeuttamaan genomivalinnan avulla.

Geenitekniikka

Hyötykasvien viljelyssä ovat aina olleet ongelmina epäsuotuisat viljelyolot sekä taudit ja tuholaiset, jotka pienentävät huomattavasti maapallon ravinnontuotantoa. Muuntogeenisiä kasveja on kehitetty yli sadasta viljelykasvista, mutta suurin osa on vasta tutkimusvaiheessa. Muuntogeenisiä kasveja viljellään eniten Yhdysvalloissa. Suomessa on jlostettu muuntogeeniset kylmää ja perunaruttoa kestävät perunalajikkeet, mutta ennen kuin ne saadaan tuotantoon, tarvitaan EU:n hyväksyntä.

Bioteknologian avulla voidaan lisätä sadon määrää ja viljellä lajikkeita, jotka kestävät kuivia olosuhteita ja suolaista maaperää.

Muuntogeeninen maissi

Geenitekniikkaa käytetään perinteisen eläinjalostuksen tavoin tuotannon tehostamiseen, eläinten tautien vastustuskyvyn parantamiseen tai ominaisuuksiltaan muunneltujen maataloustuotteiden tuottamiseen. 

Mikroinjektiota varten tarvitaan munasolujen luovuttajiksi jopa 5-50 eläintä yhtä tuotettua muuntogeenistä jälkeläistä kohti. 

Ruokaa, jonka raaka-aineena on käytetty muuntogeenisiä eliöitä, kutsutaan muuntogeeniseksi ravinnoksi tai useimmiten esim. tiedotusvälineissä geeniruuaksi. Muuntogeeniset elintarvikkeet käyvät läpi tiukan lupamenettelyn, ennen kuin ne pääsevät EU:n alueella kaupalliseen levitykseen. EU:ssa hyväksyttyjä gm-tuotteita ovat maissi, peruna, soija, rapsi, sokerijuurikas, hiivakannat ja bakteeriproteiinit. 

Muuntogeeninen ravinto jakaa kuluttajat kannattajiin ja vastustajiin. Vastustajat pelkäävät, että muuntogeeniset kasvit voivat olla vaaraksi terveydelle ja ympäristölle. Kannattajat pitävät muuntogeeniseen ravintoon liittyviä riskejä pieninä, mutta hyötyjä suurina. 

Pidetään mahdollisena, että muuntogeeniset kasvit leviävät luontoon, jolloin ne voisivat risteytyä lähellä kasvavien samanlajisten viljelykasvien tai luonnonvaraisten sukulaislajien kanssa. 

Kannattajat ovat taas sitä mieltä että se on turvallista, koska geenitekniikka on erittäin tiukasti valvottua, eikä viitteitä sen haitallisuudesta heidän mielestään ole havaittu.

Muuntogeeninen ravinto

Jalostuksen vaikutukset biologiseen monimuotoisuuteen ovat tulleet uudelleen pohdittaviksi muuntogeenisten eliöiden tuottamisen myötä. Muuntogeenisten eliöiden tuottamuísta astustavat uskovat, että geneettnen monimuotoisuus voi vähentyä.

Kilpeilukykyisempänä muuntogeeninen kasvi syrjäyttäisi luonnovaraisen kannan. Voiko vastustuskykyisyyttä aiheuttava geeni siirtyä luonnossa muihin lajeihin, kuten rikkakasveihin?

Vanhojen maatiaisrotujen ja -lajikkeiden säilyttäminen on tärkeää. Niillä voi olla sellaisia ominaisuuksia, joita tarvitaan tulevaisuuden jalostuksessa. 

Lähteet: oppikirja, google kuvahaku

10. Jalostuksella ohjataan haluttujen ominaisuuksien periytymistä

Jalostuksella tarkoitetaan ihmisen tekemää suunnitelmallista  kasvien j aeläinten ominaisuuksien valikoimista ja parantamista. Ilman jalostusta emme söisi pastaa, riisiä, siemenettömiä viinirypäleitä tai broileria. Jalostustyössä hyösynnetään kasvi- ja eläinpopulaatioissa esiintyvää perinnöllistä muuntelua.
Kasveilla tavoiteltavia ominaisuuksia ovat esim. satoisuus, kylmänkestävyys, tuholaisten ja tautien kestävyys sekä koristekasveilla ulkönäkö.
Eläinjalostuksessa tavoitteita ovat esim. eläinten terveys, nopeakasvuisuus, hedelmällisyyden parantaminen sekä lemmikkieläinten jalostuksessa ulkönäkö ja käyttäytyminen.

Valintajalostus tarkoittaa sitä, että ihmisen mielestä tärkeitä ja parhaita ominaisuuksia ilmentävät yksilöt valitaan jatkamaan sukua. Kasvijalostuksessa saadaan itsepölytteisillä kasevilla valinnan avulla aikaan puhdas linja, jossa yksilöt ovat jalostajan kannalta toivottujen geenien suhteen homotsygoottisia. Eläinten valintajalostuksessa tärkeässä asemassa ovat jälkeläisten arviointi sekä siitoseläinten tarkka valinta.

Risteytysjalostuksen avulla pyritään saamaan aikaan uusia ominaisuusyhdistelmiä. Maatiaislajikkeet ja -rodut ovat viljelykasvien tai tuotantoeläinten jalostamattomia muotoja, joilla voi olla joitakin luonnonvalinnan suosimia ominaisuuksia kuten tautien- tai hallankestävyys. Jalostuksella pyritään yleensä toivottuja ominaisuuksia aiheuttavien alleenien suhteen homotsygotiaan, jotta omianisuus säilyisi sukupolvesta toiseen. Joissakin tapauksissa heterotsygoottinen yksilö, hybridi, lisääntyy tehokkaammin, on tuottavuudeltaan parempi tai kestävämpi erilaisia ympäristön stressitekijöitä vastaan.

Porkannasta jalostettu eri värejä.

Kasvijalostuksessa voidaan käyttää tarkoituksellisesti aikaansaatuja geeni- ja kromosomistomutaatioita. Mutaatiojalostuksen tuloksena on suuri määrä satunnaisia geneettisiä muutoksia, koska mikä tahansa kasvin geeneistä voi muuttua. Kasvin kromosomito saadaan kaksinkertaistettua käsittelemällä siemeniä tai kasvavia versoja myrkkyliljasta eristetylla kolkisiinilla, joka estää tumansukkulan synnyn. Autopolyploidiset kasvit ovat useimmiten normaaleja kasveja suurempia ja satoisampia. Polyploidisten kasvien siementuotanto on yleensä heikkoa, tai ne ovat steriilejä eivätkä tuota siemeniä lainkaan, koska niillä on vähintään kolme samaa kromosomia. Allopolyploidiset lajiristeymät, joiden kromosomisto on kaksinkertaistettu kolkisiinikäsittelyllä, pystyvät lisääntymään suvullisesti.

Solukkoviljelyn avulla saadaan kasvatettua mopeasti suuri määrä kasviyksilöitä, joilla on jokin toivottu ominaisuus, esim. kestävyys virus- ja sienitauteja vastaan. Haplodiajalostuksessa kasvatetaan hedelmöittymättömästä munasolusta tai siitepölyhiukkasesta esiasteesta saolukkoviljelyssä uusi taimi.

Keinosiemennys putkija.

Lisääntymisbiologia menetelmiä, joita ovat keinosiemennys, koeputkihedelmöitys ja alkionsiirto, käytetään erityisesti hyötyeläinten, kuten nautojen, sikojen ja hevosten jalostuksessa. Keinosiemennystä varten kerätään tarkoin valittujen koiraiden siemennestettä, joka käsitellään ja pakastetaan. Koeputkihedelmöityksesä munasolut ja siittiot kypsytetään eri elatusliuoksissa, ja hedelmöitys tapahtuu, kun solut siirretään samaan elatusliuokseen. Alkionsiirrossa hormonikäsittelyjen avulla naaraat saadaan tuottamaan useita munasoluja. Hedelmöittymisen ja lyhyen kehittymisvaiheen jälkeen alkiot kerätään talteen ja pakastetaan.

Lähteet: oppikirja, google kuvahaku

9. Geenitekniikan avulla voidaan muokata eliöitä

Eliöitä sanotaan muuntogeeniseksi, mikäli sen perimää on muokattu. Jos eliöön on lisätty jokin uusi geeni, sanotaan sen olevan siirtogeeninen. Mikäli jokin eliön omista geeneistä on tehty toimintakyvyttömäksi, eliöitä sanotaan poistogeeniseksi.

'Vieraan geenin siirtäjänä eli vektoreina voivat olla plasmidit tai virukset. Siirtogeenisiä bakteereja voidaan käyttää myös monien teollisuuden tarvitsemien proteiinien valmistukseen. Bakteeriin siirrettävää geeniä voidaan "räätälöidä" muuttamalla joitakin sen nukleotideja ja näin saadaan sen avulla tuottettava proteiini joiltakin ominaisuuksiltaan käyttötarkoitukseen sopivamnmnaksi.

Kun tehdään siirtogeenisiä eläimiä, siirrossa käytetään yleensä mikroinjektioita, sähköpulsseja, viruksia tai liposomeja.
Mikroinjektiota käyttäessä geeni siirretään mikroskoopin alle erittäin ohuen lasiputken kautta eläimen munasoluun. Isäntäeliöille tyypilliset virukset ovat nekin erittäin käyttökelpoisia vektoreita. Myös fosfolipidikalvon muodostamaa pientä kalvorakkulaa, liposomia, jonka sisällä on DNA:ta, käytetään vieraan perintöaineksen siirtämisessä nisäkässoluihin.
Poistogeeninen eläin saadaan aikaan tekemällä jokin sen geeneistä käyttökyvyttömäksi. Yleisimmin käytetty poistogeeninen nisäkäs on hiiri.

Mikroinjektio

Kasveihin tehtävän siirron vektorina käytetään tavallisesti maaperästä yleisenä elävää agrobakteeria. Kun geenejä siirretään kasveihin, voidaan käyttää myös geenipyssyksi kutsuttua laitetta.

Yleensä vain osa tehdyistä geenisiirroosta onnistuu. Siirrettävän geenin yhteyteen liitetään usein ns. merkkigeeni, jonka ilmentyminen on helposti havaittava osoitus myös varsinaisen geenisiirron onnistumisesta. Geenin ilmentymisellä tarkoitetaan, että geenin emäsjörjestyksen mukaisesti syntyy lähetti RNA:ta, jonka perusteella solu tuottaa solulimassaan vastaavaa proteiinia.

Ensimmäinen kloonattu lammas Dolly

Kloonaaminen on termi, jota käytetään niin geeni-, solu- kuin yksilötasollakin. Geenien kloonamisella tarkoitetaan geeni eristämistä ja monistamista bakteeriviljelmän tai PCR:n avulla.
Yksilötasolla kloonamisella tarkoitetaan perimältään samalaisten yksilöiden tuottamista. Nisäkkään lisääntymiskloonaamisen tarkoituksena on tuottaa perimältään täysin samanlainen yksilö jostain toisesta yksilöstä.

8. Geenitutekniikan avulla muokataan ja tutkitaan perimää

Geenitekniikalla tarkoitetaan biologian menetelmiä, joilla eliöiden perintöainesta eristetään, analysoidaan, muokataan ja siirretään muihin eliöihin. Jotta geenejä voitaisiin tutkia, muokata ja siirtää, DNA on ensin eristettävä soluista, puhdistettava sekä paloiteltava. Yhden kromosomin DNA- molekyyli on valtavan pitkä (useita senttimetrejä), ja se sisältää tuhansia geenejä.

Koska kaikkien eliöiden ja myös virusten DNA on perusrakenteeltaan samanlaista, geenejä on mahdollista siirtää eliöistä toiseen. Voidaan siis yhdistää kasvi ja eläimen tai bakteerin ja ihmisen DNA:ta. DNA:n käsittelyyn tarvitaan monenlaisia entsyymejä, joista tärkeimmät ovat katkaisu- ja liittäjäentsyymit, proteiineja pilkkovat proteaasit sekä DNA- ja RNA- ketjua rakentavat polymeraasientyymit. Ilman entsyymejä perimäaineksen tutkiminen ja muokkaus olisivat mahdottomia.

Entsyymin toiminta

Bakteereihin, faageihin tai hiivoihin voidaan tallettaa suuri määrä perimää. Geenikirjasto eli bakteeriviljelmä säilötään ja sitä käytetään tarpeen mukaan haluttujen DNA- jaksojen etsinnässä.
Jos halutaan kokoelma vain ilmentyvistä eli RNA:ksi luetuista geeneistä, on ensin eristettävä tutkivista soluista lähetti-RNA:ta ja muokattava siitä koeputkessa käänteiskopioentyymin avulla vastin DNA.

DNA-palat ovat varaukseltaan negatiivisia, ja siksi sähkövirta saa ne liikkumaan geelimäisessä väliaineessa:

Geenin eristämiseen on käytettävissä kaksi tapaa: 1) geeni tunnistetaan koettimeksi tai geenitunnistimeksi kutsutaan DNA-molekyylin avulla esim. bakteeriviljemässä olevasta geenikirjastosta-
2) geeni tunnistetaan ja myös eristetään PCR:n ja elektofreesin avulla.

Lähteet: oppikirja, google kuvahaku