Bioteknikhistoria: Förfäder, Moderna Tillämpningar och Född Bioinformatik

Bioteknikhistoria: Förfäder, Moderna Tillämpningar och Född Bioinformatik!

Innan vi diskuterar prestationerna av modembioteknik i detalj, låt oss se hur denna vetenskap har utvecklats genom åren. För de flesta människor är bioteknik en term som är förknippad med dagens vetenskap.

Däremot kan dess rötter spåras tillbaka till flera århundraden. Faktum är att Karl Ereky, en ungerskt ingenjör, tagit fram termen "bioteknik" tillbaka 1919. Vid den tiden hänvisade den till processen att utveckla produkter från råvaror med hjälp av levande organismer.

Bioteknik för våra förfäder:

Människan har manipulerat levande organismer för att förbättra sin livsstil i åratal, långt innan Ereky gav det ett namn. Faktum är att själva begreppet bryggning av vin och bakning av bröd bär frö från bioteknik. Detsamma kan sägas om parning av lämpliga djurpar för att få önskade fysiska egenskaper.

I processen med att baka bröd lägger bakare jästceller till degen. Denna jäst utnyttjar näringsämnena i degen för egen överlevnad, vilket alstrar alkohol och koldioxidgas. Alkoholen bidrar till den rika aromen hos det bakade brödet. På samma sätt i ölindustrin används jästceller för att bryta ner stärkelsen i spannmålen till socker för att bilda alkohol. Således, även i forntida tider, producerade våra förfäder mat genom att tillåta levande organismer att agera på andra ingredienser.

Sena artonhundratalet och tidigt artonhundratalet såg början av vaccinationsera, växtrotation och djurdragen maskiner. Upptäckten av mikroorganismer och deras betydelse ledde till inrättandet av mikrobiella processer av legendariska forskare som Robert Koch, Louis Pasteur och Joseph Lister.

Tornet i det tjugonde århundradet inledde industri- och jordbruksrevolutionen. Under första världskriget utvecklades jäsningsprocesser för att producera aceton och färglösningsmedel för den snabbt växande bilindustrin. Avloppsrening och kommunal kompostering av fast avfall användes allmänt i hela världen.

Era Modern Applications:

Grunden för moderna biotekniska tillämpningar kan spåras till 1866, när den tjeckiska munken Greger Mendel genomförde en uttömmande studie på trädgården och slutsatsen att genetiken var ansvarig för arv och överföring av egenskaper.

1869 upptäckte den schweiziska kemisten Johann Miescher "nuklein" i cellens kärnor. Detta benämnd nukleinsyra och kategoriserades ytterligare som deoxiribonukleinsyra (DNA) och ribonukleinsyra (RNA). Därefter i 1882 avslöjade efterföljande studier av den tyska embryologen Walter Fleming existensen av kromosomer. Tyska zoologen August Weismann visade att dessa är bärare av ärftliga instruktioner.

En annan dimension till evolutionspusetet tillsattes 1903, då den amerikanska biologen WS Sutton föreslog att gener ligger på kromosomer. Detta ledde i sin tur till ytterligare forskning, och den danska biologen Wilhelm Johanssen utsåg ordet "gen" 1911.

Han beskrev också att genotypen (genetisk sammansättning) och fenotyp (yttre utseende öppna för miljöpåverkan) är två distinkta faktorer. För att ytterligare sondra in i dessa kromosomer och gener utvecklade den amerikanska genetiker Thomas Hunt Morgan och hans team tekniker för att förbereda genkartor (av fruktflöjeskromosomer) 1922, vilket föreslår att kromosomer är grupper av länkade gener.

Överföringen av gener från en organism till en annan blev möjlig 1928, då Fedrick Griffith upptäckte fenomenet "transformation", där någon okänd princip omvandlar en ofarlig stam av bakterier till en virulent stam.

År 1944 visade Oswald Avery och hans grupp vid Rockefeller Institute, New York, att gener är sammansatta av deoxiribonukleinsyra - DNA, som är grundämnena som består av fyra baser: adenin, tymin, guanin och cytosin, och att det ansvarar för överföring av ärftliga karaktärer.

Lederbergs och Tatums arbete visade att sexuell utbyte av genetiskt material är möjligt i bakterier. Erwin Chargaffs arbete 1948 visade vidare att basadenen kommer att para med tymin, och cytosin skulle motsvara guanin. Denna information visade sig vara väsentlig betydelsefull för bestämning av DNA-strukturen. Rosalind Frankalins arbete (1952) på röntgendiffraktion var medverkande i efterföljande uppklaring av molekylstrukturen hos DNA.

Det verkliga stora genombrottet kom dock med James Watsons och Francis Cricks arbete 1953, när de unraveled DNA-dubbel-spiralstrukturen. När deras arbete tilldelades Nobelpriset 1962 öppnade det kunskapsflödet för forskare över hela världen.

Mer information om DNA och dess manipulation i ett cellfritt system följde när Kornenberg visade att DNA kunde syntetiseras i ett cellfritt bakteriextrakt. Han demonstrerade också att involvering av ett specifikt enzym (DNA-polymeras) är nödvändigt för att koppla DNA-nukleotidsprekursorerna och att enzymet endast fungerar i närvaro av en DNA-mall. I 1967 upptäckte Szybalski och Summers att endast en sträng ( sanssträngen) verkar som en mall för transkription av RNA från en DNA-mall.

År 1969 sprickade Marshall Nirenberg och hans team tripletkoden som kartlägger messenger RNA-kodoner till specifika aminosyror. Samma år isolerade Jonathan Beckwith en gen för första gången från en bakterie vars proteinprodukt är inblandad i sockermetabolism. Detta följdes av en kemisk syntes av genen av Har Gobind Khorana och hans forskningsgrupp 1970, som födde vetenskapen om kemisk genetik.

Isoleringen av enzymet, DNA-ligas av Walter Gilbert visade sig vara en verklig välsignelse för genens kemiska manipulation. Det fungerade som molekylärt lim för att sammanfoga de olika bitarna av DNA. Mertz och Davis isolerade ett annat kraftfullt enzym - Restriktionsenzymet - 1972.

Deras arbete bekräftade att EcoRl, eller restriktionsendonukleaset, skär DNA på en specifik plats, vilken är fyra till sex nukleotider lång. Dessa enzymer visade sig vara molekylära saxar som kunde skära DNA vid exakta positioner. Således blev dessa två enzymer arbetshästarna i modemteknologiska manipulationer.

År 1972 använde Paul Berg och hans team dessa enzymer att skära, klistra in och därigenom skräddarsy DNA, för att producera den första rekombinanta DNA-molekylen. Stanley Cohen och Herbert Boyer tog denna studie vidare 1973 och införde en gen från en afrikansk klumpad padda till bakteriellt DNA. Detta var början på epoken av genteknik. Frederick Sanger och hans lag publicerade den första sekvensen av ett genom för en organism - bakteriofagen 1977.

Ett annat stort genombrott uppnåddes när Schell i Belgien och Nester Gordon och Dell-Chilton i USA visade att överföringen av gener var möjlig med användning av bakterierna Agro bacterium tumefaciens som bärare. Denna upptäckt underlättade genteknik för växtarter. Nästa stora steg var uppfinningen av Polymeras kedjereaktion (PCR) av Kary Mullis 1983. Denna uppfinning förde underverk för taktiken för genetisk vetenskap och teknikutveckling.

Därefter försökte många andra forskare i hela världen att ta itu med andra lika viktiga frågor inom området. 1984 utvecklade Alec Jeffrey den nu kända "genetiska fingeravtryckstekniken" som kan användas för att identifiera individer genom att analysera de olika sekvenserna (polymorfismer) i DNA: n. 80-talet såg också verkan av den rekombinanta mikroorganismen av Anand Chakrabarty, den indiska forskaren som arbetar i USA. För första gången användes mikroorganismer för att rengöra oljespill.

Det första rDNA-djurvaccinet för koliobacillos och rekombinant insulin godkändes även för användning under denna period. Dessutom rapporterades den första framgångsrika korsspecifika överföringen av en gen (en human gen in i en mus) och den första transgena växten rapporterades också under 1980-talet.

Human Genome Project initierades 1986 med målet att sekvensera hela humant genomet och tillhandahålla en fullständig katalog över varje mänsklig gen. Dessa initiala studier ledde till en samarbetsinsats för att kartlägga och sekvensera hela humant genomet. 1995 rapporterade institutet för genomforskning (Venter, Smith, Fraser och hans grupp) den första fullständiga DNA-sekvensen av genomet av en fri levande organism - bakterien Haemophilus influenza.

Detta följdes av 1997 års rapport som kartlägger den kompletta sekvensen av genomet av en eukaryot - den första organismen med kärnmembran. Detta var jästsackaromyces cerevisiae. Det första genomet av en multicellulär organism - 97 megabas-DNA-sekvensen av rundorms Caenorhabditis elegans, publicerades 1998 av John Sulston och Bob Waterston.

Den första mänskliga kromosomen 22 sekvenserades 1999. Human Genome Project tillkännagav arbetet med hela DNA-innehållet i ett hurrian genom i juli 2000. Detta markerade början på post-genomisk tid. Sedan dess har stora framsteg gjorts i fältet. Den fullständiga kartläggningen av genomet av en växt, Arabidopsis genomet är ett slående exempel.

Allt detta banbrytande arbete på genomet har möjliggjorts genom utveckling av extremt sofistikerade tekniker. Microchip-tekniken används till exempel för att studera flera gener samtidigt.

Med denna teknik kan forskare nu direkt analysera ett antal gener (vid mRNA, dvs transkription) eller proteiner (proteom). Detta och andra innovativa studier har också hjälpt till att avlägsna mycket intressanta fakta om livsformens ursprung och utveckling.

Bioinformatikens födelse:

Användningen av sådana avancerade metoder gjorde det i sin tur möjlig att upprätta enorma genetiska databaser som för närvarande innehåller genomsekvenser av ett stort antal organismer och proteinkonstruktionsdata. Den stora storleken på denna information skulle vara omöjlig att hantera utan att använda kraftfulla program och datorer.

Detta har givit vetenskapen om bioinformatik, som beskriver gruvdrift av biologisk sekvensinformation för att förutsäga genfunktion, protein och RNA struktur, genreglering, genomorganisation och fylogenetisk historia av gener och genfamiljer. I själva verket har den framgångsrika integrationen av experimentella och bibliografiska databaser hjälpt till att producera en betydande vetenskaplig infrastruktur för jordbruks- och biomedicinsk forskning.

Utvecklingen av bioteknik har hjälpt oss att förstå livets utveckling. Med upplösningen av detta mysterium erbjuder sekvenseringen av människan, växtgenomet och andra organismer kontinuerligt många fördelar.

Det hjälper oss att hantera problemen med sjukdomar, skadedjur, miljöutmaningar och framför allt befolkningstillväxt. Utvecklingen av denna vetenskap har visst visat sig vara en av de största prestationerna i det tjugonde århundradet, och lovar att vara lika och kanske ännu mer spännande under det nya årtusendet.