14. Teollisuudessa ja ympäristöteknologiassa hyödynnetään bioteknologiaa

Teollisuudessa pyritään tehokkaaseen ja ympäristöä vähän kuormittavaan tuotantoon.
Entsyymejä tuotetaan monien teollisuusalojen tarpeisiin. Entsyymien tuotannosta on kehittynyt oma bioteollisuuden osa-alueensa. Entsyymejä käytetään mm. elintarvike-, pesuaine-, puunjalostus- ja tekstiiliteollisuudessa. Entsyymeillä voidaan korvata haitallisia aineita tai käyttää alhaisempia lämpötiloja tai painetta, jolloin energiaa tarvitaan vähemmän.

Mikrobit valmistavat teollisuuden käyttämiä entsyymejä. Teollisuuden käyttämien entsyymien tuottamiseen käytetään bakteereita ja homeita, joita kasvatetaan bioreaktorien eli fermentorien kasvatusliuoksissa. Bioreaktori on suuri astia, joka on steriloitu ja suljettu niin tiiviisti, ettei sinne pääse ulkopuolisia mikrobeja.
Entsyymien teollisessa tuotannossa on kolme vaihetta:

1. Esikäsittelyssä syväjäädytettyjä tai kasvatusmaljalla jääkaapissa säilöttyjä mikrobeja siirretään steriiliin kasvatusliuokseen. Aluksi mikrobeja esikasvatetaan pienissä bioreaktioissa.
2. Bioreaktorissa kasvatusliuoksena on vettä ja siihen lisättyjä ravintoaineita. Jotta tuotanto olisi mahdollisimman tehokasta, bioreaktorin olosuhteet pidetään ihanteellisina mikrobin toiminnan kannalta. Bioreaktorin olosuhteita seurataan tarkasti koko tuotantoprosessin ajan.
3. Entsyymiä kerätään talteen ja puhdistetaan

Tuotteiden ominaisuuksia parannetaan ja niiden tuotantoa helpotetaan entsyymien avulla. Eniten entsyymejä käyttävä teollisuudenala on pesuaineteollisuus, jonka osuus entsyymien maailman markkinoista yli kolmannes. Pesuaineeseen lisätyt entsyymit hajottavat tärkkelystä (amylaasi), proteiineja (proteaasit) sekä rasvoja (lipaasit), ja saavat näin likatahrat irtoamaan.

Elintarvikkeiden valmistuksessa käytetään mikrobeja ja entsyymejä.  Elintarvikkeista pyritään bioteknologain menetelmin valmistamaan entistä maukkaampia, säilyvämpiä, terveellisempiä ja käyttötarkoitukseen paremmin sopivia. Myös lannotteita ja rehuja muokataan bioteknologian menetelmin.

Bioenergia korvaa fossiilisia polttoaineita. Biopolttoaineella tarkoitetaan eloperäisestä aineesta valmistettua polttoainetta ja siitä saatua energiaa kutsutaan bioenergiaksi. Liikenteen biopolttoaineita tuotetaan eri biomassoista. Osaa raaka-aineista voitaisiin käyttää ruokana tai niiden sijasta voitaisiin viljellä ruokaa, joten biopolttoaineita yritetään tehdä kasvien selluloosasta, mäntyöljystä ja jätteistä.

13. Lääketieteessä kehitetään jatkuvasti uusia rokotteita ja hoitomenetelmiä

Bakteerihoitoja hoidetaan antibiooteilla.Antibiootit ovat bakteerien ja homeiden valmistamia aineita, joilla ne tappavat kilpailijoitaan tai estävät niiden kasvua ja lisääntymistä. Esimerkkejä yleisesti käytetyistä antibiooteista ja niiden vaikutustavoista:

• Penisilliini
• Estää soluseinän rakentumisen
• Erytromysiini
• Estää proteiinisynteesin
• Tetrasykliini
• Estää proteiinisynteesin
• Rifampsiini
• Estää nukleiinihapposynteesin
• Vankomysiini
• Estää soluseinän rakentumisen

Suurin osa rokotteista valmistetaan geenitekniikan avulla. Uusia rokotteita joudutaan kehittämään koko ajan, koska bakteerit ja virukset muuntelevat nopeasti. Perinteisten rokotteiden teho perustuu heiokennettyihin tai tapettuihin mikrobeihin tai niiden osiin. Geenitekniikan avulla valmistetaan entistä tehokkaampia ja turvallisempia rokotteita.

Biotekniikan avulla tuotetaan lääkeproteiineja ja täsmälääkkeitä. Yksinkertaisia proteiineja tuotetaan bakteeri- ja hiivasoluviljelmissä. Monimutkaisempia lääkeproteiineja pitää valmistaa joko nisäkässoluviljelmissä tai muuntogeenisissä eläimissä. Bioteknisen valmistuksen etuja ovat valmisteen puhtaus ja prosessin tehokkuus.

Bioteknisesti valmistetaan monoklonaalisisa vasta-aineita, jotka ovat täsmälleen samanlaisia ja kiinnittyvät ainoastaan yhteen tiettyyn kohtaan antigeeniä.
Interferonit ovat elimistön omien solujen tuottamia proteiineja, jotka estävät virusten lisääntymistä.

https://peda.net/oppimateriaalit/e-oppi/lukio/bi
ologia/symbioosi2/luku1/mediamappi/kuvat2/kantasolu

Kantasoluista erilaistettujen solujen käyttöä solukorvaushoidoissa tutkitaan.  Lähes kaikkikykyisiä kantasoluja on vain alkiossa. Nykyisellä tekniikalla kantasoluja tehdään lähes mistä tahansa solutyypistä. Ongelmana hoidossa on geenimutaatiot.

Geenihoito on sairauden hoitamista geeninsiirron avulla. Geenihoidossa ei korjata potilaan omaa virheellistä geeniä, vaan sairaan kudoksen soluihin siirretään tomiva geeni, jonka ohjeiden mukaan elimistöön alkaa syntyä puuttuvaa proteiinia.

Geenihoitoon liittyy monia ongelmia:

http://www.duodecimlehti.f
i/web/guest/arkisto?p_p_
id=Article_WAR_DL6_Artic
leportlet&p_p_action=1&p_
p_state=maximized&p_p_mode=
view&p_p_col_id=column-1&p_p_col_cou
nt=1&viewType=viewArti
cle&tunnus=duo97968

1. Geenin siirtoa ei osata tehdä kohdistetusti
• Siirtogeeni voi kiinnittyä mihin kohtaan tahansa potilaan solun DNA:ssa
2. Geeninsiirto juuri haluttuun kudokseen ei aina onnistu
3. Käytettyjen vektorien tehottomuus siirtogeenien kuljettajina
4. Geenin toiminnan hiipuminen vähitellen.

Suomalaiseen tautiperintöön vaikuttaa asutushistoria. Suomalaisella tautiperinnöllä tarkoitetaan sellaisia harvinaisia perinnöllisiä tauteja, joita esiintyy Suomessa enemmän kuin muualla maailmassa.

Suomalainen tautiperintö selittyy sattumalla ja isolaatiolla. Suomalaiset polveutuvat hyvin piensetä väkimäärästä, ehkäpä vain noin muutamasta sadasta. Suomen asuttajat toivat sattumanvaraisen valikoiman eurooppalaista ja aasialaista geeniperimää. Jotkin muualla hyvin harvinaiset alleelit olivat muuttajissa yliedustettuina, ja monia yleisesti edustettuja alleeleja ei puolestaa tullut heidän mukanaan lainkaan. Ilmiötä kutsutaaan perustajavaikutukseksi.

Väestöön ei tullut myöskään monia uusia alleeleita ympäröiviltä alueilta, koska kaukainen sijainti, ympäröivät meret, asumattomat erämäät ja erikonen kieli eristi suomalaiset muista kansoista.

Kudosteknologialla tarkoitetaan keinotekoisten kudosten ja elinten kehittämistä. Kudos- ja elinsiirtoihin liittyvien hylkimisreaktioiden vuoksi etsitään uusia menetelmiä, joilla nämä ongelmat voitaisiin välttää. Yksimenetelmä on kudosteknologia, jossa yhdistyvät biologia, lääketiede ja insinööritieteet.

Mikäli eläimiä kaytetään elintehtaina, vaarana ovat eläimistä ihmisiin siirtyvät taudit eli zoonoosit.

12.Yksilöiden tunnistamisessa käytetään uusia keinoja

Biologisiin ominaisuuksiin perustuvaa tunnistusta kutsutaan biometriseksi tunnistukseksi esim.

http://commons.wikimedia.org/wiki
/File:Fingerprintforcriminologystubs2.png

1. Sormenjäljet
2. Kasvot
3. Iirikset
4. DNA-tunnisteet
• Perustuu yksilöllisiin DNA:n toistojaksoihin, joita monistetaan PCR-menetelmällä

DNA-tunnisteista on hyötyä:

• Rikostutkimuksessa
• Rikollisen DNA:ta rikospaikalta jne.
• Isyystestit
• Sukulaisuuden selvittäminen
• Uhrien tunnistus
• Sota jne.
• Lajien tunnistaminen
• Eliöiden alkuperän selvittäminen
• Salakuljetus jne.
• Muuntogeenisten eliöiden tunnistaminen

11. Geenitekniikka on muuttanut jalostusta

Perinteisellä jalostuksessa geenejä saadaan siirtymään vain sellaisten lajikkeidin, rotujen ja lajien välillä, jotka risteytyvät keskenään. Siinä myös jalostettavaan eliöön siirtyy toivottujen geenien lisäksi tuhansia tuntemattomia tai ei-haluttuja geenejä. Geenitekniikan menetelmin jalostuksessa siirretään vain haluttuja geenejä. Geenejä pystytään siirtämään myös lajirajoista välittämättä. Tavoitteena on siirtää geeni eliön soluun niin, että se kiinnittyy osaksi genomia, vaikuttaa halutulla tavalla ja periytyy jälkeläisille.

Muuntogeeninen kasviviljely on yleistynyt maailmalla. Aluksi kasveja muunneltiin geneettisesti, jotta niillä olisi resistanssi tiettyjä myrkkyjä ja  sairauksia vastaan. Nykyään niitä muunnellaan myös sen takia, että saataisiin parempi ravintoarvo tai kestävyys.
Muuntogeenisia eläimiä käytetään esimerkiksi lääkeproteiinien tuottajina, mutta niiden tuottaminen on erittäin klallista ja hidasta.
Jalostus voi vaikuttaa biologiseen monimuotoisuuteen poistamalla osan geeniperimästä.

10. Jalostuksella ohjataan haluttujen ominaisuuksien periytymistä

Maissin alkuperäinen laji on todennäköisesti teosintti.
 Siitä on jalostettu nykyinen maissi,
jonka tähkä on alkuperäiseen verrattuna valtava

Jalostuksella tarkoitetaan ihmisen tekemää suunnitelmallista kasvien ja eläinten ominaisuuksien valikoimista ja parantamista eli toisin sanoen se on ihmisen ohjaamaa evoluutiota. Useimmiten ihmisen tavoittelemat kasvien ja eläinten ominaisuudet ovat erilaisia kuin luonnonvalinnan suosimat. Jos ympäristöolot pysyvät vaikaina, luonnossa menestyvät yleensä parhaiten keskiverta yksilöt, kun taas ihminen suosii jalostuksessa ääriominaisuuksia.

Valintajalostus tarkoittaa sitä että ihmisen mielestä tärkeitä ja parhaita ominaisuuksia ilmentävät yksilöt valitaan jatkamaan sukua. Valintajalostus johtaa samankaltaiseen lopputulokseen kuin suuntaava luonnonvalinta luonnon populaatioissa.

Risteytysjalostuksella lisätään perinnöllistä muuntelua. Risteytysjalostuksen avulla pyritään saamaan aikaan uusia ominaisuusyhdistelmiä. Tavoitteena on jalostaaa yksilöitä, joilla on useita hyviä ominaisuuksia.

Alkuhärkä

 Jalostettu härkä

Kasvijalostuksessa käytetään myös mutaatioita. Kasvijalostuksessa voidaan käyttää tarkoituksellisesti aikaansaatuja geeni- ja kromosomistomutaatioita (esim. vaikka gamma-säteilyllä). Mutaatiojalostuksen tuloksena on suuri määrä satunnaisia geneettisiä muutoksia, koska mitkä tahansa geenit voivat muuttua. Kasvikromosomisto saadaan kaksinkertaistettua kässittelemällä siemeniä rai kasvavia versoja myrkkyliljasta eristetyllä kolkisiinilla, joka estää tumasukkulan synnyn. Tällöin mitoosissa kromosomit jäävät samaan tytärsoluun eli siemenistä kehittyy polyploidisia kasveja. Kun kromosomistot ovat peräisin samalta lajilta, kyseessä on autopolyplidia. Autopolyploidiset kasvit ovat useimmiten normaaleja kasveja suurempia ja satoisampia. Kun kromosomistot ovat peräisin eri lajeilta, on kyseessä allopolyploidia.

Solukkoviljelyn avulla tuotetaan kasviklooneja. Solukkoviljelyn avulla saadaan tuotettua nopeasti suuri määrä kasviyksilöitä, joilla on jokin toivottu ominaisuus. Solukkoviljelyssä uusia kasveja tuotetaan niiden kasvusolukoista tai yksittäisistä soluista. Haploidiajalostuksessa kasvatetaan hedelmöittymättömästä munasolusta tai siitepölyhiukkasen esiasteesta solukkoviljelyssä uusi taimi. Koska haploidisella taimella on vain puolet kasvin normaalista kromosomimäärästä, siinä ilmenevät myös resessiivisetkin alleelit, ksoka niiden vastinalleelit puutuvat. Niiden kromosomisto voidaan kaksinkertaistaa kolkosiinilla, jolloin niistä tulee kaikkien ominaisuuksien suhteen homotsygoottisia.

Lisääntymisbiologiset menetelmät ovat nopeuttaneet eläinjalostusta.
Lisääntymisbiologisia menetelmiä ovat:

• Keinohedelmöitys
• Kerätään tarkoin valittujen koiraiden simennestettä, joka käsitellään ja pakastetaan.
• Koeputkihedelmöitys
• Munasolut ja siittiöt kypsytetään eri elatusliuoksissa ja hedelmöitys tapahtuu, kun solut siirretään samaan elastusliuokseen
• Alkion siirto kohtuun suoritetaan muutaman päivän kuluttua
• Alkionsiirto
• Alikoita tuottamaan valitaan parhaat jalostuseläimet
• Alkio voidaan siirtää minkä tahansa saman lajin naaraan kohtuun kehittymään

Kuvat: http://opinnot.internetix.fi/fi/muikku2materiaalit/peruskoulu/bi/bi1/09._jalostus_ja_biotekniikka/9.1_jalostus?C:D=hNyM.g13w&m:selres=hNyM.g13w

9. Geenitekniikan avulla voidaan muokata eliöitä

Geenin voi siirtää toisesta eliöstä toiseen. Esim. siirtogeenisiä bakteereja tehdään yleensä proteiinin tuottamista tai geenien monistamista varten.

• Muuntogeeninen eliö
• Siirtogeeninen: Geenin lisääminen
• Poistogeeninen: Geenin muuttaminen toimintakyvyttömäksi

Geenin siirtoon käytettäviä vektoreita ja menetelmiä

• Mikroinjektio
• Ohuen lasiputken avulla siirretään DNA:ta kohdesolun tumaan.
• Bakteriofageilla (virukset)
• Sähköpulssi
• Sähkövirran ansiosta kohdesolun solukalvon läpäisevyys lisääntyy ja vieras DNA saadaan helpommin solun sisään
• Geenipyssy
• Laite, jolla voidaan ampua DNA:lla päällystettykä pieniä kultahiukkasia kasvisoluihin.
• Pieni osa kultahiukkasen pinnalla olevasta DNA:sta irtoaa solun sisällä ja kulkeutuu tumaan.



http://www.solunetti.fi/fi/solubiologia/vektorit/2/
(Plasmidi)

• Voidaan käyttää kaikkien eliöiden soluihin
• Plasmidit
• Bakteereissa ja hiivoissa
• Haluttu geeni liitetään plasmidiin antibiottiresistanssi geenin kanssa
• Keinotekoinen kromosomi
• DNA:sta valmistettu "tekokromosomi"
• Liposomi
• Lipidimolekyyleistä valmistettu kuljetin, jonka sisälle on pakattu siirrettävä DNA.
• Sulautuu kohdesolun solukalvoon
• Aggrobakteeri
• Siirretään DNA:ta kasvisoluihin
• Agrobakteereissa on siirtoon sopiva plasmidi

http://www.solunetti.fi/fi/solubiologia/kloonaus/2/

Siirtogeeninen hiiri tehdään:

1. DNA:ta ruiskutetaan ohuella lasiputkella hedelmöittyneen munasolun toiseen esitumaan.
2. Käsitellyt munasolut siirretään valeraskaana olevan naaraan kohtuun kehittymään
3. Syntymän jälkeen eri menetelmillä (esimerkiksi leimatun merkkigeenien avulla) poimitaan yksilöt, joiden perimään siirtogeeni on liittynyt. Ne voidaan tunnistaa elektroforeesilla.

Geenejä, soluja ja yksilöitä voidaan kloonata. Geenien kloonamisella tarkoitetaan geenin eristämistä ja monistamista bakteeriviljelmän tai PCR:n avulla. Solujen taas sanotaan kloonautuvan, kun ne jakautuvat mitoottisesti ja samalla tuottavat itsestään perimältään samanlaisia tytärsoluja. Bakteerit kloonautuvat yksinkertaisesti jakautumalla kahtia. Yksilötasolla kloonamisella tarkoitetaan perimältään samanlaisten yksilöiden tuottamista. Eläimillä luonnollinen kloonautuminen on harvinaista, mutta suvuttomasti lisääntyvillä kasveilla taas tavallista. Ensimmäinen synteettiseti kloonattu eläin oli lammas, jonka nimi oli Dolly vuonna 1996. Eläinten kloonaaminen on kuitenkin osoittautunut hyvin vaikeaksi. Kloonatuissa eläimissä on esiintynyt paljon kuolleisuutta jo alkiovaiheessa, ja enintään muutama prosentti on kasvanut aikuisiksi. Aikuisissa yksilöissäkin on esiintynyt huomattavan paljon erilaisia vikoja ja sairauksia.

8. Geenitekniikan avulla muokataan ja tutkitaan perimää

Geenien tutkiminen aloitetaan DNA:n eristämisellä.

Geenitekniikka:

• DNA:n eristäminen soluista ja puhdistaminen
• DNA-molekyylin paloittelu ja palojen yhteenliittäminen
• DNA:n monistaminen
• DNA-palojen erottelu
• Geenin siirto toiseen eliöön
• DNA:n tallentaminen bakteereihin ja hiivasoluihin (=geenikirjastot)
• Geenin emäsjärjestyksen selvittäminen
• Tietyn DNA-jakson etsiminen
• Eliön perimän emäsjärjestyksen selvittäminen

Tutkimusmenetelmiä:

• DNA:n eristäminen ja puhdistaminen:

1. Solut jäädytetään nestemäisellä typellä, minkä jälkeen ne on helppo murskata. Sitten niiden fosfolipideistä koostuvat solukalvot hajotetaan rakenteen rikkovalla aineella (detergentillä) ja kromosomien proteiinit niitä pilkkovilla entsyymeillä (proteaaseilla)
2. Liuokseesa mukana olevat proteiinit ja rasvat poistetaan uuttamalla liuottimeen
3. Vesi ja liotin erotetaan eri kerroksiksi sentrifugin avulla. Sentrifugi on laite, jolla voidaan erottaa liuoksessa olevia aineita pyörimisliikkeen avulla. Kevyt DNA jää vesikerrokseen, ja painavammat rasvat sekä proteiinit liuotin kerrokseen
4. DNA saostetaan yleensä kylmällä isopropanolilla ja pestään etanolilla. Saostettu DNA liuotetaan pieneen määrään vettä jatkokäsittelyä varten

• DNA.n tallentaminen geenikirjastoksi

1. Ihmisen DNA:ta eristetään esimerkiksi veren valkosoluista ja pilkotaan jollakin katkaisu entsyymillä sopivan mittaisiksi pätkiksi
2. Samalla entsyymillä katkaistaan myös bakteerin plasmidien DNA:ta
3. pilkonnan tuloksena syntyneiden DNA-pätkien annetaan sitten liittyä plasmideihin tai faageihin, joiden avulla ne siirtyvät bakteerin sisään
• Polymeraasiketjureaktio



Yliopiston kesäkurssilla tehdyn työ tulos (elektroforeesi)

• Perustuu eri vaiheiden vuorotteluun,, jolloin lämpötilaa muuttamalla saadaan DNA-ketju vuoroin avautumaan ja vuoroin rakentumaan uudelleen.
• DNA-pätkiä lajitellaan koon mukaan elektroforeesiissa
• Voidaan erotella erikokoisia DNA-, RNA- ja proteiinimolekyylejä.
• Käytetään avuksi sähkövirtaa ja hyytelömäistä geeliä
• Isot molekyylit liikkuvat väliaineessa hitaammin.
• DNA-sirut
• DNA-siru on pieni lasi- tai muovilevy, johon on kiinnitetty tasaisin välein yksisäikeisiä DNA-molekyyylien palasia esimerkiksi ihmisen geeneistä.
• DNA:n emäsjärjestyksen selvittäminen eli sekvensointi
1. Tutkittava DNA-jakso hajotetaan yksijuosteiseksi kuumentamalla. Samassa koeputkessa on alukkeita, lämpöä sietävää DNA-polymeraasia, kaikkia neljää DNA-nukleotidityyppiä sekä merkittyjä, lopettavi nukliotideja
2. PCR-vaiheessa DNA-polymeraasi alkaa muodostaa vapaista nukleotideista uutta juostetta, kunnes paikalle osuu lopetava nukleotidi ja sen vuoksi synteesi loppuu.
3. Elektroforeesivaiheessa pätkien annetaan kulkea lasiputkessa olevan geelin  läpi, jolloin erimittaiset pätkät kulkevat eri etäisyyksille
4. Tunnistinlaite havaitsee eri merkkiaineilla merkityt lopettavat nukleotidit
5. Tulostin piirtää kuvion, josta näkyy vastinjuosteen emäsjärjestys tutkittavasta DNA-jaksosta: Merkkiaineen perusteella kukin lopettava nukleotidi tulostuu eri värinä.

Eri lajien genomeissa on paljo samankailtaisuuksia.

Geenitekniikassa käytettäviä entsyymejä

• DNA-polymeraasi 
• Rakentaa nukleotideista DNA-ketjua emäsperiaatteen mukaisesti
• RNA-polymeraasi
• Rakentaa nukleotideista RNA-molekyylin DNA-juosteen mallin muokaisesti
• Katkaisu- eli restriktioentsyymit
• Katkaisevat DNA-rihman kullekin luonteenomaisesta kohdasta
• Liittäjä- el ligaasientsyymit
• Liittävät irrallaan olevat DNA-juosteen pätkät toisiinsa
• Käänteiskopioijaentsyymi
• Kopioi RNA:n emäsjärjestyksen sen DNA:n emäsjärjestykseksi (vastin-DNA:ksi)
• Proteaasit
• Yhteisnimi erilaisille proteiineja pilkkoville entsyymeille.