biotecnologia



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La Biotecnologia ( greco antico bíos , tedesco , Vita' ; come sinonimo di biotecnologia e brevemente come Biotech ) è una scienza interdisciplinare che si occupa dell'utilizzo di enzimi , cellule e interi organismi nelle applicazioni tecniche interessate. Gli obiettivi includono lo sviluppo di processi nuovi o più efficienti per la produzione di composti chimici e metodi diagnostici .

Nella biotecnologia vengono utilizzati i risultati di molte aree, come la microbiologia , la biochimica ( chimica ), la biologia molecolare , la genetica , la bioinformatica e l' ingegneria con ingegneria di processo ( ingegneria dei bioprocessi ). La base è costituita da reazioni chimiche che sono catalizzate da enzimi liberi o da enzimi presenti nelle cellule ( biocatalisi o bioconversione ). La biotecnologia fornisce importanti contributi al processo di biologizzazione .

Le applicazioni biotecnologiche classiche sono state sviluppate migliaia di anni fa, come B. la produzione di vino e birra con lievito e la trasformazione del latte in vari alimenti con l'aiuto di alcuni microrganismi o enzimi. La biotecnologia moderna ha fatto un uso crescente delle conoscenze e dei metodi microbiologici dal XIX secolo e, dalla metà del XX secolo, anche dell'ingegneria biologica molecolare , genetica e genetica . Ciò consente di utilizzare processi di produzione per composti chimici, ad es. Ad esempio, come ingrediente attivo per i prodotti farmaceutici o come prodotti chimici di base per l' industria chimica , metodi diagnostici , biosensori , nuove varietà vegetali da sviluppare e altro ancora.

I processi biotecnici possono essere utilizzati in molti modi diversi in un'ampia varietà di aree. In alcuni casi, si sta tentando di ordinare questi processi in base alle aree di applicazione, come ad esempio B. Medicina ( biotecnologia rossa ), piante o agricoltura ( biotecnologia verde ) e industria ( biotecnologia bianca ). A volte viene fatta anche una distinzione in base a quali esseri viventi vengono applicati i metodi, come nella biotecnologia blu o nella biotecnologia gialla, che si riferisce alle applicazioni nella vita marina o negli insetti.

storia

Ci sono state applicazioni biotecniche per migliaia di anni, come ad esempio B. la produzione di birra e vino . Il background biochimico era inizialmente in gran parte poco chiaro. Con i progressi in varie scienze, in particolare la microbiologia nel 19° secolo, la biotecnologia è stata elaborata scientificamente, ovvero è stata sviluppata la biotecnologia. Sono state aperte possibilità di applicazione biotecnologica ottimizzate o nuove. Altri passi importanti sono stati la scoperta dell'acido desossiribonucleico (DNA o DNA) negli anni '50, la crescente comprensione della sua importanza e funzione e il successivo sviluppo di metodi di laboratorio di biologia molecolare e di ingegneria genetica .

Prime applicazioni biotecniche

Le prime applicazioni delle biotecnologie, note da oltre 5000 anni, sono la produzione di pane , vino o birra ( fermentazione alcolica ) utilizzando i funghi appartenenti al lievito . Utilizzando i batteri dell'acido lattico , è possibile produrre anche pasta madre (pane acido ) e prodotti a base di latte acido come formaggio , yogurt , latte acido o kefir . Una delle prime applicazioni biotecnologiche oltre alla nutrizione è stata la concia e la colorazione delle pelli utilizzando feci e altri materiali contenenti enzimi per realizzare la pelle . Gran parte della biotecnologia si basava su questi processi produttivi fino al Medioevo, e intorno al 1650 emerse il primo processo biotecnologico per la produzione di aceto .

Sviluppo della microbiologia

La moderna biotecnologia si basa essenzialmente sulla microbiologia , emersa nella seconda metà del XIX secolo. Soprattutto, lo sviluppo dei metodi di coltivazione , coltura pura e sterilizzazione da parte di Louis Pasteur ha posto le basi per l'indagine e l'applicazione ( microbiologia applicata ) dei microrganismi . Nel 1867 Pasteur riuscì ad isolare i batteri dell'acido acetico e il lievito di birra usando questi metodi . Intorno al 1890 lui e Robert Koch svilupparono le prime vaccinazioni sulla base di agenti patogeni isolati e gettarono così le basi per la biotecnologia medica . Il giapponese Jkichi Takamine fu il primo a isolare un singolo enzima per uso tecnico, l' alfa-amilasi . Alcuni anni dopo, il chimico tedesco Otto Röhm utilizzò le proteasi animali (enzimi che degradano le proteine) dagli scarti dei macelli come detergenti e ausiliari per la produzione di pelle .

Biotecnologie nel XX secolo

La produzione su larga scala di butanolo e acetone mediante fermentazione del batterio Clostridium acetobutylicum è stata descritta e sviluppata nel 1916 dal chimico e poi presidente israeliano Charles Weizmann . È stato il primo sviluppo della biotecnologia bianca . Il processo è stato utilizzato fino alla metà del XX secolo, ma poi sostituito dalla più economica sintesi petrolchimica dalla frazione propenica del petrolio greggio . La produzione di acido citrico è stata effettuata dal 1920 mediante fermentazione superficiale del fungo Aspergillus niger . Nel 1957, l' aminoacido acido glutammico fu prodotto per la prima volta con l'aiuto del batterio del suolo Corynebacterium glutamicum .

Nel 1928/29 Alexander Fleming scoprì la prima penicillina antibiotica ad uso medico nel fungo Penicillium chrysogenum . Nel 1943 l'antibiotico streptomicina seguito da Selman Waksman , Albert Schatz ed Elizabeth Bugie . Nel 1949, la produzione di steroidi fu implementata su scala industriale. All'inizio degli anni '60, le proteasi di derivazione biotecnologica sono state aggiunte per la prima volta ai detergenti per rimuovere le macchie proteiche . Nella produzione casearia , dal 1965 il caglio di vitello è stato sostituito dalla rennina prodotta da microrganismi . Dal 1970 amilasi e altri enzimi per la scissione dell'amido potrebbero essere prodotti biotecnologicamente , con i quali z. B. amido di mais nel cosiddetto "sciroppo di mais ad alto contenuto di fruttosio", quindi sciroppo di mais , convertito e utilizzato come sostituto dello zucchero di canna ( saccarosio ), z. B. nella produzione di bevande potrebbe essere utilizzato.

Biotecnologie moderne dagli anni '70

Chiarimento della struttura del DNA

Nel 1953, Francis Crick e James Watson hanno chiarito la struttura e la funzionalità dell'acido desossiribonucleico (DNA). Ciò ha posto le basi per lo sviluppo della genetica moderna.

Dagli anni '70 ci sono stati numerosi sviluppi centrali nella tecnologia di laboratorio e di analisi. Nel 1972, i biologi Stanley N. Cohen e Herbert Boyer sono riusciti a utilizzare metodi di biologia molecolare la prima ricombinazione in vitro del DNA (cambio di DNA in provetta ), nonché la produzione di vettori plasmidici come strumento per il trasferimento ( un vettore ) di materiale genetico , ad es. B. nelle cellule batteriche.

Nel 1975, César Milstein e Georges Köhler hanno prodotto per la prima volta anticorpi monoclonali , che sono uno strumento importante nella diagnostica medica e biologica . Dal 1977, le proteine ricombinanti ( proteine originariamente derivate da altre specie ) possono essere prodotte nei batteri e prodotte su scala più ampia. Nel 1982 sono state prodotte le prime colture transgeniche con una resistenza agli erbicidi geneticamente modificata , in modo che l' erbicida in questione risparmi il raccolto quando vengono prese misure di protezione delle piante . Nello stesso anno sono stati creati topi knock-out per la ricerca medica. Con loro, almeno un gene viene inattivato per comprendere e investigare la sua funzione o la funzione del gene omologo nell'uomo.

Sequenziamento del genoma

Nel 1990 ha lanciato il Progetto Genoma Umano , che fino al 2001 (o 2003 negli standard previsti) l'intero genoma umano di 3,2 × 10 9 decifra le coppie di basi (bp) e lo è stato sequenziato . La tecnologia di sequenziamento si basa direttamente sulla reazione a catena della polimerasi (PCR) sviluppata nel 1975 , che consente un aumento rapido e di oltre 100.000 volte di determinate sequenze di DNA e quindi quantità sufficienti di questa sequenza, ad es. B. per l'analisi messa a disposizione. Già nel 1996, quello del lievito di birra ( Saccharomyces cerevisiae ) con 2 × 10 7 bp è stato completamente chiarito come il primo genoma . Il rapido sviluppo della tecnologia di sequenziamento ha permesso di sequenziare altri genomi in tempi relativamente brevi , come quello del moscerino della frutta Drosophila melanogaster (2 × 10 8 bp) nel 1999 .

La determinazione delle sequenze genomiche ha portato alla creazione di ulteriori aree di ricerca basate su di esse, come la trascrittomica , la proteomica , la metabolomica e la biologia dei sistemi e ad un aumento di importanza, ad es. B. bioinformatica .

Applicazioni dell'ingegneria genetica

Nel 1995, il primo prodotto transgenico, il pomodoro Flavr Savr, è stato immesso sul mercato ed è stato approvato per la vendita negli Stati Uniti e in Gran Bretagna. I primi tentativi di terapia genica nell'uomo sono stati fatti nel 1996 e le cellule staminali umane sono state propagate per la prima volta in colture cellulari nel 1999 . Nello stesso anno, il volume di mercato delle proteine prodotte in modo ricombinante nell'industria farmaceutica ha superato per la prima volta il valore di 10 miliardi di dollari USA. La pecora clonata Dolly è nata nel 1998.

I nuovi metodi di ingegneria genetica hanno aperto nuove opportunità di sviluppo per la biotecnologia, che hanno portato all'emergere della biotecnologia molecolare. Costituisce l'interfaccia tra la biologia molecolare e la biotecnologia classica. Tecniche importanti sono ad es. B. la trasformazione o trasduzione di batteri con l'aiuto di plasmidi o virus . Alcuni geni possono essere introdotti in determinati tipi di batteri in modo mirato. Altre aree di applicazione della biotecnologia molecolare sono i metodi analitici, ad esempio per l'identificazione e il sequenziamento di frammenti di DNA o RNA .

Rami della biotecnologia

La biotecnologia è un termine molto ampio. Si suddivide quindi in diversi rami a seconda dei rispettivi ambiti di applicazione. Alcuni di questi si sovrappongono, per cui questa suddivisione non è sempre chiara. In alcuni casi, i termini non sono ancora stabiliti o sono definiti in modo diverso.

Divisione della biotecnologia in diversi rami
ramo aree di applicazione
Biotecnologie verdi Utilizzo in agricoltura ; Biotecnologie vegetali
Biotecnologia rossa Uso in medicina e prodotti farmaceutici ; Biotecnologie mediche
Biotecnologia bianca Uso nell'industria ; Biotecnologie industriali
Biotecnologia grigia Utilizzo nella gestione dei rifiuti
Biotecnologia marrone Tecnologia tecnica o ambientale z. B. nella protezione del suolo
Biotecnologia blu uso biotecnologico delle risorse marine

La biotecnologia verde riguarda le applicazioni erboristiche quali. B. per scopi agricoli. La Red Biotechnology è il settore delle applicazioni medico-farmaceutiche tali. B. la fabbricazione di medicinali e diagnostica. La biotecnologia bianca o biotecnologia industriale comprende biotecnologico processo di produzione, in particolare per composti chimici nel settore chimico , nonché procedure tessile - o industria alimentare .

Meno comuni sono le divisioni nelle aree della biotecnologia blu , che si occupa dell'utilizzo di organismi provenienti dal mare, e della biotecnologia grigia con processi biotecnologici nel campo della gestione dei rifiuti ( impianti di depurazione , bonifica dei suoli e simili).

Indipendentemente da questa classificazione, esiste la biotecnologia nota come forma convenzionale , che si occupa del trattamento delle acque reflue , del compostaggio e di altre applicazioni simili.

Metodi di produzione

organismi

Il batterio Escherichia coli è uno degli organismi più utilizzati in biotecnologia.

Nella moderna biotecnologia vengono ora utilizzati sia batteri che organismi superiori come funghi , piante o cellule animali . Organismi di uso frequente sono stati spesso già oggetto di ricerche approfondite, come il batterio intestinale Escherichia coli o il lievito di birra Saccharomyces cerevisiae . Gli organismi ben studiati sono spesso utilizzati per applicazioni biotecniche perché sono ben noti e sono già stati sviluppati metodi per la loro coltivazione o manipolazione genetica. Gli organismi semplici possono anche essere modificati geneticamente con meno sforzo .

Sempre più spesso, gli organismi superiori ( eucarioti pluricellulari ) vengono utilizzati anche nella biotecnologia. La ragione di ciò è, ad esempio, la capacità di apportare modifiche post-traduzionali alle proteine che z. B. non avviene nei batteri. Un esempio di ciò è la glicoproteina - ormone eritropoietina , sotto l'abbreviazione EPO come agenti dopanti noti. Tuttavia, le cellule eucariotiche crescono più lentamente dei batteri e sono più difficili da coltivare per altri motivi. In alcuni casi, le piante farmaceutiche coltivate in campo, in serra o nel fotobioreattore possono essere un'alternativa alla produzione di questi biofarmaci .

Bioreattori

I microrganismi in particolare possono essere coltivati in bioreattori o fermentatori . Si tratta di contenitori in cui le condizioni sono controllate e ottimizzate in modo che i microrganismi coltivati producano le sostanze desiderate. Nei bioreattori, vari parametri , come B. pH , temperatura , rifornimento di ossigeno , azoto fornitura , contenuto di glucosio o impostazioni di agitazione può essere regolata. Poiché i microrganismi utilizzabili hanno esigenze molto diverse, sono disponibili tipologie molto diverse di fermentatori, come ad es B. agitata reattori serbatoi , reattori ad anello , reattori di trasporto aereo , nonché trasmette la luce fotobioreattori per la coltura di microrganismi fotosintetici (come alghe e piante).

Applicazioni

Vedere i paragrafi corrispondenti negli articoli: Biotecnologia bianca , Biotecnologia rossa , Biotecnologia verde , Biotecnologia grigia e Biotecnologia blu

A causa della diversità della biotecnologia, numerosi campi di applicazione e prodotti sono collegati o dipendenti da essa:

prospettiva

Molte applicazioni della biotecnologia si basano su una buona comprensione di come funzionano gli organismi. Attraverso nuovi metodi e approcci, come B. il sequenziamento del genoma e le aree di ricerca correlate come proteomica, trascrittomica, metabolomica, bioinformatica, ecc., Questa comprensione viene costantemente ampliata. Sono possibili sempre più applicazioni mediche Nella biotecnologia bianca , alcuni composti chimici, ad es. B. per scopi farmaceutici o come materia prima per l'industria chimica e gli impianti possono essere ottimizzati per determinate condizioni ambientali o per l'uso previsto. Spesso le applicazioni precedenti possono essere sostituite da processi biotecnici più vantaggiosi, come ad es. B. processi di produzione di sostanze chimiche dannose per l'ambiente nell'industria. Si prevede quindi che la crescita dell'industria delle biotecnologie continuerà in futuro.

Guarda anche

letteratura

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link internet

Wikizionario: Biotecnologie  - spiegazioni di significati, origini delle parole, sinonimi, traduzioni

Evidenze individuali

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