biotechnologia

Biotechnologia — to rodzaj technologii, w której do produkcji surowców wykorzystuje się organizmy żywe, wirusy oraz ich elementy składowe. Biotechnologia to jednocześnie dyscyplina naukowa, której głównym przedmiotem zainteresowań są procesy technologiczne, przeprowadzane z wykorzystaniem tychże organizmów, przeważnie bakterii.

Czym jest biotechnologia? Definicja i zastosowania

Definicja „biotechnologii” stworzona na potrzeby Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz Ministerstwa Gospodarki, brzmi następująco:

Biotechnologia – interdyscyplinarna dziedzina nauki i techniki zajmująca się zmianą materii żywej i nieożywionej poprzez wykorzystanie organizmów żywych, ich części, bądź pochodzących od nich produktów, a także modeli procesów biologicznych w celu tworzenia wiedzy, dóbr i usług.

Z kolei definicja opracowana przez Organizację Współpracy Gospodarczej i Rozwoju określa biotechnologię jako „świadczenie dóbr i usług z wykorzystaniem metod biologicznych”.

Procesy biotechnologiczne, pozwalające na uzyskanie określonych produktów, zachodzą wyłącznie przy udziale wyodrębnionych na drodze selekcji lub odpowiednio zmodyfikowanych biokatalizatorów. Biotechnologia to dziedzina praktyczna, opracowująca metody powstania surowców ważnych z perspektywy codziennego funkcjonowania człowieka, na przykład produktów spożywczych.

Wytwory biotechnologii służą też do: produkcji farmaceutyków, ochrony środowiska naturalnego czy produkcji pasz dla zwierząt. Biotechnologia czerpie z biologii, chemii i fizyki. Obecne kierunki jej rozwoju wspierają głównie rolnictwo, przetwórstwo rolne i spożywcze, a także farmację, medycynę i weterynarię. Opracowywanie i wdrażanie procesów biotechnologicznych wiąże się z koniecznością przestrzegania obowiązujących w tej dziedzinie norm prawnych. Biotechnologia rozwija się na tle licznych kontrowersji, które obracają się głównie wokół genetycznego modyfikowanych organizmów i żywności.

Ważenie piwa, to jedne z pierwszych zastosowań biotechnologii. Źródło: Lothar Meggendorfer und Franz Bonn, Public domain, via Wikimedia Commons

Historia biotechnologii – od tradycji do nowoczesności

Biotechnologia, choć często kojarzona z nowoczesnymi laboratoriami i zaawansowaną technologią, ma swoje korzenie w zamierzchłych czasach. Wykorzystanie organizmów żywych do wytwarzania produktów, takich jak chleb, ser czy napoje alkoholowe, było praktykowane już tysiące lat temu. Oto jak rozwijała się ta fascynująca dziedzina na przestrzeni wieków:

Biotechnologia tradycyjna – początki

• Fermentacja w starożytności: Pierwsze ślady fermentacji, procesu kluczowego dla biotechnologii, sięgają 7000–6000 lat p.n.e., kiedy to produkowano pierwsze wina i piwa.
• Wytwarzanie sera i chleba: Kultury starożytnego Egiptu i Mezopotamii doskonaliły techniki pieczenia chleba i wytwarzania produktów mlecznych z wykorzystaniem mikroorganizmów.
• Naturalne procesy hodowlane: Przez wieki ludzie stosowali selektywną hodowlę roślin i zwierząt, aby poprawić ich cechy użytkowe.

Rozwój wiedzy w erze nowożytnej

• XVII–XVIII wiek: Odkrycie mikroorganizmów przez Antoniego van Leeuwenhoeka w XVII wieku otworzyło drogę do zrozumienia procesów biologicznych.
• XIX wiek – fundamenty mikrobiologii: Prace Louisa Pasteura nad fermentacją i odkrycie bakterii jako czynnika wywołującego choroby stanowiły przełom. Pasteur udowodnił, że mikroorganizmy mogą być kontrolowane i wykorzystywane do produkcji żywności oraz ochrony zdrowia.

Era nowoczesnej biotechnologii

• XX wiek – rozwój genetyki: Zasady dziedziczenia opracowane przez Mendla oraz odkrycie DNA jako nośnika informacji genetycznej były kluczowe dla rozwoju biotechnologii molekularnej.
• Lata 70. – inżynieria genetyczna: Wynalezienie technologii rekombinacji DNA pozwoliło na wprowadzenie genów jednego organizmu do innego, co zrewolucjonizowało przemysł farmaceutyczny i rolnictwo. Przykładem jest produkcja insuliny ludzkiej z wykorzystaniem bakterii.
• XXI wiek – biotechnologia w praktyce: Obecnie biotechnologia znajduje zastosowanie w medycynie (terapie genowe, szczepionki), rolnictwie (GMO) i ochronie środowiska (bioremediacja). Rozwój narzędzi, takich jak CRISPR, umożliwia precyzyjną edycję genów i otwiera nowe możliwości w leczeniu chorób oraz projektowaniu organizmów.

Biotechnologia tradycyjna i nowoczesna

Biotechnologię zasadniczo dzielimy na tradycyjną i nowoczesną. Biotechnologia tradycyjna opiera się na organizmach naturalnie występujących w przyrodzie, które pozyskuje się do procesów produkcyjnych na drodze selekcji sztucznej. Organizmy te nazywamy bioindykatorami naturalnymi i są to dzikie szczepy bakterii, które nie były poddane żadnej modyfikacji. Biotechnologia tradycyjna wykorzystuje przede wszystkim metabolity pierwszorzędowe, czyli nieduże cząsteczki chemiczne, stanowiące pośrednie lub końcowe produkty podstawowych przemian metabolicznych. Metabolitami pierwszorzędowymi są na przykład alkohol etylowy, aminokwasy, cukry, kwasy organiczne, witaminy B2 i B12 czy polisacharydy. Są to metabolity szczególnie ważne w produkcji żywności, gdyż i biotechnologia tradycyjna służy w głównej mierze przemysłowi spożywczemu.

Podstawowym procesem biotechnologicznym jest fermentacja, która zachodzi w warunkach beztlenowych przy udziale mikroorganizmów. Wyróżniamy, na przykład, fermentację mlekową, możliwą dzięki działaniu bakterii mlekowych, w efekcie której otrzymujemy takie produkty, jak kiszone warzywa i owoce, zakwasy chlebowe, przetwory mleczne czy niektóre wędliny. Innym rodzajem fermentacji jest fermentacja etanolowa, wykorzystywana do produkcji piwa, wina, alkoholi wysokoprocentowych, ciast czy kefiru. Zachodzi przy udziale drożdży, które rozkładają cukier do alkoholu i tlenku węgla (IV).

Biotechnologia nowoczesna to z kolei technologia z użyciem biokatalizatorów i enzymów modyfikowanych na drodze inżynierii genetycznej i biologii molekularnej. Modyfikowanie genetyczne polega na ulepszaniu biokatalizatorów w taki sposób, aby pozwalały na przeprowadzenie procesów technologicznych w określony sposób oraz na uzyskanie zakładanych efektów. Innymi słowy, modyfikujemy genom i tworzymy organizm o wybranych cechach. Procesy biotechnologii nowoczesnej przeprowadzane są na mniejszą skalę, w porównaniu do tradycyjnej. W ich wyniku powstają immunoszczepionki, insulina, hormon wzrostu, erytropoetyna czy interferony. Substancje uzyskiwane za pomocą metod biotechnologii nowoczesnej są też wykorzystywane do produkcji detergentów oraz biopestycydów.

Techniki biotechnologiczne

Przytoczona wcześniej definicja ministerialna terminu „biotechnologia”, wskazuje w dalszej części również na konkretne techniki stosowane w biotechnologii. Są to na przykład: farmakogenomika, ekspresja genów, inżynieria białek i peptydów, inżyniera tkankowa, fuzja komórkowa, terapia genowa, biokataliza, bioługowanie, biofiltracja, wybielanie za pomocą środków biologicznych, biologia systemowa itd.

Biotechnologia zielona – zwana jest również agrobiotechnologią, co wskazuje na jej bezpośrednie zainteresowanie rolnictwem. Agrobiotechnologia skupia się jednak wyłącznie na roślinach – wykorzystuje wiedzę o nich w taki sposób, aby mogło przysłużyć się to człowiekowi. Rośliny będące stale pod lupą biotechnologii zielonej to rzepak, bawełna, soja i kukurydza.

Biotechnologia czerwona – ma służyć diagnostyce molekularnej i rozwojowi medycyny.

Biotechnologia niebieska – skupia się na procesach biotechnologicznych wód.

Biotechnologia fioletowa – obejmuje zagadnienia związane z etyką biotechnologii, prawem własności intelektualnej, kwestiami legislacyjnymi czy akceptacją społeczną dotyczącą wykorzystywanych procesów inżynierii genetycznej.

Biotechnologia biała – dotyczy ochrony środowiska i przekształcania surowców rolnych. Ma służyć optymalizacji procesów przemysłowych w kierunku oszczędności energii i zasobów czy ograniczenia produkcji odpadów.

Przyszłość biotechnologii

Historia biotechnologii pokazuje, że rozwój tej dziedziny jest nierozerwalnie związany z postępem nauki. Współczesne technologie, takie jak sztuczna inteligencja i nanotechnologia, wkraczają do laboratoriów, przyspieszając badania i wprowadzanie innowacji. Biotechnologia ma potencjał, by zmienić nasze życie w sposób, który jeszcze kilka dekad temu wydawał się niemożliwy.

Rzepak jest często wykorzystywany przez biotechnologię, fot. erika8213/envato