Biotekinolojia

Biotekinolojia ni aina ya tekinolojia inayotumia elimu ya biolojia kwa manufaa ya binadamu. Ni elimu pana sana inayoanza kwenye shughuli za kuchachusha mkate au pombe hadi kutumia mitambo ya hali ya juu katika maabara za kisasa.
Jina linatokana na maneno ya Kigiriki βιος (bios, uhai), τεγνɳ (technee, ufundi) na λογία (logia, elimu).
Tekinolojia hii hutumiwa hasa katika kilimo, uzalishaji wa vyakula na tiba. Viumbehai kama mimea na bakteria, dutu za kibiolojia kama vimeng'enya na kadhalika hutumiwa kwa kupata dutu, kemikali, mazao na bidhaa nyingine. Kuna pia maeneo mengine ambako biotekinolojia inafanyiwa majaribio.
Mara nyingi biotekinolojia hudhaniwa ilitokea juzijuzi tu kwa njia ya fani kama uhandisi jenetikia. Lakini hali halisi mbinu zake zimeshatumiwa tangu kale katika tamaduni zilizogundua njia za kufuga wanyama na kuzalisha mimea.
Tangu miaka elfu kadhaa watu walitumia mbinu za biotekiolojia kwa kutengeneza mkate, divai au pombe. Watengenezaji walitumia bakteria za hamira kwa matokeo yaliyotafutwa lakini bila kujua habari za viumbe vidogo sana waliowafanyia kazi hii.
Tangu kale watu walitumia bakteria ya kasini (chumvi ya maziwa) kwa kupata jibini na mtindi.
Nje ya vyakula watu walitumia tangu kale dutu zenye vimeng'enya (mfano: samadi, mawi) ili kulainisha ngozi kwa matumizi ya mavazi.
Tangu kutokea kwa mikrobiolojia wataalamu walianza kutambua viumbehai vidogo sana yaani bakteria zinazofanya kazi katika michakato hii. Maendeleo haya yalitegemea kugunduliwa kwa hadubini.
Katika karne ya 19 Louis Pasteur aliweza kutenganisha bakteria safi za asidi asetia na hamira. Baada ya kugundua utengaji wa aina za bakteria safi na kufanikiwa kuzifuga kulikuwa na msingi kwa chanjo za kwanza dhidi ya magonjwa. Hapo wataalamu kama Pasteur na Robert Koch walitenganisha bakteria za kusababisha magonjwa. Halafu waliingiza kiasi kidogo cha bakteria dhaifu za aina husika katika damu ya watu ziliposababisha Mfumo wa kingamaradhi mwilini kujua bakteria hizi na kujenga kinga dhidi yao.
Elimu hii iliruhusu kuandaa chanjo mbalimbali dhidi ya magonjwa, tena kwa wingi, katika maabara makubwa na kutoa chanjo kwa wakazi wa nchi yote.
Tangu mwaka 1916 Chaim Weizmann alitambua namna ya kutengeneza butanoli na asetoni kwa kutumia bakteria za clostridium acetobutylicum akatengeneza dutu hii kwa wingi wa ajili ya viwanda vya baruti wakati wa vita ya kwanza ya dunia.
Tangu mwaka 1920 asidi sitiriki iliweza kutengezewa kwa kutumia kuvu ya aspergillus niger. Mfano mwingine ni utengezaji wa amino asidi bakteria za corynebacterium glutamicum.
Kuna mifano mingine mingi jinsi gani dutu ambazo ni muhimu katika michakato za kisasa viwandani zinapatikana kwa njia ya bioteknolojia.
Katika nusu ya pili ya karne ya 20 sayansi ilianza kuelewa kuwepo kwa DNA ndani ya seli za viumbehai na kutumia elimu hii. Utambuzi huu uliongeza uhakika wa uteuzi, ufugaji na uzalishaji kwa kutumia tabia zile tu zinazotafutwa na kujulikana kwenye DNA.
Mfano ni kutengenezwa kwa mazao ambayo DNA imebadilishwa ili kutoambukizwa na magonjwa fulani ya mimea. Makampuni makubwa ya kilimo yamegundua mimea iliyobadilishwa DNA ambazo hazigonjeki kutokana na matumizi ya sumu ya madawa; yanauza mbegu ya mimea ya jeni zilizobadilishwa pamoja na dawa linalofaa pamoja naye. Hii inaongeza mavuno na pia mapato ya makampuni husika.
Bioteknolojia ina matumizi katika maeneo makuu manne ya viwanda, ikiwa ni pamoja na huduma za afya (matibabu), uzalishaji wa mazao na kilimo, matumizi yasiyo ya chakula (viwanda) ya mazao na bidhaa nyingine (kwa mfano, plastiki za biodegradable, mafuta ya mboga, biofuels), na matumizi ya mazingira.
Kwa mfano, matumizi moja ya bioteknolojia ni matumizi ya moja kwa moja ya microorganisms kwa ajili ya utengenezaji wa bidhaa za kikaboni (mifano ni pamoja na bia na bidhaa za maziwa). Mfano mwingine ni kutumia bakteria ya kawaida ya sasa na sekta ya madini katika bioleaching. Bioteknolojia pia hutumiwa kuchakata tena, kutibu taka, kusafisha maeneo yaliyochafuliwa na shughuli za viwandani (bioremediation), na pia kuzalisha silaha za kibiolojia.
Mfululizo wa maneno yaliyotokana yameundwa ili kutambua matawi kadhaa ya bioteknolojia, kwa mfano:
Katika dawa, bioteknolojia ya kisasa ina matumizi mengi katika maeneo kama vile uvumbuzi wa dawa na uzalishaji, pharmacogenomics, na upimaji wa maumbile (au uchunguzi wa maumbile). Mnamo 2021, karibu 40% ya jumla ya thamani ya kampuni ya kampuni za biotech za dawa ulimwenguni kote zilikuwa zinafanya kazi katika Oncology na Magonjwa ya Neurology na Rare kuwa matumizi mengine mawili makubwa.
Pharmacogenomics (mchanganyiko wa pharmacology na genomics) ni teknolojia ambayo inachambua jinsi maumbile ya maumbile huathiri majibu ya mtu binafsi kwa madawa ya kulevya. Watafiti katika uwanja wanachunguza ushawishi wa tofauti ya maumbile juu ya majibu ya madawa ya kulevya kwa wagonjwa kwa kuunganisha kujieleza kwa jeni au polymorphisms moja-nucleotide na ufanisi wa dawa au sumu. Madhumuni ya pharmacogenomics ni kuendeleza njia za busara za kuboresha tiba ya dawa, kwa heshima na genotype ya wagonjwa, ili kuhakikisha ufanisi wa juu na athari ndogo mbaya. Njia kama hizo zinaahidi ujio wa "dawa ya kibinafsi"; ambayo madawa ya kulevya na mchanganyiko wa madawa ya kulevya ni optimized kwa ajili ya kila mtu ya kipekee maumbile babies.
Bioteknolojia imechangia ugunduzi na utengenezaji wa dawa ndogo za jadi za molekuli pamoja na dawa ambazo ni bidhaa ya bioteknolojia - biopharmaceutics. Bioteknolojia ya kisasa inaweza kutumika kutengeneza dawa zilizopo kwa urahisi na kwa bei nafuu. Bidhaa za kwanza zilizotengenezwa kwa maumbile zilikuwa dawa iliyoundwa kutibu magonjwa ya binadamu. Ili kutaja mfano mmoja, katika 1978 Genentech iliendeleza insulini ya kibinadamu ya synthetic kwa kujiunga na jeni yake na vector ya plasmid iliyoingizwa kwenye coli ya bacterium Escherichia. Insulin, inayotumiwa sana kwa matibabu ya ugonjwa wa kisukari, hapo awali ilitolewa kutoka kwa kongosho la wanyama wa abattoir (cattle au nguruwe). Bakteria wa maumbile wana uwezo wa kuzalisha kiasi kikubwa cha insulini ya binadamu ya synthetic kwa gharama ya chini Bioteknolojia pia imewezesha matibabu yanayojitokeza kama tiba ya jeni. Matumizi ya bioteknolojia kwa sayansi ya msingi (kwa mfano kupitia Mradi wa Genome ya Binadamu) pia imeboresha sana uelewa wetu wa biolojia na kama ujuzi wetu wa kisayansi wa biolojia ya kawaida na magonjwa umeongezeka, uwezo wetu wa kuendeleza dawa mpya za kutibu magonjwa yasiyotibiwa hapo awali umeongezeka pia.
Upimaji wa maumbile huruhusu utambuzi wa maumbile ya udhaifu wa magonjwa ya kurithi, na pia inaweza kutumika kuamua uzazi wa mtoto (mama wa maumbile na baba) au kwa ujumla asili ya mtu. Mbali na kusoma chromosomes kwa kiwango cha jeni za mtu binafsi, upimaji wa maumbile kwa maana pana ni pamoja na vipimo vya biokemikali kwa uwepo wa magonjwa ya maumbile, au aina za mutant za jeni zinazohusiana na hatari kubwa ya kuendeleza matatizo ya maumbile. Upimaji wa maumbile hutambua mabadiliko katika kromosomu, jeni, au protini. Mara nyingi, upimaji hutumiwa kupata mabadiliko ambayo yanahusishwa na matatizo ya kurithi. Matokeo ya uchunguzi wa maumbile yanaweza kuthibitisha au kuondoa hali ya maumbile inayoshukiwa au kusaidia kuamua nafasi ya mtu ya kuendeleza au kupitisha ugonjwa wa maumbile. Kufikia mwaka wa 2011, majaribio kadhaa ya maumbile yalitumika. Kwa kuwa upimaji wa maumbile unaweza kufungua matatizo ya kimaadili au kisaikolojia, upimaji wa maumbile mara nyingi huambatana na ushauri wa maumbile.
Mazao yaliyobadilishwa kijenetiki ("mazao ya GM", au "mazao ya biotech") ni mimea inayotumiwa katika kilimo, DNA ambayo imebadilishwa na mbinu za uhandisi wa maumbile. Katika hali nyingi, lengo kuu ni kuanzisha tabia mpya ambayo haitokei kwa kawaida katika spishi. Makampuni ya bioteknolojia yanaweza kuchangia usalama wa chakula wa baadaye kwa kuboresha lishe na uwezekano wa kilimo cha mijini. Aidha, ulinzi wa haki miliki unahimiza uwekezaji wa sekta binafsi katika agrobioteknolojia.
Mifano katika mazao ya chakula ni pamoja na upinzani kwa wadudu fulani, magonjwa, hali ya mazingira ya kusumbua, upinzani kwa matibabu ya kemikali (kwa mfano upinzani kwa dawa ya mimea), kupunguza uharibifu, au kuboresha wasifu wa virutubisho wa mazao. Mifano katika mazao yasiyo ya chakula ni pamoja na uzalishaji wa mawakala wa dawa, biofuels, na bidhaa nyingine muhimu za viwanda, pamoja na bioremediation.
Wakulima wamekubali sana teknolojia ya GM. Kati ya mwaka 1996 na 2011, eneo la ardhi lililolimwa na mazao ya GM lilikuwa limeongezeka kwa sababu ya 94, kutoka 17,000 hadi 1,600,000 kilomita za mraba (4,200,000 hadi 395,400,000 ekari). Asilimia 10 ya ardhi ya mazao duniani ilipandwa na mazao ya GM mnamo 2010. Kufikia mwaka wa 2011, mazao 11 tofauti ya transgenic yalipandwa kibiashara kwenye ekari milioni 395 (hekta milioni 160) katika nchi 29 kama vile Marekani, Brazil, Argentina, India, Canada, China, Paraguay, Pakistan, Afrika Kusini, Uruguay, Bolivia, Australia, Ufilipino, Myanmar, Burkina Faso, Mexico na Uhispania.
Vyakula vilivyobadilishwa kijenetiki ni vyakula vinavyozalishwa kutoka kwa viumbe ambavyo vimekuwa na mabadiliko maalum yaliyoletwa katika DNA yao na njia za uhandisi wa maumbile. Mbinu hizi zimeruhusu kuanzishwa kwa sifa mpya za mazao pamoja na udhibiti mkubwa zaidi juu ya muundo wa maumbile ya chakula kuliko hapo awali ulipewa na njia kama vile kuzaliana kwa kuchagua na kuzaliana kwa mabadiliko. Uuzaji wa kibiashara wa vyakula vilivyobadilishwa maumbile ulianza mnamo 1994, wakati Calgene alipouza kwanza Flavr Savr yake ilichelewesha nyanya iliyoiva. Hadi sasa mabadiliko mengi ya maumbile ya vyakula yamezingatia mazao ya fedha taslimu kwa mahitaji makubwa ya wakulima kama vile maharage ya soya, mahindi, canola, na mafuta ya mbegu za pamba. Hizi zimetengenezwa kwa upinzani kwa pathogens na dawa za mitishamba na maelezo bora ya virutubisho. Mifugo ya GM pia imetengenezwa kwa majaribio; mnamo Novemba 2013 hakuna hata mmoja aliyepatikana kwenye soko, lakini mnamo 2015 FDA iliidhinisha samaki wa kwanza wa GM kwa uzalishaji wa kibiashara na matumizi.
Kuna makubaliano ya kisayansi kwamba chakula kinachopatikana kwa sasa kinachotokana na mazao ya GM hakileti hatari kubwa kwa afya ya binadamu kuliko chakula cha kawaida, lakini kwamba kila chakula cha GM kinahitaji kupimwa kwa msingi wa kesi kwa kesi kabla ya kuanzishwa. Hata hivyo, wanachama wa umma wana uwezekano mdogo kuliko wanasayansi kutambua vyakula vya GM kama salama. Hali ya kisheria na udhibiti wa vyakula vya GM inatofautiana na nchi, na baadhi ya mataifa yanapiga marufuku au kuzuia, na wengine kuwaruhusu kwa viwango tofauti vya kanuni.
Mazao ya GM pia hutoa faida kadhaa za kiikolojia, ikiwa hazitumiwi kwa ziada. Mazao yanayostahimili wadudu yamethibitisha kupunguza matumizi ya dawa za kuua wadudu, kwa hivyo kupunguza athari za mazingira ya dawa za kuua wadudu kwa ujumla. Hata hivyo, wapinzani wamepinga mazao ya GM kwa kila se kwa sababu kadhaa, ikiwa ni pamoja na wasiwasi wa mazingira, ikiwa chakula kinachozalishwa kutoka kwa mazao ya GM ni salama, ikiwa mazao ya GM yanahitajika kushughulikia mahitaji ya chakula duniani, na wasiwasi wa kiuchumi uliofufuliwa na ukweli kwamba viumbe hawa ni chini ya sheria ya mali ya akili.
Bioteknolojia ina matumizi kadhaa katika eneo la usalama wa chakula. Mazao kama mchele wa dhahabu yametengenezwa kuwa na maudhui ya juu ya lishe, na kuna uwezekano wa bidhaa za chakula na maisha marefu ya rafu. Ingawa sio aina ya bioteknolojia ya kilimo, chanjo zinaweza kusaidia kuzuia magonjwa yanayopatikana katika kilimo cha wanyama. Zaidi ya hayo, bioteknolojia ya kilimo inaweza kuharakisha michakato ya kuzaliana ili kutoa matokeo ya haraka na kutoa idadi kubwa ya chakula. Biofuti ya Transgenic katika nafaka imezingatiwa kama njia ya kuahidi kupambana na utapiamlo nchini India na nchi zingine.
Bioteknolojia ya viwanda (inayojulikana hasa katika Ulaya kama bioteknolojia nyeupe) ni matumizi ya bioteknolojia kwa madhumuni ya viwanda, ikiwa ni pamoja na viwanda vya viwanda. Inajumuisha mazoezi ya kutumia seli kama vile microorganisms, au vipengele vya seli kama enzymes, kuzalisha bidhaa muhimu za viwandani katika sekta kama vile kemikali, chakula na malisho, sabuni, karatasi na pulp, nguo na bioanuwai. Katika miongo ya sasa, maendeleo makubwa yamefanyika katika kuunda viumbe vilivyobadilishwa maumbile (GMOs) ambavyo vinaongeza utofauti wa matumizi na uwezekano wa kiuchumi wa bioteknolojia ya viwanda. Kwa kutumia malighafi mbadala kuzalisha aina mbalimbali za kemikali na mafuta, bioteknolojia ya viwanda inaendelea kikamilifu kuelekea kupunguza uzalishaji wa gesi chafu na kuhamia mbali na uchumi wa petrochemical.
Biolojia ya Synthetic inachukuliwa kuwa moja ya nguzo muhimu katika bioteknolojia ya viwanda kutokana na mchango wake wa kifedha na endelevu kwa sekta ya viwanda. Pamoja bioteknolojia na biolojia ya synthetic ina jukumu muhimu katika kuzalisha bidhaa za gharama nafuu na vipengele vya kirafiki vya asili kwa kutumia uzalishaji wa bio-msingi badala ya msingi wa mafuta. Biolojia ya Synthetic inaweza kutumika kuunda microorganisms za mfano, kama vile Escherichia coli, na zana za kuhariri genome ili kuongeza uwezo wao wa kuzalisha bidhaa za bio-msingi, kama vile uzalishaji wa dawa na biobiotiki. Kwa mfano, E. coli na Saccharomyces cerevisiae katika muungano inaweza kutumika kama microbes ya viwanda kuzalisha precursors ya wakala wa chemotherapeutic paclitaxel kwa kutumia uhandisi wa kimetaboliki katika njia ya ushirikiano wa utamaduni ili kutumia faida kutoka kwa microbes mbili. Biolojia ya Synthetic inachukuliwa kuwa moja ya nguzo muhimu katika bioteknolojia ya viwanda kutokana na ushirikiano wake wa kifedha na endelevu
Mfano mwingine wa matumizi ya biolojia ya synthetic katika bioteknolojia ya viwanda ni re-engineering ya njia za kimetaboliki za E. coli na mifumo ya CRISPR na CRISPRi kuelekea uzalishaji wa kemikali inayojulikana kama 1,4-butanediol, ambayo hutumiwa katika utengenezaji wa nyuzi. Ili kuzalisha 1,4-butanediol, waandishi hubadilisha udhibiti wa kimetaboliki wa Escherichia coli na CRISPR ili kushawishi mabadiliko ya uhakika katika jeni ya gltA, knockout ya jeni ya kusikitisha, na kubisha-katika jeni sita (cat1, sucD, 4hbd, cat2, bld, na bdh). Wakati mfumo wa CRISPRi ulitumika kubisha jeni tatu zinazoshindana (gabD, ybgC, na tesB) ambazo huathiri njia ya biosynthesis ya 1,4-butanediol. Kwa hiyo, mavuno ya 1,4-butanediol kwa kiasi kikubwa iliongezeka kutoka 0.9 hadi 1.8 g / L.
Bioteknolojia ya mazingira inajumuisha taaluma mbalimbali ambazo zina jukumu muhimu katika kupunguza taka za mazingira na kutoa michakato salama ya mazingira, kama vile biofiltration na biodegradation. Mazingira yanaweza kuathiriwa na bioteknolojia, kwa njia chanya na mbaya. Vallero na wengine wamesema kuwa tofauti kati ya bioteknolojia ya manufaa (kwa mfano, bioremediation ni kusafisha mafuta ya kumwagika au hatari ya kuvuja kwa kemikali) dhidi ya athari mbaya zinazotokana na makampuni ya biotechnological (kwa mfano, mtiririko wa nyenzo za maumbile kutoka kwa viumbe vya transgenic katika matatizo ya mwitu) inaweza kuonekana kama maombi na athari, kwa mtiririko huo. Kusafisha taka za mazingira ni mfano wa matumizi ya bioteknolojia ya mazingira; Wakati kupoteza bioanuai au kupoteza udhibiti wa microbe hatari ni mifano ya athari za mazingira ya bioteknolojia.
Udhibiti wa uhandisi wa maumbile unahusu mbinu zilizochukuliwa na serikali kutathmini na kusimamia hatari zinazohusiana na matumizi ya teknolojia ya uhandisi wa maumbile, na maendeleo na kutolewa kwa viumbe vilivyobadilishwa maumbile (GMO), ikiwa ni pamoja na mazao yaliyobadilishwa maumbile na samaki waliobadilishwa maumbile. Kuna tofauti katika udhibiti wa GMO kati ya nchi, na baadhi ya tofauti kubwa zaidi kutokea kati ya Marekani na Ulaya. Kanuni hutofautiana katika nchi fulani kulingana na matumizi yaliyokusudiwa ya bidhaa za uhandisi wa maumbile. Kwa mfano, mazao ambayo hayakusudiwa kwa matumizi ya chakula kwa ujumla hayapitiwa na mamlaka zinazohusika na usalama wa chakula. Umoja wa Ulaya unatofautisha kati ya idhini ya kilimo ndani ya nchi za Umoja wa Ulaya idhini ya kuagiza na usindikaji. Wakati GMO chache tu zimeidhinishwa kwa kilimo katika Umoja wa Ulaya idadi ya GMOs zimeidhinishwa kwa kuagiza na usindikaji. Kilimo cha GMO kimesababisha mjadala juu ya kuishi kwa pamoja kwa mazao ya GM na yasiyo ya GM. Kulingana na kanuni za kuishi pamoja, motisha za kilimo cha mazao ya GM hutofautiana.
EUginius (Mpango wa GMO wa Ulaya kwa Mfumo wa Database ya Umoja) inalenga kusaidia makampuni, watumiaji binafsi wenye nia na mamlaka ya uwezo kupata habari sahihi juu ya uwepo, kugundua na kutambua GMOs kutumika katika Umoja wa Ulaya. Taarifa hii inapatikana kwa Kiingereza.
Mnamo mwaka 1988, baada ya msukumo kutoka kwa Bunge la Marekani, Taasisi ya Kitaifa ya Sayansi ya Jumla ya Matibabu (National Institutes of Health) (NIGMS) ilianzisha mpango wa ufadhili kwa ajili ya mafunzo ya bioteknolojia. Vyuo vikuu kote nchini Marekani hushindana kwa ajili ya kupata ufadhili huu ili kuanzisha Programu za Mafunzo ya Bioteknolojia (BTPs). Kila ombi linalofanikiwa hufadhiliwa kwa kipindi cha miaka mitano na kisha lazima liombwe tena kwa ushindani ili kupitishwa. Wanafunzi wa uzamili hushindana kuingia katika BTP; endapo watakubaliwa, basi watapata posho, ada ya masomo, na bima ya afya kwa miaka miwili au mitatu wakati wa kazi yao ya utafiti wa PhD. Taasisi kumi na tisa zinatoa BTPs zinazofadhiliwa na NIGMS. Mafunzo ya bioteknolojia pia hutolewa katika ngazi ya shahada ya kwanza na katika vyuo vya jamii.