Biotehnoloogia

Biotehnoloogia on rakendusliku bioloogia valdkond, mis kasutab elusorganisme ja nende saadusi inimese tervise ja elukeskkonna parandamisel. Biotehnoloogia on tänapäevane viis lahendada keerukaid probleeme odavalt ja keskkonda säästvalt.

Biotehnoloogias on ühendatud geneetika, rakubioloogia, embrüoloogia ja mikrobioloogia teadmised. Seejuures põhinevad biotehnoloogia teadmised geenide, valkude, rakkude ja isegi tervete elusorganismidega manipuleerimisel. Biotehnoloogia abil otsitakse lahendusi probleemidele agrikultuuris, bioenergeetikas, materjaliteaduses, nanotehnoloogias, meditsiinis ja regeneratiivses meditsiinis. Biomeditsiin kasutab biotehnoloogilisi teadmisi muteerunud geenide, denatureerunud ja funktsiooni kaotanud valkude ja patoloogiliste kudede eristamisel. Biotehnoloogilised saavutused võimaldavad seejuures kiiremat diagnoosi, paremat ravi ja haigusi ennetavat praktikat.

Biotehnoloogia alustala on DNA ja valdav osa manipulatsioone viiakse läbi nukleiinhapete tasandil. DNA olulisus põhineb molekuli universaalsusel. Kõik elusorganismid ükskõik kui varieeruvad kodeerivad eluks vajalikku teavet DNA molekuli kujul. Seetõttu on võimalik manipuleerida näiteks pärmirakku tootma inimese insuliini molekule. Biotehnoloogia hõlmab lisaks palju varieeruvaid tehnikaid ja manipulatsioone. Esmased võtted biotehnoloogia valdkonnas ilmnesid loomade kodustamisel ja algse põlluharimise käigus. Võtted nagu selektiivne paljundamine ja kunstlik valik. Maailma suurenenud nõudlus energia järgi on põhjustanud bioenergeetika valdkonna laienemist, sealjuures eriti biokütuste kasutamise vallas. Biokütuste tootmine toimub üha enam GMO-taimede baasil. USA valitsus on seadnud eesmärgiks suurendada aastaks 2017 bioetanooli tootmist 35 miljardi gallonini aastas. USA naftapõhine energiasektor kasutab bioetanooli mootorikütuse lisandina, seejuures väheneb sõltuvus välismaisest naftast.

Biotehnoloogia kasutusalad

Biotehnoloogia on leidnud kasutust igas suuremas tööstusvaldkonnas. Valdkonnad hõlmavad meditsiini, biomaterjalide ja -kütuste tootmist, keskkonnatehnoloogiat, agrikultuuri ning merendust. Laialivalgunud kasutusalade klassifitseerimisel kasutatakse värvkoodi.

• Punane biotehnoloogia on seotud meditsiiniga. Selle hulka kuuluvad vaktsiinide, antikehade ja ravimiarendus; molekulaarne diagnostika, regeneratiivne meditsiin ja geeniteraapia.

• Valge biotehnoloogia ehk industriaalne biotehnoloogia hõlmab tööstusega seotut. Võrreldes traditsioonilise tööstusega püüdleb valge biotehnoloogia vähem energiat ja ressursse nõudvate tehnoloogiate poole. Esmajoones on välja kujunenud loodussäästlikumate materjalide kasutamine ja keemiliste meetodite asendamine ensümaatilistega. Rõhku pannakse taaskasutatavatele energiaallikatele, näiteks biokütuste kasutamisele fossiilsete asemel.

• Hall biotehnoloogia on seotud keskkonnaga. Vastavalt on välja kujunenud kaks haru: elurikkuse (loodusliku mitmekesisuse) säilitamine ja saastunud keskkonna taastamine. Elurikkuse säilitamisel kasutatakse näiteks elujõuliste populatsioonide modelleerimist elujõuetute vastu. Seejuures suurendatakse ohustatud liikide elumust ja säilitatakse neid biopankades. Saastuse eemaldamiseks kasutatakse biotervendust – enamasti taimede või bakterite võimet siduda keskkonnast või kahjutustada saasteaineid. Keskkonnast on võimalik sellise akumulatsiooni korral eemaldada raskmetalle, süsivesinikke ja muid keemilisi ühendeid.

• Roheline biotehnoloogia on keskendunud agrikultuurile. Seotud taimede aretamise, bioväetiste ja biopestitsiidide kasutamise ning taimede kloonimisega. Selle hulka kuulub ka GMO taimede insenergeneetika, mis on ühiskonnas enim vastukaja leidnud valdkond. Valdkonna eesmärk on välja töötada paremaid haiguskindlamaid kultuure suurenenud toiteväärtusega. Transgeensed taimed leiavad praegu kasutust biokütuste ja -materjalide tootmisel.

• Sinine biotehnoloogia on seotud veekogude ja nendes peituvate ressursside kasutamisega. Veekogudes peitub määramatu liigirikkus, mis on sinise biotehnoloogia võimaluste alus. Teadus ja meditsiin kasutavad juba praegu makromolekule ja ensüüme, mis pärinevad veeorganismidelt. Samas on sinine biotehnoloogia varajases arengujärgus ja enamik teaduslikke avastusi veel tegemata.

Biotehnoloogia ajalugu

Vaata ka: Biotehnoloogia ajalugu

Varajane biotehnoloogia oli oluline õlle villimisel

Biotehnoloogia praktiseerimine sai alguse antiikajal enne kui inimene oli avastanud mikroorganismid. Alguses kasutati mikroorganisme toidu käitlemisel. Alkoholi kääritamine suhkrust oli üks esimesi meetodeid ja kasutuses juba 6000 aastat tagasi nii Sumeris kui ka Babüloonias. Suhkru kääritamine võimaldas õlu villimist. Egiptuses võeti samal ajal kasutusele leiva kääritamine pagaripärmi abil. Seejuures põhjustab pagaripärmi elutegevus CO₂ teket, mis ongi leivataina kerkimise põhjus. Umbes 5500 aastat tagasi valmistasid assüürlased veini ja Aasias säilitati piima Kluyveromycesi perekonna bakteritega hapendades. Piima hapendamisel saadi jogurtit, keefiri ja kumõssi. Piimast tehti bakterite ja hallituse abil ka juustu. Babüloonias õpiti datlipalme selektiivselt paljundama. Kui algselt kasutati biotehnoloogias kääritamisprotsesse alkohoolsete jookide valmistamisel, siis hiljem levisid erinevad toidu säilitamise viisid fermentatsiooniga.

2500 aastat tagasi kasutati Hiinas esimest antibiootikumi, kusjuures tegemist oli hallitanud sojaubadega, millega raviti koeranaela. Koeranaela ehk furunkuli näol on tegemist mädase karvanääpsupõletikuga, mida põhjustab rasunäärmest sisenenud stafülokokk. Hiinas pärineb ka teadolevalt esimene insektitsiid, mis koosnes jahvatatud krüsanteemist.

Inimesed on tuhandeid aastaid kasutanud selektiivset ristamist nii taimede tolmeldamisel kui ka loomade viljastamisel. 1322. aastal kasutas araabia sõjapealik kunstlikku seemendamist superioorse hobusetõu aretamisel.

Tuhandeid aastaid kasutasid inimesed rahvameditsiinis hallitanud juustu, leiba ja liha. Kuid alles 1870. aastatel avastasid Tyndell, Pasteur ja William Roberts ühe mikroorganismi antagonistliku mõju teisele. Pasteur oli piisavalt ettenägelik, et loota sellelt terapeutilist kasu. Kuid läbimurre ei tulnud enne, kui Alexander Fleming avastas penitsilliini. Penitsilliini tööstusliku tootmiseni kulus ka siiski veel aastakümneid, kuni 1941–1943 Moyer, Coghill ja Raper isoleerisid kõrge penitsilliinitootlusega tüved. Edasi täiendasid nad tööstuslikke tootmismehhanisme niivõrd, et tööstuslik penitsilliini tootmine sai reaalsuseks.

Biotehnoloogia arengule aitas märkimisväärselt kaasa 1944. aastal bakterioloog Oswald Avry ja tema kolleegide avastus. Nimelt avastasid nad, et DNA kannab edasi pärilikku infot. 1953 avaldasid James Watson ja Francis Crick manuskripti DNA bihelikaalsest struktuurist. Edasised avastused üha kiirendasid biotehnoloogia arengut ja 1960. aastatel avastati RNA ja seletati lahti koodonikasutus. 1970. aastal avastati restriktsioonilised nukleaasid, mis teevad võimalikuks nukleiinhapete rekombinantse manipulatsiooni.

Tõeline võidujooks biotehnoloogias sai alguse 1980 Ameerika Ühendriikide Ülemkohtu otsusega lubada patenteerida elusorganisme. Selle tulemusena patenteeris Exxon Mobil naftat lagundava mikroorganismi. Patenteerimine elavdas biotehnoloogiat ja sellesse valdkonda hakkas voolama rohkesti riskikapitali. 2003. aastal lõppes 13 aastat väldanud inimgenoomiprojekt (Human Genome Project), mis tuvastas inimesel 20 000 – 25 000 geeni. Esialgne mustand inimese genoomist sai valmis juba 26. juunil 2000.

Hiljutine areng biotehnoloogias võimaldavad tuhandete geenide samaaegset uurimist, nende transkriptide tuvastamist, üksikindiviidi genoomi sekveneerimist, kus seejuures seostatakse haigusele omaseid geene ja üksiku nukleotiidi polümorfisme inimese haiguste ja käitumuslike eripäradega.

Vaata ka

• Biotehnika