Biologiaa sovelletaan alkutuotannossa ja teollisuudessa
Biologista tietämystä tarvitaan monella alalla jokapäiväisessä työssä. Alkutuotannossa, esimerkiksi maa- ja metsätaloudessa, biologisella tiedolla on keskeinen rooli. Esimerkiksi maataloudessa tarvitaan tietoa niin kasvien, eläinten ja erilaisten mikrobien toiminnasta. Maanviljelijän tulee tietää, miten kasvit saa kasvamaan mahdollisimman nopeasti ja tehokkaasti, kuinka paljon lannoitteita kannattaa käyttää ja miten kasveja vahingoittavia tuholaisia ja sairauksia voidaan torjua. Näissä asioissa alkutuottajan apuna ovat monen alan ammattilaiset.
- Arkeoni
- Ameba
- Kärpässieni
- Bakteeri
- Hiivasieni
- Koivu
- Rakkohauru
- Tohvelieläin
Metsäteollisuudessa metsien biologian ja kasvien toiminnan tunteminen on tärkeää, jotta toiminta olisi tehokasta ja vahingoittaisi mahdollisimman vähän luontoa.
Metsätuotannossa biologista tietoa tarvitaan esimerkiksi harvennusten ja hakkuiden oikea-aikaiseen ajoittamisessa, metsänistutuksissa ja lannoituksissa sekä tuholaisten torjunnassa. Toisaalta myös paperiteollisuudessa tarvitaan biologista ja kemiallista tietoa tuotantoprosesseja optimoitaessa.
Biologialla on monia sovelluskohteita lääketieteessä
Biologisella tiedolla on runsaasti sovelluskohteita myös lääketieteessä. Lääkärit hyödyntävät päivittäin työssään tietoa ihmisen anatomiasta ja fysiologiasta. Geneettisellä tiedolla on yhä merkittävämpi rooli, sillä tietoa sairauksista ja niiden periytymisestä hyödynnetään yhä enemmän esimerkiksi hoidosta päätettäessä.
Myös lääketeollisuudessa hyödynnetään biologiaa. Monet lääkeaineet eristetään alun perin elävistä eliöistä, kuten kasveista. Lääkkeitä voidaan myös tuottaa elävissä eliöissä, kuten bakteereissa.
Lääkekehityksessä on tärkeää varmistaa uusien lääkevalmisteiden turvallisuus, minkä vuoksi uusia lääkkeitä testataan ensin esimerkiksi soluviljelmissä ja koe-eläimillä ennen kuin niitä kokeillaan ihmisillä. Myös näissä prosesseissa tarvitaan biologista tietoa.
Bioteknologiassa hyödynnetään eliöitä ja niiden osia
Bioteknologia on tieteenala, joka tutkii eliöitä ja niiden hyödyntämistä tuotteissa, tuotantoprosesseissa ja palveluissa. Tieteenä bioteknologia hyödyntää monia muita tieteenaloja, kuten biologiaa, kemiaa, fysiikkaa, matematiikkaa, tietotekniikkaa, insinööritieteitä ja lääketiedettä.
Tutkimuksen avulla pyritään kehittämään esimerkiksi uusia lääkeaineita, hoitomuotoja, viljelykasveja, energiaratkaisuja sekä kehittämään eliöiden jalostusta esimerkiksi teollisuuden sovelluksia varten.
Bioteknologisen tutkimustyön saavutuksia ovat esimerkiksi ihmisen insuliinia tuottavat bakteerit, rokotteet, terveysvaikutteiset maitohappobakteerit sekä aineenvaihdunnassaan raakaöljyä hyödyntävät “puhdistajabakteerit”.
Bioteknologisen tutkimuksen merkitys kasvaa vielä tulevaisuudessa, sillä sen avulla pyritään toteuttamaan kestävän kehityksen periaatteita ja edistämään ympäristön, ihmisen ja yhteiskunnan hyvinvointia.
Modernissa bioteknologiassa hyödynnetään myös geenitekniikkaa eli eliöiden perimän muokkaamista. Geenitekniikka mahdollistaa eliöiden genomin nopean ja tehokkaan muokkaamisen ja sillä on runsaasti sovelluksia mm. ruoantuotannossa, teollisuudessa, lääketieteessä ja tutkimuksessa.
Geenitekniikkaan liittyy kuitenkin monia eettisiä kysymyksiä, sillä eliöiden geenien muuttaminen voi tuntua eettisesti väärältä. Koska eläimiä käytetään geenitekniikassa paljon esimerkiksi tautimalleina, ovat eläinten oikeudet tärkeä eettinen kysymys.
Geeniteknisesti muunneltujen eliöiden leviäminen luontoon saattaa huolestuttaa, minkä vuoksi niiden vaikutusta tutkitaan paljon ennen niiden päästämistä markkinoille. Geeniteknisesti muunneltujen ruoka-aineiden pääsyä kuluttajille säädellään tarkoin, sillä niiden käyttö omassa ruokavaliossa epäilyttää monia kuluttajia.
Geenitekniikka on mahdollistanut myös bioaseiden halvan ja helpon kehittämisen. Vaikka bioasekonventio vuodelta 1972 kieltää bioaseiden kehittämisen, sallitaan niiden käyttö edelleen puolustustarkoituksessa.
Suomessa geenitekniikkalaki tuli voimaan vuonna 1995, minkä lisäksi Euroopan unioni on antanut säädöksiä geeniteknisesti muunneltujen eliöiden tuottamisesta. Lait ja säädökset koskevat laboratorio-olosuhteissa toteutettua geenitekniikkaa, mutta eivät esimerkiksi ihmiseen kohdistuvaa geeniterapiaa.
Geenitekniikkalaki säätelee monella tavoin geenitekniikan hyödyntämistä tutkimuksessa ja teollisuudessa. Oheisessa taulukossa on kuvattu keskeisimmät geenitekniikan toiminnanharjoittajan velvollisuudet.
Geenitekniikkalain mukaiset toiminnanharjoittajan velvollisuudet
Velvollisuus | Mitä velvollisuus tarkoittaa? |
Ilmoitus | Muuntogeenisten eliöiden käytöstä on tehtävä ilmoitus viranomaisille |
Riskinarviointi | Muuntogeenisten eliöiden mahdollisista riskeistä ympäristölle tai ihmisen terveydelle on tehtävä arviointi |
Huolellisuus | Työssä on noudatettava huolellisuutta ja varovaisuutta |
Selvilläolo | On hankittava tiedot eliöiden ominaisuuksista |
Asiakirjojen päivittäminen | Asiakirjat on päivitettävä. Myös käytön päättymisestä on ilmoitettava. |
Kirjaaminen | On pidettävä kirjaa muuntogeenisten eliöiden riskinarvioinnista ja käytöstä. |
Bioteknologialla on monia sovelluskohteita
Bioteknologiaa sovelletaan laajasti esimerkiksi teollisuudessa, lääketieteessä ja maataloudessa. Tässä opintojaksossa tutustutaan keskeisimpiin biologian ja bioteknologian sovelluskohtiin. Alla on lueteltu eräiden alkutuotannon ja teollisuuden alojen bioteknologisia sovelluksia.
Bioteknologian sovelluskohteita
- Metsäteollisuus: tavoitteena laadukkaammat paperituotteet, sellun valkaisu (eli ligniinin poistaminen) ilman klooria, bioteknologian menetelminä mm. geenimuunnellut puulajit ja puuaineksen entsymaattinen hajoitus.
- Energiantuotanto: bioreaktoreissa selluloosamassan tai biojätteiden hyödyntäminen, tuotetaan erilaisia öljyjä ja biokaasuja.
- Kemianteollisuus: mm. bioreaktoreissa polymeerien, proteiinien ja entsyymien valmistus, tuotteina mm. aktiiviset aineet pesuaineissa lian poistamiseksi (lipaasit, proteaasit, amylaasit), väriaineet, tekstiilit ja erilaiset biomateriaalit.
- Kaivosteollisuus: rikastettu malmi bakteerien hapetustoiminnan avulla.
- Maatalous: kasvi- ja eläinjalostus, geenimuunnellut tuotantoeläimet ja -kasvit → sadon parantaminen ja tuotannon tehostaminen, tuotantokasvien kasvinsuojeluaineiden sietokyky.
- Elintarviketeollisuus: mm. hiivan alkoholikäyminen (leivän ja viinin valmistus), bakteerien maitohappokäyminen (ruuan säilöntä), entsyymit (elintarvikkeiden tuotanto), hyödylliset mikrobit (funktionaaliset elintarvikkeet → terveysvaikutukset). Ks. luvun tehtävät hapankaalin ja jogurtin valmistamisesta!
- Lääketiede: vasta-aineiden ja biomarkkereiden tunnistaminen ja perimän tutkiminen (diagnostiikka), geeniterapia (perinnöllisten tautien hoito), perimän tutkiminen, biomateriaalien tuotanto (korvaavat kudokset).
- Ympäristönsuojelu: tavoitteena vesien ja maaperän suojelu bioremediaation ja jätevesien biologisen puhdistuksen avulla.
- Tekstiiliteollisuus: entsyymien käyttö vanumattoman villan valmistuksessa ja farkkukankaan pehmentämisessä.
Bioteknologiassa hyödynnetään monia menetelmiä
Biotekniikassa muokataan ja tutkitaan eri eliöiden DNA:ta. Tässä kirjassa käsitellään biotekniikan menetelmiä eri lukujen yhteydessä. Alla on kuvattu tässä opintojaksossa käsiteltäviä biotekniikan menetelmiä.
Biotekniikan menetelmiä
- DNA:n tai RNA:n eristäminen: tavoitteena tutkia perimää, työvaiheina solurakenteiden rikkominen (mm. entsyymeillä), rasvoista ja proteiineista puhdistaminen (alkoholin avulla) ja nukleiinihappojen saostaminen (liuottamalla DNA etanoliin ja haihduttamalla etanoli).
- Halutun DNA-alueen monistaminen ja puhdistaminen PCR-menetelmällä ja elektroforeesilla mm. geenin tutkimista varten.
- Sekvensointi eli eristetyn DNA-jakson emäsjärjestyksen selvittäminen.
- Bioinformatiikka: työvaiheina mm. sekvensointilaitteen antaman datan puhdistaminen ja laatutarkkailu, emäsjärjestyksen vertailu tunnettuihin sekvensseihin, fylogeneettiset vertailut, kokonaisten perimän kokoaminen.
- Geenien siirto: työvaiheina mm. halutun geenin leikkaaminen ja yhdistäminen plasmidiin, siirto haluttuun organismiin halutulla vektorilla (kuljetin), onnistuneiden siirtogeenisten eliöiden valinta. Tavoitteena esim. muuntogeenisten eliöiden kehittäminen teollisuutta varten ja jalostus.
- Geenien arkistointi: työvaiheina mm. vektorien siirtäminen isäntäeliöihin ja DNA-jaksojen säilöminen geenikirjastoihin.
- DNA-jakson tunnistaminen: mikrosirujen ja koettimien avulla tutkitaan sairauksia, kerätään genomitietoa ja etsitään geenivirheitä.
- Geenien muokkaaminen: muuntogeenisten eliöiden avulla selvitetään miten geeni toimii, muokataan geenien säätelyä tai geenin tuottamaa tuotetta ja toteutetaan geenihoitoa.
Synteettisessä biologiassa hyödynnetään soluja kokonaisvaltaisesti
Synteettisellä biologialla tarkoitetaan ihmisen suunnittelemia ja rakentamia biologisia systeemejä, kuten soluja tai solun osia, joita ei löydy luonnosta.
Synteettinen biologia pyrkii solujen rakenteen ja perimän emäsjärjestyksen tarkkaan muokkaamiseen. Sen soveltaminen on vielä rajoittunutta: keinotekoista solua ei osata vielä rakentaa ja perimän muokkaaminen on melko hidasta.
Nykyaikainen tietokonemallinnus kuitenkin helpottaa synteettisten eliöiden tai niiden osien suunnittelua.
Perusta solutehtaille on kuitenkin jo luotu: vuonna 2016 tutkijaryhmä poisti bakteerisolusta kaiken sen DNA:n ja siirsi soluun synteettisesti valmistetun perimän, joka sisälsi vain solun ylläpitoon ja lisääntymiseen välttämättömän DNA:n.
- Suomessa laki sallii alkioiden geenihoidon.
- Suomessa kasvatetaan melko paljon GM-perunoita.
- Geenilainsäädännössä muuntogeenisellä organismilla tarkoitetaan organismia, jonka perintöainesta on muunnettu tavalla, joka ei toteudu luonnossa pariutumisen tuloksena tai luonnollisena yhdistelmänä.
- Muuntogeeninen tarkoittaa eliötä, esimerkiksi kasvia, jonka perimää ja ominaisuuksia on muunnettu geenitekniikan menetelmin.
- Muuntogeenisiä elintarvikkeita ja rehuja ei saa myydä tai markkinoida Suomessa, ellei niille ole myönnetty lupaa EU:ssa.
Tiivistelmä
- Biologialla on monia sovelluskohteita.
- Alkutuotannossa, kuten maa- ja metsätaloudessa, sovelletaan biologiaa.
- Lääketieteessä ja lääketeollisuudessa sovelletaan biologiaa esimerkiksi tutkimuksessa ja tuotekehityksessä.
- Bioteknologia on tieteenala, jossa hyödynnetään eliöitä ja niiden osia tuotteissa, tuotantoprosesseissa ja palveluissa.
- Bioteknologia perustuu usein geenitekniikkaan eli eliöiden geenien muokkaamiseen.
- Geenitekniikkaa säädellään tarkasti monilla eri laeilla ja asetuksilla.
- Synteettinen biologia on tieteenala, jossa tuotetaan keinotekoisesti biologisia systeemejä, joita ei löydy luonnosta.
- Palvelun tarjoaa e-Oppi Oy ja Star Cloud OÜ