Biotechnologie
Hoofdstuk 1: Inhoud
1.1 Wat is biotechnologie?
Voorbeelden van biotechnologie kunnen gevonden worden in oude voorbeelden zoals gisten van
brood, kaas, …
Ruime definitie van biotechnologie:
Gebruik van levende organismen, of producten van levende organismen, voor het profijt en welzijn
van mensen (of hun omgeving) door aanmaak van producten of om een bestaand probleem op te
lossen (of te verhelpen). Dit is verschillend dan die van de farmaceutische bedrijven: chemicaliën
(dood materiaal), terwijl in biotechnologie levend materiaal wordt gebruikt.
Voorspellen van de toekomst:
2020: Biotechnologische bedrijven genereren inkomsten van $163 miljard dit is 20% van de
inkomsten gegenereerd door de farmaceutische sector. Huidige jaarlijks groei van de
biotechnologische bedrijven is > 8% (conventionele farmaceutische bedrijven rond 4%).
Historische voorbeelden:
• Fermentatie: micro-organismen gaan glucose omvormen met vorming van ATP. Bijvoorbeeld
brood en gist, zorgen voor het rijzen van het brood. Koolstofdioxide komt vrij, ook alcohol
wordt geproduceerd, maar wordt verdampt door het bakken. Er is ook natuurlijke
fermentatie bijvoorbeeld in fruit, waarbij er ook alcohol wordt geproduceerd.
• Selectieve kruising: organismen kruisen om betere eigenschappen te
verkrijgen. Het is een oud voorbeeld van de biotechnologie dat vandaag nog
gebruikt wordt. Bijvoorbeeld telkens grotere maïs met elkaar laten kruisen.
Zebravissen hebben soms mutaties, door een bepaald pigment dat ontbreekt.
Deze laten kruizen om een doorzichtige vis te verkrijgen. Dit kan toegepast
worden in kankeronderzoek.
• Gebruikt van antibiotica (door micro-organismen, zoals schimmels,
aangemaakt):
- Batch (op grote schaal) processen.
- Genclonering, gen in DNA identificeren en kloneren (reproduceren).
- Genetische manipulatie, DNA manipuleren: genen uitknippen, toevoegen of kopiëren en
toevoegen.
- Recombinante DNA technologie: DNA van verschillende organismen combineren.
Voorbeeld van “moderne” biotechnologie: recombinante DNA technologie startte moderne biotech
als een industrie. Voorbeelden van toepassingen:
- Ontwikkeling van ziekte-resistente planten.
- Gewassen die een hogere opbrengst produceren.
- “Gouden rijst” gemanipuleerd om meer nutriënten te bevatten.
- Genetisch gemanipuleerde bacteriën dat milieuvervuilende elementen kunnen degraderen.
- Gebruikt van genetisch gemodificeerde gecultiveerde cellen om de gewenste proteïnen aan
te maken. (Kan een examenvraag zijn). Bijvoorbeeld insuline wordt aangemaakt in de β-cellen
, in de pancreas. Wanneer er geen insuline is, wordt de patiënt met diabetes vastgesteld.
Waardoor de suikerspiegels in het bloed variëren. Dit kan op volgende manier verholpen
worden:
Gene van interesse is in dit geval insuline. Dit wordt
geïntroduceerd in bacteriën en gegroeid op cultuurplaten. Deze
worden overgezet in een fermentatietank waar de cellen de
eiwitten kunnen produceren. De recombinante eiwitten met
insuline kunnen worden geïsoleerd door gebruikt van
biochemische technieken. De meeste medicijnen zijn
ontwikkeld om ziektes bij de mens te bestrijden. (Kanker en
infectieuze ziektes).
- ‘Human Genome Project’, DNA van de mens sequeneren, dit laat toe om genomen
synthetisch te fabriceren. Ziekten verbonden aan deze chromosomen kunnen bestudeerd
worden.
- Gen therapie benadering: pogingen tot het behandelen en genezen van menselijke
ziektes/aandoeningen. Groei organen voor transplantatie. Nieuw biotech producten van
maritieme organismen worden gebruikt om kankers, beroertes en artritis te behandelen.
Genen die fout zijn genezen door ze te blokkeren, is dit ethisch in orde? Biotechnologie is
een controversiële wetenschap met veel ethische dilemma’s.
Biotechnologie is gebaseerd op een wetenschap van vele disciplines.
1.2 Soorten biotechnologie
Microbiële biotechnologie – manipulatie van micro-organismen zoals gisten en bacteriën. (Gebruik
van micro-organismen zoals virussen, schimmels en bacteriën).
• Fermentatie
• Aanmaak van betere enzymen, kan eiwitten breken, wordt in waspoeder, detergent gebruikt.
• Meer efficiënte decontaminatie processen door behandeling van industriële afvalproducten,
bijvoorbeeld het zuiveren van water.
• Voor klonering en productie van grote hoeveelheden aan proteïnen gebruikt in de
geneeskunde
• Het creëren van synthetische genomen: door de mens gemaakte DNA sequenties gebruikt
om micro-organismen te modificeren met gewenste karakteristieken
Agro-biotechnologie – gebruikt van planten: het bevolkingsaantal stijgt, er is niet genoeg eten.
Basisvoeding zijn de planten.
Voedsel en landbouworganisaties van de Verenigde Naties voorspelt dat tegen 2050 we een
wereldbevolking van 9,1 miljard zullen moeten voeden! Dit vereist een toename in voedselproductie
van ongeveer 70%! Oplossingen om de wereld tegen 2050 beter te voeden?
- Droogtebestendig gewassen? Groenten die beter bewaren? Gewassen die slecht smaken
voor insecten? Gewassen die kunnen groeien in extreme omstandigheden? Groenten met
meer eiwitten om vleesvrij(er) te leven?
Gen-bewerkte gewassen (eerder dan genetisch gemodificeerd): CRISPR-CAS bewerkingstools. Dit laat
toe op specifiek te bewerken. De Gewone Witte Knoop Paddenstoel is het eerste gen-bewerking
gewas gecreëerd met CRISPR aanvaard voor menselijke consumptie. Deze paddenstoelen worden
heel snel bruin in de winkel. Oplossing: gen voor bruinen eruit gehaald en blijft dus veel langer mee.
,Planten zijn milieuvriendelijker en leveren meer op per hectare (genetisch gemodificeerd).
Resistentie tegen ziekten en insecten. Voedsel met een hoger gehalte aan eiwitten of vitaminen.
Medicijnen ontwikkeling en “gegroeid” als plant producten. Uiteindelijk reduceren deze betere
planten de productiekosten om te helpen in het voeden van een groeiende wereldbevolking.
Dierlijke biotechnologie – dieren als bron van medische belangrijke proteïnen zoals antistoffen (=
antilichamen) en transgene dieren.
Dieren als belangrijk model in basis onderzoek. Gen “knock-out” experimenten. Ontwikkeling en
testen van medicijnen en genetische therapieën. Dierlijke klonering, bron voor transplantatie
organen.
Gen-bewerkte dieren: Vee zonder hoorn zonder pijn. Koeien met hoorns kunnen elkaar pijn doen.
Oplossing: in DNA het gen vinden die verantwoordelijk is voor het ontwikkelen van een hoorn. En
deze gen verwijderen. Deze gen bewerkte koe wordt niet in het wild geplaatst.
Gecultiveerde cellen produceren burgers in een schaal. Er is veel water nodig voor het maken van
vlees. Oplossing: vlees maken in het labo, spiercellen van rund laten vermenigvuldigen in het labo.
Momenteel is dit extreem duur.
Transgeen dier: manier om grootschalige productie te bereiken van therapeutische proteïnen van
dieren om te gebruiken bij mensen. Vrouwelijk transgene dieren produceren therapeutische
proteïnen in meld (bevat genen van andere bron). Bijvoorbeeld: bloedstolling gen in geit zetten en
melk verzamelen om eiwit dan te zuiveren. Menselijke genen die coderen voor proteïnen die het
stollen van het bloed promoten, kunnen geïntroduceerd worden in vrouwelijke geiten voor de
productie van deze proteïnen in hun melk.
Ander voorbeeld: Spinragmelk (Silk milk): deze stof is heel stevig en licht (bijvoorbeeld in kogelvrije
vesten). Dit gen wordt geïntroduceerd bij geiten of schapen en in melk wordt deze eiwitten gezuiverd.
FriendlyTMAedes: muggen zijn belangrijk voor het doorgeven van ziekten. Mannelijke muggen toxisch
maken en zo werden de nakomelingen gedood.
Gen knock-out (uitschakeling): Verstoor een gen in het dier en bestudeer welke functies zijn
beïnvloed in het dier als gevolg van het verliezen van dit gen. Dit laat de onderzoekers toe om de rol
en functie van een gen te bepalen. Sinds mensen gelijkenissen vertonen met ratten en muizen,
kunnen gen knock-out studies in ratten en muizen leiden naar het beter begrijpen van de functie van
bepaalde genen in mensen. Bijvoorbeeld zonder een bepaald gen zien of er meer of minder kanker is
gegroeid.
Forensisch biotechnologie:
DNA fingerprinting: Uitsluitsel of aanduiding van verdachte, door DNA vingerafdrukken voor een
moordzaak. Vaderschapsaanduiding. Identificatie van menselijke resten. Bedreigde diersoort.
Opsporen en bevestiging van ziekteverspreiding. Vloeibare biopsies voor kankerdetectie en
monitoring.
Bioremediatie:
Gebruikt van biotechnologie om natuurlijke en door de mens gemaakte substanties aan te maken of
af te breken. Voornamelijk substanties die bijdragen tot verontreiniging. Bijvoorbeeld olie in de
kusten dat door bepaalde micro-organismen afgebroken worden.
, Aquatische biotechnologie: Aquacultuur, kweek (oogst) van vis en schaaldieren in gecontroleerde
condities als voedselbron: 50% van alle verbruikte vis wereldwijd (menselijke consumptie).
Genetisch manipulatie: Ziekteresistente soorten oesters. Vaccin tegen virussen die zalm en andere
vinvissen infectere. Transgene zalm die groeihormoon overproduceert. Deze transgene zalm mag
niet in het wild worden geplaats en groeit groter met dezelfde hoeveelheid eten.
Bioprospectie: zee als waardevolle bron van nieuwe genen, eiwitten en metabolische processen met
belangrijke toepassingen voor de mens: mariene plankton en slakken zijn rijke bron van anti-kanker
moleculen. Genen vinden die bijvoorbeeld kunnen zorgen om in extreme omstandigheden te laten
groeien.
Medische biotechnologie (grootste toepassing):
Betrokken bij het ganse spectrum van de geneeskunde=
• Preventie geneeskunde, bijvoorbeeld vaccins die zorgen dat we niet ziek worden.
• Diagnose van gezondheid en ziekte, het opsporen van ziekten.
• Behandeling en opvolging van ziekte.
Nieuwe informatie vanuit het Human Genome Project. Gentherapie: CRISPR-CAS techniek voor
genoom bewerking dat moleculaire ‘scharen’ voorziet om een specifieke sequentie DNA te knippen
en te vervangen, heeft potentieel om ziektes te behandelen.
Hoe zal de medische biotechnologie ons leven beïnvloeden in de komende jaren?
➔ Human Genome Project: onderzoek naar functie van menselijke genen en de controlerende
factoren die deze genen reguleren.
➔ Menselijk Proteoom: proteoom = alle eiwitten die kunnen worden aangemaakt door
mensen. Dit is belangrijk voor de functie van de cellen. Verzameling aan proteïnen
verantwoordelijk voor de activiteit in een menselijke cel.
➔ Persoonlijke genomics: Precisie geneeskunde, farmageonomics. Iedereen reageert anders op
medicijnen. Medicijnen meer persoonlijk maken.
➔ Single Nucleotide Polymorfismes (SNPs): SNPs: zorgen voor de
mutaties kan oorzaak zijn voor ziektes. Nucleotide veranderingen
(mutaties) in DNA sequenties die van individu tot individu variëren.
Deze variaties zijn de oorzaak van enkele genetische ziektes (sikkelcel
anemie). SNPs zullen helpen bij het identificeren van genen betrokken
in medische condities zoals artritis , beroerte, kanker, hartziekten,
diabetes en gedrag- en emotionele ziektes.
Voorbeeld van SNPs is borstkanker. Identificatie van SNPs in BRCA1 en BRCA2
genen betrokken in de promotie van borstkanker leidde tot de ontwikkeling van beter gerichte
behandelingen voor mensen dat deze specifieke gen mutatie hebben. BRCA1 gen: tumor suppressor
gen, betrokken bij het herstellen van DNA schade. Als daarop een mutatie plaatsvindt, is er geen
herstelmechanisme en verhoogt dus de kans op borstkanker.
➔ Pharmacogenomics is geneeskunde op maat. Op maat gemaakt medicijn therapie en
behandeling strategieën gebaseerd op het genetisch profiel van de patiënt.
➔ Metabolomics: Een verzameling van metabolieten, hoe gaat iemand reageren op ziekten.
Een momentopname van de kleine molecule geproduceerd tijdens cellulair metabolisme:
