Βιοτεχνολογία

Ορισμός Βιοτεχνολογίας Η Βιοτεχνολογία αποτελείται από ένα ευρύ σύνολο τεχνολογιών και ο ορισμός του ΟΟΣΑ, αποτελείται από δύο μέρη. Εναν εννιαίο ορισμό που αφορά μια γενική περιγραφή της βιοτεχνολογίας: "Η ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΣΕ ΖΩΝΤΕΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥΣ, ΚΑΘΩΣ ΚΑΙ ΤΜΗΜΑΤΩΝ, ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΚΑΙ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΑΥΤΩΝ, ΠΡΟΚΕΙΜΕΝΟΥ ΝΑ ΑΛΛΑΞΟΥΝ ΖΩΝΤΑΝΑ ΚΑΙ ΜΗ ΥΛΙΚΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΓΝΩΣΗΣ, ΑΓΑΘΩΝ ΚΑΙ ΥΠΗΡΕΣΙΩΝ.» Εναν ενδεικτικός και όχι εξαντλητικός κατάλογος βιοτεχνολογιών: DNA / RNA: Γενομική, φαρμακογονιδιωματικής, γονιδιακοί ανιχνευτές, η γενετική μηχανική, DNA / RNA αλληλουχιση / σύνθεση / ενίσχυση, έλεγχος γονιδιακής έκφρασης, καθώς και χρήση antisense τεχνολογίας • Πρωτεΐνες και άλλα μόρια: Αλληλούχιση / σύνθεση / μηχανική πρωτεϊνών και πεπτιδίων. Σχεδιασμός φαρμάκων μεγάλων μορίων. Πρωτεομική, απομόνωση και καθαρισμό πρωτεϊνών, σηματοδότηση, ταυτοποίηση των κυτταρικών υποδοχέων. • Καλλιέργειες κυττάρων και ιστών και η μηχανική αυτών: Καλλιέργειες κυττάρων / ιστών, μηχανική ιστών (συμπεριλαμβανομένων κριωμάτων ιστού και βιοϊατρικής τεχνολογίας), κυτταρική σύντηξη, εμβόλιο / διεγερτικά ανοσοποιητικού, χειρισμοί εμβρύων. • Βιοτεχνολογίκες διαδικασίες: Ζύμωση σε βιοαντιδραστήρες, βιοεπεξεργασία, βιοέκπλυση, biopulping, biobleaching, biodesulphurisation, βιοεπανόρθωση, βιοδιηθηση και φυτοθεραπεία. • Φορείς γονιδίων και RNA: Γονιδιακή θεραπεία, ιικοί φορείς. • Βιοπληροφορική: Κατασκευή βάσεων δεδομένων γονιδιωμάτων και ακολουθιών πρωτεϊνών. Μοντελοποίηση πολύπλοκων βιολογικών διεργασίες, συμπεριλαμβανομένης της βιολογίας συστημάτων. • Νανοβιοτεχνολογία: Εφαρμόζει εργαλεία και διαδικασίες των νανο / μικροκατασκευών για τη μελέτη βιοσυστημάτων και εφαρμογές στην παράδοση φαρμάκων, διαγνωστικών, κλπ.

Τι είναι βιοτεχνολογία Βιοτεχνολογία είναι η εφαρμογή εργαλείων μοριακής και κυτταρική βιολογίας προκειμένου να λυθούν προβλήματα στην υγεία, τη γεωργία, τη βιομηχανική παραγωγή και το περιβάλλον. Κομβικό σημείο στην εφαρμογή των παραπάνω εργαλείων είναι η ανακάλυψη της δομής του DNA το 1955 που έφερε επανάσταση στη βιολογία. Στις τεχνικές της βιοτεχνολογίας περιλαμβάνονται η κλωνοποίηση, η γενετική μηχανική και η μοριακή διάγνωση. Σύμφωνα με το Υπουργείο Γεωργίας των Η.Π.Α. η γεωργική βιοτεχνολογία είναι μια συλλογή από επιστημονικές τεχνικές, συμπεριλαμβανομένης της γενετικής μηχανικής, που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία, τη βελτίωση ή τη τροποποίηση φυτών, ζώων και μικροοργανισμών. Ο άνθρωπος για χρονια με την κατάλληλη επιλογή γονέων και κάνοντας διασταυρώσεις προσπαθούσε να βελτιώση τόσο τα φυτά όσα και τα ζώα. Σήμερα με τη βοήθεια σύγχρονων τεχνικών μπορούν οι επιστήμονες να μετακινήσουν γονίδια (και άρα τα επιθυμητό γνωρίσματα, που ελέγχουν τα συγκεκριμένα γονίδια) με νέους τρόπους που χαρακτηρίζονται απο μεγαλύτερη ευκολία και ακρίβεια.

Επιλεκτική βελτίωση 10.000 χρόνια πριν Τεχνητή επιλογή (Institute of Food Technolo gists, 2000) As far back as 10,000 years ag,o farmers saved seeds from plants that produced the best crops and used those seeds as the basis for next year’s crop. This artificial selection led to changes in the crop species, in the same way that natural selection can lead to evolutionary change. Selective breeding also leads to a reduction in genetic diversity within the species. Since further improvement relies on genetic diversity, new sources of genes were needed. This need for diversity led to the next development in plant breeding, when farmers discovered that crosses between certain closely related species could produce fertile offspring. This process is called hybridization.

Υβριδοποίηση Norman Borlaug Πράσινη Επανάσταση (Wright and Nebel, 2002) In the 1960’s a scientist named Norman Borlaug and his colleagues from the Rockefeller foundation bred a dwarf hybrid of wheat that had a large head and a thick stalk. It was better adapted to the subtropical climate of many developing countries. The development of this high-yield wheat meant that these countries could produce enough food to feed their growing populations at a time when many were predicting that massive food shortages in these countries would lead to mass starvation. This development is called the Green Revolution and it has probably done more than any other single scientific achievement to prevent hunger and malnutrition. Borlaug was awarded the 1970 Nobel Peace Prize. The committee stated that his efforts to feed hungry people led to greater stability in those countries, and ultimately created the possibility for a peaceful future for all the world.

Τομείς Βιοτεχνολογίας Γαλάζια βιοτεχνολογία: Θαλάσσιες και και υδρόβιες εφαρμογές της βιοτεχνολογίας Πράσινη βιοτεχνολογία: Γεωργικές εφαρμογές Κόκκινο βιοτεχνολογία: Ιατρικές εφαρμογές Λευκή βιοτεχνολογία: Βιομηχανικές εφαρμογές

Agriculture Insect and pest resistance Bt (Bacillus thuringensis)

Agriculture Cotton *ballworm, Helicoverpa armigera H.

Agriculture Fungi resistance Degrade cell wall (chitin) Chitinase, from plant, virus Chitinase (NPV) -glucanase, from plant Degrade cell wall (chitin)

Agriculture Herbicide tolerance Herbicide Herbicide tolerant transgenic crops Glyphosate maize, soya, cotton, sugar-beet, oilseed rape Phosphinothricin maize, soya, cotton, oilseed rape, rice, sugar-beet, radicchio, papaya Bromoxynil cotton, oilseed rape Sulfonylurea cotton, flax

Ποιοτικά Χαρακτηριστικά (Quality traits) Ανθεκτικότητα στη ξηρασία Ανθεκτικότητα στην αλατότητα Ανθεκτικότητα στις πλημμύρες (ρύζι) Ανθεκτικότητα σε ακραίες θερμοκρασίες Αντιπαγωτικές πρωτεϊνες Πρωτεϊνες θερμικού σόκ n Χρώμα άνθους Μπλέ Τριαντάφυλλο Μπλε Γαρύφαλο

Quality traits Καθυστερημένη ωρίμανση Tomato Μεγαλύτερη διάρκεια στο ράφι (παρεμπόδιση C2H2 ) Καθυστερημένη Ωρίμανση Papaya Banana Δρεπτά άνθη orchids

Quality traits Διατροφική αξία (λιπαρά οξέα, vitamins, etc.) Palm oil Canola (Stearic fatty acid) Margarine and shortening Golden Rice Vitamin A +

Biological Hierarchies Molecule Cell Tissue Organ Organism Population Species Biosphere 11/7/2018 Chuck Staben

Phylogeny Differences Similarities 11/7/2018 Chuck Staben Many basic processes are similar in all organisms: Transcription, translation, enzyme activity Bacteria, archaea, and eukarya differ SO fundamentally that many of their components will be quite dissimilar. Appreciating in a quantitative way the extent of similarities and differences requires a more mature understanding of biology. Differences Similarities 11/7/2018 Chuck Staben

Prokaryotes 11/7/2018 Chuck Staben

Eukaryotes 11/7/2018 Chuck Staben THINK LIKE A CELL if you want to understand them. HOW can I maintain integrity and reproduce under changing conditions? What must I do to help my organism achieve its goals. That is being BIOLOGICAL. 11/7/2018 Chuck Staben

Contain carbon and hydrogen Organic Molecules Contain carbon and hydrogen

Inorganic Groups We Will Use H+ proton or hydrogen ion OH- hydroxyl ion Inorganic Groups We Will Use -OH alcohol -PO4= phosphate -NH2 amino or amine

Organic molecules in physiology Name elements ratios Carbohydrates C,H,O H:O is 2:1 Lipids C,H,O H:O is many:1 Proteins C,H,O,N Nucleic Acids C,H,O,N,P

Table 4.1 Functional Groups of Organic Compounds

Figure 4.8 A comparison of functional groups of female (estradiol) and male (testosterone) sex hormones

Carbohydrates Sugars and starches basic building block is the monosaccharide - one sugar - C6H12O6 glucose, galactose, fructose isomers - same molecular formula, different structural formulas H H-C-OH H C O HO OH C C H H C C HO H HO H H H-C-OH H C O H OH C C HO H C C HO H HO H H H H C OH O H C OH H C C OH H C C H HO OH

Lipids not water soluble, oxygen poor molecules Waxes Fats Steroids Phospholipids Glycolipids Lipoproteins Eicosanoids Candles, honeycomb butter, lard cholesterol,sex hormones, Vit D cell membranes HDLs and LDLs, lipid transport prostaglandins, leukotrienes

Figure 5.2 The synthesis and breakdown of polymers

Figure 6.11 Example of an enzyme-catalyzed reaction: Hydrolysis of sucrose

Figure 5.6 Storage polysaccharides

Figure 5.7b,c Starch and cellulose structures

Figure 5.8 The arrangement of cellulose in plant cell walls

Figure 5.11 Examples of saturated and unsaturated fats and fatty acids

Figure 5.12 The structure of a phospholipid

Proteins - C, H, O, N The basic building block of a protein is the amino acid. Many amino acid molecules link together to form a polypetide. A very large polypeptide is a protein. The structure may be relatively simple for a small polypeptide, but quite complex for a large protein.

The basic building block of a protein is the amino acid Amino Acids The basic building block of a protein is the amino acid There are four main parts in an amino acid 1 a central carbon atom 2 the amine or amino group -NH2 3 the carboxyl or organic acid group -COOH 4 an R group that is different for each of the . . twenty amino acids

Amino Acids All amino acids follow this basic plan Central carbon Amino group H H O N - C - C-O-H H H-C-H H All amino acids follow this basic plan The R groups can be polar or nonpolar, charged, or neutral. One amino acid, cystine, contains sulfur and can form a bond, the disulfide bridge. Carboxyl group R group Radical or “rest of the molecule”

Figure 5.15 The 20 amino acids of proteins: nonpolar

Figure 5.15 The 20 amino acids of proteins: polar and electrically charged

Figure 5.16 Making a polypeptide chain

Figure 5.18 The primary structure of a protein

Two amino acids can form a peptide bond by dehydration synthesis. Proteins Two amino acids can form a peptide bond by dehydration synthesis. H H O H H O H H O H O N-C-C-O-H +N-C-C-O-H N-C-C-O-N-C-C-O-H H H H H H H H H H-O + H amino acid + amino acid dipeptide + water Peptide Bond

Figure 5.20 The secondary structure of a protein

Figure 5.17 Conformation of a protein, the enzyme lysozyme

Figure 5.22 Examples of interactions contributing to the tertiary structure of a protein

Figure 5.23 The quaternary structure of proteins

Figure 5.24 Review: the four levels of protein structure

Figure 5.25 Denaturation and renaturation of a protein

Figure 5.29 The components of nucleic acids

Figure 5.28 DNA RNA  protein: a diagrammatic overview of information flow in a cell

Biological Hierarchies Molecule Cell Tissue Organ Organism Population Species Biosphere 11/7/2018 Chuck Staben

Central Dogma of Molecular Biology DNA RNA Protein Structures Processes Cell Environment Often, the Central Dogma is stated as DNA->RNA->protein. That leaves out the extraordinary feedback and tensegrity of the cell! 11/7/2018 Chuck Staben

Nucleotides - bases A T U G C Purines - larger adenine guanine Pyrimidines - smaller thymine - uracil cytosine . Two hydrogen bonds . . Three hydrogen bonds . A T U G C

Deoxyribonucleic Acid double helix Nitrogen bases Sugar phosphate backbone Two stranded or double helix

DNA G,A,T,C 5’-GATTC-3’ 3’-CTAAG-5’ antiparallel double helix G:C, A:T 5’ to 3’ antiparallel double helix G:C, A:T 5’-GATTC-3’ 3’-CTAAG-5’ Remember these things three: DNA complementarity is G:C, A:T Always antiparallel be. Direction, ever 5’ to 3 And always correct you will be. Chuck Staben, after watching Monty Python and the Holy Grail. “What is your quest?” 11/7/2018 Chuck Staben

RNA Single-stranded polymer G,A,C, U rRNA (90%) tRNA (5-10%) mRNA (1-5%) informational many kinds 11/7/2018 Chuck Staben

Gene Expression Sequence Information 5’ 3’ P T 3’ 5’ mRNA 5’ 3’ Promoter T Terminator 3’ 5’ Transcription mRNA 5’ 3’ Sequence Information Translation Active Polypeptide NH2 COOH Polypeptide Fold 11/7/2018 Chuck Staben

Translation Reading Frames AUGGUACCACC... Frame 1 MetValProPro.. AUGGUACCACC... Frame 2 TrpTyrHis.... AUGGUACCACC... Frame 3 GlyThrThr... 11/7/2018 Chuck Staben

Genetic Code 11/7/2018 Chuck Staben

Prokaryotic Gene Expression Promoter Cistron1 Cistron2 CistronN Terminator Transcription RNA Polymerase mRNA 5’ 3’ 1 2 N Translation Ribosome, tRNAs, Protein Factors Distinguishing characteristics of Prokaryotic Gene Expression Remember-always 5’ to 3’, Amino to carboxy! Polycistronic-one promoter/regulatory region for multiple polypeptides. mRNAs will have multiple Ribosome Binding Sites, initiation codons, stop codons. mRNA processing very limited. N N C N C C 1 2 3 Polypeptides 11/7/2018 Chuck Staben

Eukaryotic Gene Expression Enhancer Promoter Transcribed Region Terminator Transcription RNA Polymerase II Primary transcript 5’ Intron1 3’ Exon1 Exon2 Cap Splice Cleave/Polyadenylate Distinguishing charcteristics of Eukaryotic Gene Expression Remember-always 5’ to 3’, Amino to carboxy! One gene-one promoter/enhancer region Enhancers are complex binding sites for activator proteins. Think of activator proteins as bipartitie (barbell model): binding domain-activation domain. mRNAs are EXTENSIVELY PROCESSED Capped Spliced Cleaved/polyadenylated. Proteins initiate at first ATG Translation 7mG An N C Transport Polypeptide 7mG An 11/7/2018 Chuck Staben

Genome Human E. coli 3,000,000 kbp 50-100,000 genes 10% genes 4000 kbp 11/7/2018 Chuck Staben

Genetic Processes Expression Variation Replication Transmission Mutation Recombination Replication Transmission 11/7/2018 Chuck Staben

Mutation Amount Nature Enhancer Promoter Transcribed Region Terminator Intron1 3’ Exon1 Exon2 X 7mG An N C 7mG An 11/7/2018 Chuck Staben

Recombination, Rearrangement, Insertion A B C D E a b c d e A B c d e a b C D E Resolve Recombination Large Changes Gene Order Gene Structure 11/7/2018 Chuck Staben

Replication Regulated DNA elements Proteins origins replication complex 11/7/2018 Chuck Staben

Mitosis/Asexual Meiosis/Sexual Transmission Reassortment Recombination 11/7/2018 Chuck Staben

Studying Genes Structure Expression Function 11/7/2018 Chuck Staben