Anvendelser af marine bioteknologi

Nogle af de mest relevante anvendelser af akvakultur / marine bioteknologi er følgende:

Akvakultur:

Fødevare- og landbrugsorganisationen (FAO) definerer akvakultur som "kulturen af ​​vandorganismer, herunder fisk, bløddyr, krebsdyr og vandplanter. Kultur indebærer en form for intervention i opdrætsprocessen for at øge produktionen - herunder strømning, fodring, beskyttelse mod rovdyr mv.

Kultur indebærer også individuel eller ejerskab af bestanden, der dyrkes. " Simpelthen betyder akvakultur manipulation og forbedring af produktionen af ​​vandlevende væsener. Denne praksis har en væsentlig betydning for skaldyrsindustrien.

Verdens efterspørgsel på skaldyr er helt op til at skyde op med halvfjerds procent i de næste 35 år. Og med fiskens høst fra fiskeriet er der gradvist fald, er branchen truet af en stor mangel i de kommende år.

Anvendelsen af ​​moderne bioteknologiske værktøjer til opdræt og forbedring af produktionen af ​​akvatiske arter kan ikke kun hjælpe med at imødekomme de globale krav til fisk og skaldyr, men også forbedre akvakulturbruget i sig selv. Disse teknikker forbedrer også sundhed, reproduktion, udvikling og vækst af vandorganismer og dermed fremme tværfaglig udvikling af miljøfølsomme og bæredygtige systemer. Dette vil igen føre til en betydelig kommercialisering af akvakultur.

Transgene:

Transgen fisk:

Konventionel fiskeopdræt er baseret på valg af fiskebønden for at forbedre de ønskelige træk i fisken. Denne proces er dog langsom og uforudsigelig. Nye molekylære værktøjer er langt mere effektive til at identificere, isolere og konstruere de gener, der er ansvarlige for ønskelige træk, og efterfølgende overføre dem til brød.

Produktionen af ​​transgen fisk er faktisk meget nemmere end at producere andre transgene pattedyr. Dette skyldes, at fisk producerer et stort antal æg (fra flere dusin til flere tusinde), som kan generere store mængder genetisk ensartet materiale til forsøg.

For eksempel producerer zebrafisken (Brachydanio rerio) 1, 50.400 æg, Atlanterhavslaks (Salmo salar) 500.015.000, og den fælles karpe (Cyprinus carpio) producerer mere end 1, 00.000 æg. Derudover kræver processen ingen manipulation, når generne er blevet overført gennem fiskeæg. Vedligeholdelsen af ​​et fiskeri er således ikke særlig dyrt, især i modsætning til befrugtet pattedyrstransformation.

Sygdomsresistens:

Molekylærbiologi giver værdifuld information om livscykluser og mekanismer for patogenese, antibiotikaresistens og sygdomsoverførsel. Disse oplysninger kan forbedre vores forståelse af værtsimmunitet, modstand, modtagelighed af sygdomme og associerede patogener.

En sådan forståelse har stor betydning for havindustrien. For eksempel lægger dyrkningsforholdene med høj densitet kulturen meget vægt på fisk, hvilket gør det ekstremt sårbart for infektion. Et stort udbrud af denne art sætter en tung vejafgift på hele landbrugsoperationen, hvilket medfører store tab for branchen. Dette kan undgås ved at udvikle robuste stammer af fisk, der kan modstå en række sygdomme.

Moderne videnskab giver enorme muligheder for at forbedre sundhed og velvære af dyrkede vandorganismer samt reducere overførslen af ​​sygdomme fra vilde bestande. Adskillige transgene tilgange har været anvendt til at forbedre sygdomsresistenskapaciteten hos fisk. Antisense- og ribozymteknologier bruges til at neutralisere eller ødelægge viral RNA. For eksempel forårsager den hæmatopoietiske nekrosevirus (HNV) alvorlig dødelighed hos laksefisk, og neutralisering af denne virus kan forbedre laksevækst.

En anden metode er at udtrykke viralcoatproteinerne (som 66kDa G-proteinet fra HNV) i værtsmembranen. Dette vil binde bindingen til receptorbindingsstederne og således konkurrere med de virale bindingssteder, minimere viral penetration. Joann Leong og hans gruppe ved. Oregon State University har rapporteret denne undersøgelse.

Den mest effektive metode til bekæmpelse af sygdomsinfektion er imidlertid at øge værtsens eget immunsystem ved at udtrykke antimikrobielle og antibakterielle stoffer. Antibakterielle peptider som maganiner og lysozym testes for at øge værts forsvarsrespons mod en bred vifte af patogener.

Reverse-transkriptase-polymerasekædereaktionsteknikken (RT-PCR) har gjort det muligt at identificere og detektere akvatisk birnavirus. Disse virus udgør den største og mest forskelligartede gruppe inden for familien Birnaviridae, som omfatter virus fra mange arter af fisk og hvirvelløse dyr.

Mange af disse arter forårsager sygdomme i dyrkede såvel som vilde ferskvand og marine arter. RT-PCR-assayet er en hurtig og pålidelig erstatning for cellekulturmetoder til påvisning af fiskesygdomsmidler som pankreatisk nekrosevirus. Det kan også forbedre forebyggelse og bekæmpelse af fiskesygdomme.

En anden væsentlig anvendelse af marine bioteknologi er blevet set ved University of California, hvor forskere har dechiffreret årsagen til en stærkt smitsom og dødelig sygdom, der plager akvakultur af hvidt stær. Ved hjælp af genmanipulationer har disse forskere udviklet protokoller til påvisning af tilstedeværelsen af ​​det hvide Strugeon iridovirus, som vil hjælpe med at udvikle sygdomsfrie avlsstande.

Frysebestandig fisk:

Rekombinante teknikker kan anvendes til at overføre et antifreeze protein (AFP) gen for at give frysesikkerhed på forskellige arter. AFP'er produceres af flere koldtvands marine teleosts (som vinterflundre, oceanpout, havrevne, shorthorn sculpin). Disse proteiner forhindrer iskrystaldannelse i blodet og dermed beskytter fisken mod frysning.

Desværre bærer mange kommercielt vigtige fisk som atlanterhavslaks ikke sådanne gener og kan således ikke overleve under-nul temperaturer. Udvikling af transgen atlanterhavslaks ved at tilføje dette gen kan være yderst frugtbar for fiskeindustrien. AFP'er er også blevet rapporteret at give hypotermisk beskyttelse af svinocyter og kan være nyttige ved kold beskyttelse. Transgenisk guldfisk med AFP-genet overlever også bedre i lave temperaturer.

Vækstrate :

Genetiske manipulationer kan i væsentlig grad forøge vækstraten i fiskekulturen. En metode er mikroinjektionen af ​​væksthormonegener til befrugtede laksæg. Dette har accelereret deres vækstrater med 30 til 60 procent. At lægge en ekstra kopi af væksthormonegenet i et fiskeembryo (tilapia) på et tidligt stadium har også øget vækstraten fem gange.

Reproduktion :

Reproduktion er et stort problem for akvakulturindustrien. Efterhånden som fisken modnes, falder deres væksthastighed og kvaliteten af ​​kødet forringes. Bioteknologiske metoder til at undertrykke modningsprocessen kunne med fordel anvendes til at opretholde kvaliteten af ​​sådanne fisk. Disse teknikker kan også bruges til at regulere reproduktionen af ​​visse arter af fisk ved at udvikle ikke-reproduktive (sterile) arter.

Sådanne arter har en enorm kommerciel værdi, da mono-seksuelle organismer eller steriliserede arter bærer ingen risiko for farm-to-wild interaktion. Disse arter muliggør også genopbygningen af ​​lager af konserveret sæd, og tilvejebringer genmarkører til lageridentifikation. Således hjælper disse teknikker til bevarelse af vild ressource.

Forskere har også udviklet teknikker til brug af modificerede virale partikler (retrovirale vektorer) for at ændre genet for en marine invertebrat. Dette er den første anvendelse af molekylærbiologi, hvor ændringen af ​​DNA i en marine organisme er blevet vist. Det er nu muligt at genetisk ændre dværg surf-clam ved hjælp af en ny viral konvolut, som gør det muligt for vektoren at komme ind i stort set enhver type celle.

I andre væsentlige fremskridt har forskere udviklet et 'reportergen' til vektorer. Dette reportergen anmoder om det befrugtede surfclam-æg for at give en blå farve, hvilket er tegn på genimplantation.

Dette arbejde forventes at give et nyt værktøj til bekæmpelse af sygdomme, der angriber kommercielle lagre af østers, muslinger og abalone. Når genene, der er ansvarlige for beskyttelse af dyrkede skaldyr fra sygdom, er identificeret, kan retrovirale vektorer anvendes til at levere disse beskyttende gener direkte til brødmassen.

Teknikker som elektroporering er effektive til at indføre fremmed DNA i abalone (fisk) embryoner. Forskere ved University of Minnesota har succesfuldt anvendt genetiske isolatorsekvenser (opnået fra kylling og frugt fly DNA) i fisk, og har opdaget gencontrollere, der fungerer bedst for at tænde fremmede gener.

Bevarelse:

Molekylære værktøjer kan bruges til at identificere og karakterisere vigtige akvatiske kimplasmaer, herunder mange truede arter. Disse værktøjer har gjort det muligt at analysere genomerne hos mange akvatiske arter. De har også hjulpet os med at forstå det molekylære grundlag for genregulering, udtryk og sexbestemmelse. Dette kan forbedre metoderne til at definere arter, bestande og populationer.

Sådanne molekylære fremgangsmåder omfatter:

1. Udvikling af markørassisterede udvælgelsesteknologier

2. Forbedring af præcision og effektivitet ved transgene teknikker

3. DNA-fingeraftryk til at kende polymorfisme i fiskebestande

4. Forbedring af teknologier til cryo-konservering af gameter og embryoner

Disse teknikker kan hjælpe os med at opretholde de naturlige økosystemers biodiversitet. Bioteknologiske værktøjer kan også bruges til at udvikle hormonprotokoller, der styrer gydning af økonomisk vigtige fisk som atlanterhavslaks, strippet bas, flunder, havbrasme, havabbor og nogle marine tropiske.

Tang og deres produkter:

Tang er marine alger (makroalger), der findes i havmiljøet. Disse er havvillaer, der mangler sande stilke, rødder og blade. På samme måde som landplanter har tang også fotosyntetiske maskiner og bruger sollys til at producere mad og ilt fra kuldioxid og vand. De fleste tang er røde (5500 sp.), Brune (2000 sp.) Eller grønne (1200 sp.).

Tang er en rig kilde til mad, foder og en række industrielt vigtige kemiske forbindelser. Faktisk er tang en milliard dollar industri. Den mest værdsatte tang er de røde alger Porphyra eller nori, som er en vigtig kilde til menneskelig mad i hele verden. Dens verdensomspændende produktion står på cirka fjorten milliarder ark og værdiansættes til omkring 1, 8 milliarder amerikanske dollars hvert år.

De andre spiselige tang omfatter Gracilaria, Undaria, Laminaria og Caulerpa. Industrielt vigtige tang til carrageenaner omfatter arter som Chondrus, Eucheuma og Kappaphycus, alginater (Ascophyllum, Laminaria, Macrocystis) og agar-agar (Geledium og Gracilaria). Disse vigtige polysaccahrider, også kaldet phycocolloides, anerkendes verden over for at være harmløse.

Agar-Agar:

Agar er almindeligvis ekstraheret fra røde ukrudt som Gelidium og Gracilaria. Agar indeholder to vigtige komponenter - Agarose og Agropectin, som gør agarforbindelserne yderst nyttige til papirfremstilling, kulturmedier, konservering af madvarer og emballage-, læder-, mejeri- og kosmetikindustrier.

Carrageenan er:

Carrageenaner er almindeligvis ekstraheret fra arter af Eucheuma og Chondrus. Forskellige former for carrageenaner kaldes kappa, lambda, iota, mu og epsilon. Næsten tyve procent af carrageenanproduktionen anvendes af kosmetiske og farmaceutiske industrier som stabilisatorer af emulsioner. Carrageenaner bruges også i kostfødevarer som stivelsesfri desserter, salatdressinger, geléer, syltetøj, sirup og pudding saucer.

alginater:

Alginater er salte af natrium-, calcium- eller kaliumalginat og anvendes i en lang række produkter. Alginsyre ekstraheres almindeligt fra Laminaria, Ecklonia og Macrocystis. Alginater anvendes som emulgatorer og emulsionsstabilisatorer i cremer og lotioner. Natriumalginat fungerer som smøremiddel i sæbe og barberingskremer. Alginater anvendes også i indkapsling af mikrober, plante- og dyreceller, der anvendes som metabolittproducenter eller biomotorer.

Terapeutiske midler:

Den brede anvendelse af tangekstrakter i kosmetikindustrien har givet 'Thalassoterapi', hvor tang og deres ekstrakter anvendes som terapeutiske midler. Ved behandling med thalassoterapi bruges havvand og tang til at virke på cellerne i den menneskelige krop for at afgifte og samtidig genoprette hudens pH.

De tang, der anvendes til denne behandling, omfatter Laminaria digitata, som er rig på vitaminerne A, E, C og B, aminosyrer, hormoner og jod. Det øger stofskiftet og stimulerer også iltforbruget i cellerne og lindrer varmeproduktionen.

Andre forbindelser fra tang omfatter terpener, aminosyrer, phenoler, pyrrolsubstanser, arsenosugarer, steroler (som fucosterol), farvestoffer (som phycoerthrins fra røde alger og hine fra brune alger) og aminosyrer (som chondrin, gigartinin, kaininsyre eller β- caroten) har også stor værdi. Spirulina, de blå grønne bakterier (cynobacteria) og Ascophyllum nodosum kan effektivt anvendes som diæthjælpemidler, almindelige tonics og foryngere.

Nogle af de sulfaterede polysaccharider fra røde, grønne og brune alger har også vist sig at have antikoagulerende egenskaber. Disse omfatter proteoglycaner af Codium fragile sp. atlanticum og lambda-carrageenan og carrageenan fra Grateloupia dichotoma. Disse forbindelser viser lignende egenskaber som heparin fundet i pattedyrvæv, som hjælper med blodproppen. Disse ekstrakter tjener som et fremragende alternativ til heparin anvendt til forebyggelse af koronar trombose.

Nogle sulfaterede polysaccharider har også antivirale egenskaber. Carrageenan er blevet brugt til at hæmme Herpes Simplex Virus (HSV). For nylig er det blevet set, at carrageenan også hæmmer Human Immunodeficiency Virus (HIV) ved at interferere med de HIV-inficerede fusionsceller og efterfølgende hæmme den retrovirale enzym reverse transkriptase.

Mange andre tang og deres produkter har direkte fordele for menneskers sundhed. For eksempel er Laminaria-arter rig på jod og kan bruges til fremstilling af kostdrikke og massage cremer. Tilsvarende er Sargassum Muticumm rige på vitaminer E og K, Lithothamnion og Phymatolithon er rige på calciumcarbonat og sporstoffer. Molekylære værktøjer kan hjælpe med at udnytte disse arter og høste vigtige produkter fra dem.

Lægemidler:

Forskere inden for bioteknologi har isoleret mange bioaktive stoffer fra havmiljøet, hvilket har stor potentiale til behandling af forskellige menneskelige sygdomme. Forbindelsen 'Manoalide' fra en bestemt svamp har skabt mere end tre hundrede kemiske analoger, hvoraf mange er gået til kliniske forsøg som antiinflammatoriske midler. Forskere har også identificeret flere marine metabolitter, der er aktive mod malaria parasit Plasmodium falciparum.

I en undersøgelse udført ved University of Hawaii, har forskere rapporteret tilstedeværelsen af ​​kompleks forbindelse 'Depsipeptid'. Små mængder af denne forbindelse findes i bløddyret Elysia rufescens og i den alg, som den fodrer. Depsipeptid er aktivt mod tumorer i lunger og tyktarm, og genetiske manipulationer af bløddyr kan generere tilstrækkelige mængder af lægemidlet til testning

Et andet stof opnået fra marine planter og hvirvelløse dyr er 'Pseudopterosin'. Dette nye diterpen-glycosid hæmmer inflammation. Selv om det i dag anvendes bredt i kosmetikindustrien, forventes det også at stormme lægemiddelindustrien efter kliniske forsøg.

Den Bryozoan 'Bugula neritina', en langsomt voksende marine hvirvelløse dyr, er blevet rapporteret at være en kilde til et potentielt lægemiddel til leukæmi. Lægemidlet er til stede i små mængder i eller på dyret. Da uvirvelbrede dyr lever i symbiotiske forhold med bakterien, syntetiserer bakterien det giftige stof for at beskytte bryozoan mod rovdyr, i stedet for det rum, hvor det kan vokse.

Forskere ved University of California forsøger at bevise, at stoffet kan produceres i store mængder af bakterien. Desuden forsøger de at udvikle metoder til storskala kultur af bakterien. Yderligere forskning er på for at løse hvordan stoffet kan isoleres.

Enzymer:

Mange enzymer er også blevet isoleret fra marine bakterier. Disse enzymer viser unikke egenskaber, der gør dem i stand til at trives bedst i ekstreme miljøer. Nogle af disse enzymer er modstandsdygtige over for varme og salt, hvilket gør dem nyttige til industrielle processer. Lad os se på anvendelsen af ​​nogle af disse enzymer.

De ekstracellulære proteaser kan anvendes i vaskemidler og til industrielle rengøringsanvendelser som rensning af revers-osmosemembraner. 'Vibrio alginolyticus' producerer proteaser, som er et usædvanligt rengøringsresistent - den alkaliske serinekprotease. Denne marine organisme producerer også 'Collagenase'-enzymet, som har mange industrielle og kommercielle anvendelser.

Undersøgelser har vist, at alger indeholder et unikt haloperoxidase enzym, som katalyserer inkorporering af halogen i metabolitter. Disse enzymer er yderst nyttige, da halogenering er en vigtig proces i den kemiske industri.

Japanske forskere har også udviklet metoder til at fremkalde en marine alge til fremstilling af store mængder af enzym superoxidase dismutate, som har brede anvendelser inden for medicinsk, kosmetisk og fødevareindustrien. Termostabile enzymer har en ekstra fordel i forskning og industrielle processer.

De vigtige termostabile DNA-modificerende enzymer indbefatter polymeraser, ligaser og restriktionsendonukleaser. For eksempel var det en marine organisme, hvorfra enzymet Taq. Polymerase blev isoleret. Dette termostabile enzym blev grundlaget for polymerasekædereaktion.

Forskning fra Rutgers University i New Jersey har isoleret et nyt enzym 'a-galactosidase' fra 'Thermotoga neapolitana'. Dette enzym hydrolyserer melibiose-oligomerer. Disse oligomerer er hovedkomponenter af soja og andre bønneprodukter, som begrænser mængden af ​​soja, der kan inkorporeres i foder til mono-gastriske dyr som svin og kyllinger (da de ikke kan fordøje oligomerer). Galatosidase kan således anvendes til at fjerne melibiose og proteasehæmmere fra sojaprodukterne.

Forskere forsøger også at opnå DNA-polymeraser (fra bakterier), hvilket vil øge effektiviteten af ​​bioteknologiske processer under replikation af DNA. De studerer også koldtolerante enzymer fra meget kolde oceaniske miljøer.

De fleste enzymer, der er involveret i de primære metaboliske veje af termofiliske bakterier, er mere termostabile end deres modstykker, som findes ved moderate temperaturer. En detaljeret undersøgelse af enzymer fra termofiliske marine mikroorganismer kan i væsentlig grad bidrage til forståelsen af ​​mekanismerne for enzym-termostabilitet og muliggør således identifikation af enzymer, der er egnede til industrielle anvendelser.

biomolekyler:

Nylige undersøgelser har vist, at marine biokemiske processer kan udnyttes til at producere nye biomaterialer. Et Chicago-baseret firma har markedsført en ny klasse af biologisk nedbrydelige polymerer, der er modelleret af naturlige stoffer, der danner de organiske matricer af bløddyrsskaller.

De mekanismer, der anvendes af marine diatomer, coccolithophorider, bløddyr og andre marine hvirvelløse dyr til at generere udførlige mineraliserede strukturer, er meget spændende på nanometer skalaen (mindre end en milliardedel af en meter i størrelse).

Disse nanometerskala strukturer kan forbedre forståelsen af ​​tekniske processer til at skabe biokaramik, som kan revolutionere fremstillingen af ​​medicinske implantater, bildele, elektroniske enheder, beskyttende belægning og andre nye produkter.

Bionedbrydelige polymerer:

Østerskaller giver en ny kilde til syntetiske bionedbrydelige polymerer med en bred vifte af nyttige industrielle egenskaber. Disse polymerer anvendes til vandbehandling og landbrugsapplikationer. Donlar Corporation of Bed Ford Park i Illinois har vurderet, at det potentielle marked for sådanne produkter er værd at millioner af dollars.

Ved at anvende den naturlige frostvæskeforbindelse, der findes i vinterflaske som model, udvikler forskere også syntetiske antifreeze-peptider, der vil være biologisk nedbrydelige og hjælpe med at styre flettet i fly, motorveje og landbrugsafgrøder.

Bioremediering:

Bioremediering har et stort potentiale for at løse problemerne i havmiljøet og akvakulturen. Denne proces kan hjælpe med at tackle olieudslip, bevæge sig af giftige kemikalier fra land på grund af udvaskning, bortskaffelse af spildevand og kemisk affald, genvinding af mineraler som mangan og forvaltning af akvakultur og skaldyrsforarbejdning.

Forskere ved Louisiana State University, USA har udviklet traditionelle bioteknologiske tilgange til at omsætte giftige forurenende stoffer som PCB (Polychlorbiphenyler), PAH og creosot. De har også haft succes med biobehandling og genanvendelse af brugte marine tømmer og pilinger, der er reddet fra havinstallationer som havne og olieproduktionsstrukturer. Deres undersøgelser har givet nye måder til fjernelse af kreosot, kobber, krom, arsen og andre giftige forbindelser fra behandlet træ for at fremme gengenvinding.

Rekombinante værktøjer kan også bruges til at overføre plante- og dyregener, der producerer metallothioniner (metalbindende proteiner) til marine organismer for at lette vanddekontaminering. Forskere indsatte kyllingmetallothioneingenetet i en enkeltcellet grøn alga 'Chlamydomonas reinhardtii', og rapporterede, at dette fremmer tættere algvækst i cadmiumforurenet vand.

Forskere har også udviklet nye bakterier, som kan fordøje olie fem gange hurtigere i nærheden af ​​enkeltcellede organismer kaldet protozoer. Da protozoer spiser forureningskrævende bakterier, er det meningen, at eliminering af dem muligvis ville øge nedbrydningshastighederne. Disse protozoer er blevet foreslået at være vigtige for bionedbrydning. Forskere forsøger også at dechiffrere, hvordan protozoer hurtigere bakterier spiser kulbrinterne hurtigere.

Marine organismer er også blevet brugt til at detektere herbicidkoncentrationer i jord, vand og forurenede steder. Den udviklede analyse er baseret på en cynobakterie, der er blevet genetisk manipuleret til at bære lux-genet i dets genom.

Dette luxprotein forårsager lysemission i nærvær af den kemiske reagensdodekanal. Ved tilstedeværelsen af ​​herbicidet, som virker på det fotosyntiske maskiner, reduceres cyanobakteriens lysemission på en sådan måde, at den kan måles og kalibreres til koncentrationen af ​​det herbicid, der er til stede.

Bioteknologiske værktøjer kan også bruges til at genoprette beskadiget miljø. For eksempel foreslår undersøgelser fra University of Florida, at mikroforplantningsteknikker, der bruges til at producere havrehavre og anden kystgr vegetation, kan hjælpe med miljøreparation.

Trods alt dette videnskabelige fremskridt ligger en stor skat af værdifulde marine ressourcer stadig uudnyttet. Forståelse af marine bioteknologi og dens potentiale ved brug af modemteknikker kan være revolutionerende. Dette omfatter områder som biomaterialer, lægemidler, diagnostik, akvakultur, skaldyr, bioremediering, biofilm og korrosion. Det kan også spille en vigtig rolle i udviklingen af ​​marine flora og fauna, som kan høstes til forbedring af menneskelig art.