Biyoteknoloji

İnsülin kristalleri ⓘ

Biyoteknoloji; hücre ve doku biyolojisi kültürü, moleküler biyoloji, mikrobiyoloji, genetik, fizyoloji ve biyokimya gibi doğa bilimlerinin yanı sıra makine mühendisliği, elektrik-elektronik mühendisliği ve bilgisayar mühendisliği gibi mühendislik dallarından yararlanarak, DNA teknolojisiyle bitki, hayvan ve mikroorganizmaları geliştirmek, doğal olarak var olmayan veya ihtiyacımız kadar üretilemeyen yeni ve az bulunan maddeleri (ürünleri) elde etmek için kullanılan teknolojilerin tümüdür. ⓘ

Biyoteknoloji, temel bilim buluşlarını kısa sürede yararlı ticari ürünlere dönüştürebilmesiyle bir anlamda kendi talebini de yaratabilir. Bu yönüyle de diğer teknolojilerden ayrılır. Örneğin sıcak su kaynaklarında yaşayan bakterilerin birinden elde edilen yüksek sıcaklığa dayanıklı bir enzim, günümüzde uygulama ve temel bilim çalışmalarının ayrılmaz bir parçası olan PCR'nin önemli bir girdisidir. Biyoteknoloji uygulamaları; mikrobiyoloji, biyokimya, moleküler biyoloji, hücre biyolojisi, immünoloji, protein mühendisliği, enzimoloji ve biyoproses teknolojileri gibi farklı alanları bünyesinde toplar. Bu nedenle de biyoteknoloji birçok bilimsel disiplinle karşılıklı ilişki içinde gelişir. ⓘ

Bitki, hayvan veya mikroorganizmaların tamamı ya da bir parçası kullanılarak yeni bir organizma (bitki, hayvan ya da mikroorganizma) elde etmek veya var olan bir organizmanın genetik yapısında arzu edilen yönde değişiklikler meydana getirmek amacı ile kullanılan yöntemlerin tamamına Biyoteknoloji denmektedir. ⓘ

Biyoteknoloji, insan, hayvan ve bitki hücrelerinin fonksiyonlarını anlamak ve değiştirmek amacıyla uygulanan çeşitli teknikleri ve işlemleri tanımlamak için kullanılan bir terimdir. Canlıların iyileştirilmesi ya da endüstriyel kullanımına yönelik ürünler geliştirilmesini, modern teknolojinin doğa bilimlerine uygulanmasını kapsar. ⓘ

Doku kültüründe yetiştirilen hücreler olarak başlayan bir gül bitkisi ⓘ

Biyoteknoloji, "organizmaların, hücrelerin, bunların parçalarının ve moleküler analoglarının ürün ve hizmetler için uygulanmasını sağlamak amacıyla doğa bilimleri ve mühendislik bilimlerinin entegrasyonudur". Biyoteknoloji terimi ilk olarak 1919 yılında Károly Ereky tarafından, canlı organizmaların yardımıyla hammaddelerden ürün üretimi anlamında kullanılmıştır. ⓘ

Tanım

Biyoteknoloji kavramı, hayvanların evcilleştirilmesi, bitkilerin yetiştirilmesi ve yapay seçilim ve melezleme kullanan ıslah programları yoluyla bunların "iyileştirilmesine" kadar uzanan, canlı organizmaların insan amaçlarına göre değiştirilmesine yönelik çok çeşitli prosedürleri kapsamaktadır. Modern kullanımda genetik mühendisliğinin yanı sıra hücre ve doku kültürü teknolojileri de yer almaktadır. Amerikan Kimya Derneği biyoteknolojiyi, biyolojik organizmaların, sistemlerin veya süreçlerin çeşitli endüstriler tarafından yaşam bilimi hakkında bilgi edinmek ve farmasötikler, mahsuller ve çiftlik hayvanları gibi malzeme ve organizmaların değerini artırmak için uygulanması olarak tanımlamaktadır. Avrupa Biyoteknoloji Federasyonu'na göre biyoteknoloji, doğa bilimleri ile organizmaların, hücrelerin, bunların parçalarının ve moleküler analogların ürün ve hizmetler için bütünleştirilmesidir. Biyoteknoloji temel biyolojik bilimlere (örneğin moleküler biyoloji, biyokimya, hücre biyolojisi, embriyoloji, genetik, mikrobiyoloji) dayanır ve tersine biyolojide temel araştırmaları desteklemek ve gerçekleştirmek için yöntemler sağlar. ⓘ

Biyoteknoloji, yüksek katma değerli ürünlerin planlanabildiği (örneğin biyosentez yoluyla yeniden üretilebildiği), tahmin edilebildiği, formüle edilebildiği, geliştirilebildiği ve üretilebildiği biyokimyasal mühendislik yoluyla herhangi bir canlı organizmadan ve herhangi bir biyokütle kaynağından keşif, ekstraksiyon, sömürü ve üretim için biyoinformatik kullanarak laboratuvarda araştırma ve geliştirmedir, Sürdürülebilir faaliyetler (Ar-Ge'ye yapılan dipsiz ilk yatırımın geri dönüşü için) ve kalıcı patent hakları elde etmek (satış için münhasır haklar için ve bundan önce hayvan deneyi ve insan deneyi sonuçlarından ulusal ve uluslararası onay almak, özellikle biyoteknolojinin farmasötik dalında ürünlerin kullanılmasıyla tespit edilmemiş yan etkileri veya güvenlik endişelerini önlemek için) amacıyla pazarlanmaktadır. İnsan hayatını iyileştirmesi beklenen ürünler üretmek için biyolojik süreçlerin, organizmaların veya sistemlerin kullanılması biyoteknoloji olarak adlandırılır. ⓘ

Buna karşılık, biyomühendislik genellikle canlılarla etkileşim kurmak ve onları kullanmak için daha yüksek sistem yaklaşımlarını (biyolojik materyallerin doğrudan değiştirilmesi veya kullanılması gerekmez) daha fazla vurgulayan ilgili bir alan olarak düşünülür. Biyomühendislik, mühendislik ve doğa bilimleri ilkelerinin dokulara, hücrelere ve moleküllere uygulanmasıdır. Bu, bitki ve hayvanlarda işlevleri iyileştirebilecek bir sonuç elde etmek için biyoloji ile çalışma ve biyolojiyi manipüle etme bilgisinin kullanımı olarak düşünülebilir. Buna bağlı olarak biyomedikal mühendisliği, özellikle doku mühendisliği, biyofarmasötik mühendisliği ve genetik mühendisliği gibi biyomedikal veya kimya mühendisliğinin belirli alt alanlarında biyoteknolojiden (çeşitli tanımlara göre) yararlanan ve bunu uygulayan örtüşen bir alandır. ⓘ

Tarihçe

Bira üretimi biyoteknolojinin erken dönem uygulamalarından biriydi. ⓘ

Normalde ilk akla gelen olmasa da, insan kaynaklı tarımın pek çok biçimi "ürün elde etmek için biyoteknolojik bir sistem kullanmak" şeklindeki geniş tanıma açıkça uymaktadır. Aslında, bitki yetiştiriciliği en eski biyoteknolojik girişim olarak görülebilir. ⓘ

Tarımın, Neolitik Devrim'den bu yana gıda üretmenin baskın yolu haline geldiği teorize edilmiştir. İlk çiftçiler, erken biyoteknoloji sayesinde, artan nüfusa yetecek kadar gıda üretmek için en yüksek verime sahip, en uygun mahsulleri seçmiş ve yetiştirmişlerdir. Mahsuller ve tarlalar giderek daha büyük ve bakımı zor hale geldikçe, belirli organizmaların ve bunların yan ürünlerinin etkili bir şekilde gübreleme yapabildiği, azotu geri kazandırabildiği ve zararlıları kontrol edebildiği keşfedildi. Tarım tarihi boyunca çiftçiler, biyoteknolojinin ilk biçimlerinden biri olan yeni ortamlara sokma ve diğer bitkilerle ıslah etme yoluyla mahsullerinin genetiğini istemeden değiştirdiler. ⓘ

Bu süreçler aynı zamanda biranın erken fermantasyonuna da dahil edilmiştir. Bu süreçler erken Mezopotamya, Mısır, Çin ve Hindistan'da uygulanmıştır ve hala aynı temel biyolojik yöntemleri kullanmaktadır. Bira yapımında, malt haline getirilmiş tahıllar (enzimler içeren) tahıllardaki nişastayı şekere dönüştürür ve ardından bira üretmek için belirli mayalar eklenir. Bu süreçte tahıllardaki karbonhidratlar parçalanarak etanol gibi alkollere dönüşür. Daha sonra diğer kültürler laktik asit fermantasyonu sürecini üreterek soya sosu gibi diğer korunmuş gıdaları üretmiştir. Fermantasyon bu dönemde mayalı ekmek üretmek için de kullanılmıştır. Fermantasyon süreci Louis Pasteur'ün 1857'deki çalışmasına kadar tam olarak anlaşılamamış olsa da, bir gıda kaynağını başka bir forma dönüştürmek için biyoteknolojinin ilk kullanımıdır. ⓘ

Charles Darwin'in çalışmalarından ve yaşamından önce, hayvan ve bitki bilimciler seçici ıslahı zaten kullanmışlardı. Darwin, bilimin türleri değiştirme kabiliyeti hakkındaki bilimsel gözlemleriyle bu çalışmalara katkıda bulundu. Bu açıklamalar Darwin'in doğal seçilim teorisine katkıda bulunmuştur. ⓘ

Binlerce yıldır insanlar, gıda olarak kullanmak üzere ekin ve çiftlik hayvanlarının üretimini iyileştirmek için seçici ıslahı kullandılar. Seçici ıslahta, arzu edilen özelliklere sahip organizmalar aynı özelliklere sahip yavrular üretmek için çiftleştirilir. Örneğin, bu teknik en büyük ve en tatlı mahsulü üretmek için mısırda kullanılmıştır. ⓘ

Yirminci yüzyılın başlarında bilim insanları mikrobiyolojiyi daha iyi anlamaya başladılar ve belirli ürünleri üretmenin yollarını araştırdılar. Chaim Weizmann 1917'de ilk kez saf bir mikrobiyolojik kültürü endüstriyel bir süreçte, Clostridium acetobutylicum kullanarak mısır nişastası üretiminde, Birleşik Krallık'ın I. Dünya Savaşı sırasında patlayıcı üretmek için umutsuzca ihtiyaç duyduğu asetonu üretmek için kullandı. ⓘ

Biyoteknoloji ayrıca antibiyotiklerin geliştirilmesine de yol açmıştır. 1928 yılında Alexander Fleming Penicillium küfünü keşfetti. Çalışmaları, Howard Florey, Ernst Boris Chain ve Norman Heatley tarafından küf tarafından oluşturulan antibiyotik bileşiğinin saflaştırılmasına yol açtı - bugün penisilin olarak bildiğimiz şeyi oluşturmak için. 1940 yılında penisilin, insanlarda bakteriyel enfeksiyonları tedavi etmek için tıbbi kullanıma sunuldu. ⓘ

Modern biyoteknoloji alanının genellikle 1971 yılında Paul Berg'in (Stanford) gen ekleme deneylerinin ilk başarısını elde etmesiyle doğduğu düşünülür. Herbert W. Boyer (Univ. Calif. at San Francisco) ve Stanley N. Cohen (Stanford) 1972'de genetik materyali bir bakteriye aktararak yeni teknolojiyi önemli ölçüde ilerletti, öyle ki aktarılan materyal yeniden üretilebilecekti. Biyoteknoloji endüstrisinin ticari uygulanabilirliği, 16 Haziran 1980'de Amerika Birleşik Devletleri Yüksek Mahkemesi'nin Diamond v. Chakrabarty davasında genetiği değiştirilmiş bir mikroorganizmanın patentlenebileceğine karar vermesiyle önemli ölçüde genişledi. General Electric için çalışan Hindistan doğumlu Ananda Chakrabarty, ham petrolü parçalayabilen bir bakteriyi (Pseudomonas cinsi) modifiye etmiş ve bunu petrol sızıntılarının tedavisinde kullanmayı önermişti. (Chakrabarty'nin çalışması gen manipülasyonunu değil, Pseudomonas bakterisinin suşları arasında tüm organellerin transferini içeriyordu). ⓘ

MOSFET (metal-oksit-yarı iletken alan etkili transistör) 1959 yılında Mohamed M. Atalla ve Dawon Kahng tarafından icat edilmiştir. İki yıl sonra, Leland C. Clark ve Champ Lyons 1962'de ilk biyosensörü icat etti. Biyosensör MOSFET'ler daha sonra geliştirildi ve o zamandan beri fiziksel, kimyasal, biyolojik ve çevresel parametreleri ölçmek için yaygın olarak kullanılmaktadırlar. İlk BioFET, 1970 yılında Piet Bergveld tarafından icat edilen iyon-duyarlı alan etkili transistördür (ISFET). Metal geçidin yerini iyona duyarlı bir membran, elektrolit çözeltisi ve referans elektrodun aldığı özel bir MOSFET türüdür. ISFET, DNA hibridizasyonunun tespiti, kandan biyobelirteç tespiti, antikor tespiti, glikoz ölçümü, pH algılama ve genetik teknolojisi gibi biyomedikal uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. ⓘ

1980'lerin ortalarında, gaz sensörü FET (GASFET), basınç sensörü FET (PRESSFET), kimyasal alan etkili transistör (ChemFET), referans ISFET (REFET), enzim modifiye FET (ENFET) ve immünolojik olarak modifiye FET (IMFET) dahil olmak üzere diğer BioFET'ler geliştirilmiştir. 2000'lerin başında DNA alan etkili transistör (DNAFET), gen modifiye FET (GenFET) ve hücre potansiyelli BioFET (CPFET) gibi BioFET'ler geliştirilmiştir. ⓘ

Biyoteknoloji sektörünün başarısını etkileyen faktörlerden biri de dünya çapında fikri mülkiyet hakları mevzuatının ve uygulamasının iyileştirilmesinin yanı sıra yaşlanan ve hastalanan ABD nüfusuyla başa çıkmak için tıbbi ve farmasötik ürünlere yönelik talebin artmasıdır. ⓘ

Biyoyakıtlara yönelik artan talebin biyoteknoloji sektörü için iyi bir haber olması beklenmektedir; Enerji Bakanlığı etanol kullanımının 2030 yılına kadar ABD'nin petrol türevi yakıt tüketimini %30'a kadar azaltabileceğini tahmin etmektedir. Biyoteknoloji sektörü, zararlılara ve kuraklığa karşı direnç gösteren genetiği değiştirilmiş tohumlar geliştirerek ABD tarım endüstrisinin biyoyakıtların ana girdileri olan mısır ve soya fasulyesi arzını hızla artırmasını sağlamıştır. Biyoteknoloji, çiftlik verimliliğini artırarak biyoyakıt üretimini de artırmaktadır. ⓘ

Örnekler

Biyoteknolojinin sağlık hizmetleri (tıbbi), bitkisel üretim ve tarım, mahsullerin ve diğer ürünlerin gıda dışı (endüstriyel) kullanımları (örneğin, biyolojik olarak parçalanabilen plastikler, bitkisel yağ, biyoyakıtlar) ve çevresel kullanımlar dahil olmak üzere dört ana endüstriyel alanda uygulamaları vardır. ⓘ

Örneğin, biyoteknolojinin bir uygulaması, organik ürünlerin üretimi için mikroorganizmaların yönlendirilmiş kullanımıdır (örnek olarak bira ve süt ürünleri verilebilir). Bir başka örnek de madencilik endüstrisinin doğal olarak bulunan bakterileri biyolojik liç işleminde kullanmasıdır. Biyoteknoloji aynı zamanda geri dönüşüm, atıkların arıtılması, endüstriyel faaliyetler nedeniyle kirlenmiş alanların temizlenmesi (biyoremediasyon) ve biyolojik silahların üretilmesi için de kullanılmaktadır. ⓘ

Biyoteknolojinin çeşitli dallarını tanımlamak için bir dizi türetilmiş terim üretilmiştir, örneğin:

• Biyoinformatik ("altın biyoteknoloji" olarak da adlandırılır), hesaplama tekniklerini kullanarak biyolojik sorunları ele alan ve biyolojik verilerin analizinin yanı sıra hızlı bir şekilde düzenlenmesini mümkün kılan disiplinler arası bir alandır. Bu alan hesaplamalı biyoloji olarak da adlandırılabilir ve "biyolojiyi moleküller açısından kavramsallaştırmak ve daha sonra bu moleküllerle ilişkili bilgileri büyük ölçekte anlamak ve düzenlemek için bilişim tekniklerini uygulamak" olarak tanımlanabilir. Biyoinformatik, fonksiyonel genomik, yapısal genomik ve proteomik gibi çeşitli alanlarda kilit bir rol oynamakta ve biyoteknoloji ve ilaç sektöründe önemli bir bileşen oluşturmaktadır.
• Mavi biyoteknoloji, ürünler ve endüstriyel uygulamalar yaratmak için deniz kaynaklarının kullanılmasına dayanmaktadır. Biyoteknolojinin bu dalı, esas olarak fotosentetik mikro-alglerle biyo-yağ üretimi üzerine rafine etme ve yakma endüstrileri için en çok kullanılanıdır.
• Yeşil biyoteknoloji, tarımsal süreçlere uygulanan biyoteknolojidir. Mikroçoğaltım yoluyla bitkilerin seçilmesi ve evcilleştirilmesi buna bir örnektir. Bir başka örnek de transgenik bitkilerin kimyasalların varlığında (veya yokluğunda) belirli ortamlarda yetişecek şekilde tasarlanmasıdır. Bir umut, yeşil biyoteknolojinin geleneksel endüstriyel tarımdan daha çevre dostu çözümler üretebileceğidir. Bunun bir örneği, bir bitkinin bir pestisiti ifade edecek şekilde mühendisliğinin yapılması ve böylece pestisitlerin dışarıdan uygulanması ihtiyacının ortadan kaldırılmasıdır. Buna örnek olarak Bt mısır verilebilir. Bunun gibi yeşil biyoteknoloji ürünlerinin nihai olarak daha çevre dostu olup olmadığı önemli bir tartışma konusudur. Genellikle, biyotik ve abiyotik strese karşı daha verimli ve dayanıklı bitkilerin üretilmesini sağlayan ve çevre dostu gübrelerin uygulanmasını ve biyopestisitlerin kullanılmasını sağlayan teknolojileri kullanarak dünyadaki açlığı ortadan kaldırmaya yönelik bir platform olarak görülebilecek yeşil devrimin bir sonraki aşaması olarak kabul edilir ve esas olarak tarımın geliştirilmesine odaklanır. Öte yandan, yeşil biyoteknolojinin bazı kullanımları, atıkları temizlemek ve azaltmak için mikroorganizmaları içerir.
• Kırmızı biyoteknoloji, biyoteknolojinin tıp ve ilaç endüstrilerinde ve sağlığın korunmasında kullanılmasıdır. Bu dal aşı ve antibiyotik üretimini, rejeneratif tedavileri, yapay organların yaratılmasını ve hastalıkların yeni teşhis yöntemlerini içerir. Hormonların, kök hücrelerin, antikorların, siRNA'nın ve teşhis testlerinin geliştirilmesini de kapsar.
• Endüstriyel biyoteknoloji olarak da bilinen beyaz biyoteknoloji, endüstriyel süreçlere uygulanan biyoteknolojidir. Bir organizmanın yararlı bir kimyasal üretmek üzere tasarlanması buna bir örnektir. Bir başka örnek de enzimlerin değerli kimyasallar üretmek ya da tehlikeli/kirletici kimyasalları yok etmek için endüstriyel katalizör olarak kullanılmasıdır. Beyaz biyoteknoloji, endüstriyel ürünler üretmek için kullanılan geleneksel süreçlerden daha az kaynak tüketme eğilimindedir.
• "Sarı biyoteknoloji" biyoteknolojinin gıda üretiminde (gıda endüstrisi), örneğin fermantasyon yoluyla şarap (şarapçılık), peynir (peynircilik) ve bira (biracılık) yapımında kullanılmasını ifade eder. Ayrıca böceklere uygulanan biyoteknolojiye atıfta bulunmak için de kullanılmıştır. Bu, zararlı böceklerin kontrolü için biyoteknoloji temelli yaklaşımları, araştırma için böceklerin aktif bileşenlerinin veya genlerinin karakterizasyonu ve kullanımını veya tarım ve tıpta uygulama ve çeşitli diğer yaklaşımları içerir.
• Gri biyoteknoloji çevresel uygulamalara adanmıştır ve biyoçeşitliliğin korunması ve kirleticilerin uzaklaştırılmasına odaklanmıştır.
• Kahverengi biyoteknoloji, kurak toprakların ve çöllerin yönetimiyle ilgilidir. Bir uygulama, kurak bölgelerin aşırı çevresel koşullarına direnen geliştirilmiş tohumların oluşturulmasıdır; bu da inovasyon, tarım tekniklerinin oluşturulması ve kaynakların yönetimi ile ilgilidir.
• Mor biyoteknoloji, biyoteknolojiyle ilgili hukuk, etik ve felsefi konularla ilgilidir.
• Koyu biyoteknoloji biyoterörizm veya biyolojik silahlar ve insanlarda, çiftlik hayvanlarında ve mahsullerde hastalıklara ve ölüme neden olmak için mikroorganizmaları ve toksinleri kullanan biyolojik savaş ile ilişkili renktir. ⓘ

2020'de Nobel Kimya ödülü alan Emmanuelle Charpentier ve Jennifer A. Doudna, tarafından icat edilen genetik düzenleme teknolojisi CRİSPR/Cas9, Kümelenmiş Düzenli Aralıklı Kısa Palindromik Tekrar Dizileri (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) isminin kısaltılmışıdır. 2005 yılında CRISPR genleri üzerine çalışan 3 farklı grubun araştırmaları ve keşfi ile kanıtlandı. Araştırmalar sonucu keşfedilen şey, CRISPR kümelerinde bulunan aralık genlerinin, o canlıyı enfekte eden bazı virüsler ile aynı dizilime sahip olduğuydu. Bir virüs DNA’sı ile aynı dizilime sahip aralık genine sahip olmak, o virüse karşı bir direnç oluşturuyordu.aktif bir Cas9, DNA’yı yüksek hassaslıkta ve doğrulukta kesebilmeleri için gereken tek şey o DNA’nın dizisini kesebilecek bir makastı. Bundan hareketle DNA’nın bu baz dizisine denk gelen RNA molekülü oluşturuldu ve bu RNA molekülü Cas9 proteini ile birleştirilerek bir kompleks yapıldı. ⓘ

CRİSPR/Cas9: Cas9 isimli DNA kesebilen bir enzim ve Guide RNA denilen Cas9 enziminin kesilinmesini istediği yere götüren bir "rehber RNA"dan oluşur. Bu teknoloji sayesinde insanlık DNA'sı değiştirilebilen insanlar yaratabilir. ⓘ

Tıp

Tıpta, modern biyoteknolojinin farmasötik ilaç keşifleri ve üretimi, farmakogenomik ve genetik test (veya genetik tarama) gibi alanlarda birçok uygulaması vardır. ⓘ

DNA mikro dizi çipi - bazıları aynı anda bir milyon kadar kan testi yapabilmektedir ⓘ

Farmakogenomik (farmakoloji ve genomiğin birleşimi), genetik yapının bir bireyin ilaçlara verdiği yanıtı nasıl etkilediğini analiz eden teknolojidir. Bu alandaki araştırmacılar, gen ifadesini veya tek nükleotid polimorfizmlerini bir ilacın etkinliği veya toksisitesi ile ilişkilendirerek genetik varyasyonun hastalardaki ilaç yanıtları üzerindeki etkisini araştırmaktadır. Farmakogenomiğin amacı, minimum yan etki ile maksimum etkinlik sağlamak üzere, ilaç tedavisini hastaların genotipine göre optimize etmek için rasyonel araçlar geliştirmektir. Bu tür yaklaşımlar, ilaçların ve ilaç kombinasyonlarının her bireyin kendine özgü genetik yapısı için optimize edildiği "kişiselleştirilmiş tıbbın" ortaya çıkmasını vaat etmektedir. ⓘ

Üç katlı simetriyi, onu bir arada tutan çinko iyonlarını ve çinko bağlanmasında rol oynayan histidin kalıntılarını vurgulayan insülin hekzamerlerinin bilgisayarda oluşturulmuş görüntüsü ⓘ

Biyoteknoloji, geleneksel küçük moleküllü farmasötik ilaçların yanı sıra biyoteknoloji ürünü olan ilaçların - biyofarmasötiklerin - keşfedilmesine ve üretilmesine katkıda bulunmuştur. Modern biyoteknoloji, mevcut ilaçları nispeten kolay ve ucuz bir şekilde üretmek için kullanılabilmektedir. Genetiği değiştirilmiş ilk ürünler, insan hastalıklarını tedavi etmek için tasarlanmış ilaçlardı. Bir örnek vermek gerekirse, 1978 yılında Genentech, genini Escherichia coli bakterisine yerleştirilen bir plazmid vektörüyle birleştirerek sentetik insanlaştırılmış insülin geliştirdi. Diyabet tedavisinde yaygın olarak kullanılan insülin, daha önce mezbaha hayvanlarının (sığır veya domuz) pankreasından elde ediliyordu. Genetiği değiştirilmiş bakteriler nispeten düşük maliyetle büyük miktarlarda sentetik insan insülini üretebilmektedir. Biyoteknoloji ayrıca gen terapisi gibi yeni tedavi yöntemlerine de olanak sağlamıştır. Biyoteknolojinin temel bilime uygulanması (örneğin İnsan Genom Projesi aracılığıyla) biyoloji anlayışımızı da önemli ölçüde geliştirmiştir ve normal ve hastalık biyolojisine ilişkin bilimsel bilgimiz arttıkça, daha önce tedavi edilemeyen hastalıkları tedavi etmek için yeni ilaçlar geliştirme becerimiz de artmıştır. ⓘ

Genetik testler, kalıtsal hastalıklara karşı zayıflıkların genetik olarak teşhis edilmesini sağlar ve ayrıca bir çocuğun ebeveynliğini (genetik anne ve baba) veya genel olarak bir kişinin soyunu belirlemek için kullanılabilir. Kromozomları tek tek genler düzeyinde incelemeye ek olarak, daha geniş anlamda genetik testler, genetik hastalıkların olası varlığı için biyokimyasal testleri veya genetik bozuklukların gelişme riskinin artmasıyla ilişkili genlerin mutant formlarını içerir. Genetik testler kromozomlar, genler veya proteinlerdeki değişiklikleri tanımlar. Çoğu zaman, testler kalıtsal bozukluklarla ilişkili değişiklikleri bulmak için kullanılır. Bir genetik testin sonuçları, şüphelenilen bir genetik durumu doğrulayabilir veya ekarte edebilir veya bir kişinin genetik bir bozukluk geliştirme veya aktarma şansını belirlemeye yardımcı olabilir. 2011 yılı itibariyle birkaç yüz genetik test kullanımdadır. Genetik testler etik veya psikolojik sorunlara yol açabileceğinden, genetik testlere genellikle genetik danışmanlık eşlik eder. ⓘ

Tarım

Genetiği değiştirilmiş mahsuller ("GM mahsuller" veya "biyoteknolojik mahsuller") tarımda kullanılan, DNA'sı genetik mühendisliği teknikleriyle değiştirilmiş bitkilerdir. Çoğu durumda temel amaç, türde doğal olarak bulunmayan yeni bir özellik kazandırmaktır. Biyoteknoloji firmaları, kentsel tarımın besleyiciliğini ve uygulanabilirliğini geliştirerek gelecekteki gıda güvenliğine katkıda bulunabilir. Ayrıca, fikri mülkiyet haklarının korunması, özel sektörün agrobiyoteknolojiye yatırım yapmasını teşvik etmektedir. ⓘ

Gıda ürünlerindeki örnekler arasında belirli zararlılara, hastalıklara, stresli çevre koşullarına direnç, kimyasal işlemlere direnç (örneğin bir herbisite direnç), bozulmanın azaltılması veya ürünün besin profilinin iyileştirilmesi yer almaktadır. Gıda dışı ürünlerdeki örnekler arasında farmasötik maddelerin, biyoyakıtların ve diğer endüstriyel olarak faydalı ürünlerin üretimi ve biyoremediasyon yer almaktadır. ⓘ

Çiftçiler GD teknolojisini geniş ölçüde benimsemiştir. 1996 ve 2011 yılları arasında GD ürünlerle ekilen arazilerin toplam yüzölçümü 94 kat artarak 17.000 kilometrekareden (4.200.000 dönüm) 1.600.000 km²'ye (395 milyon dönüm) ulaşmıştır. 2010 yılında dünyadaki ekin alanlarının %10'u GD ürünlerle ekilmiştir. 2011 yılı itibariyle ABD, Brezilya, Arjantin, Hindistan, Kanada, Çin, Paraguay, Pakistan, Güney Afrika, Uruguay, Bolivya, Avustralya, Filipinler, Myanmar, Burkina Faso, Meksika ve İspanya gibi 29 ülkede 395 milyon dönüm (160 milyon hektar) alanda 11 farklı transgenik ürün ticari olarak yetiştirilmektedir. ⓘ

Genetiği değiştirilmiş gıdalar, genetik mühendisliği yöntemleriyle DNA'larına belirli değişiklikler eklenmiş organizmalardan üretilen gıdalardır. Bu teknikler, yeni mahsul özelliklerinin yanı sıra, bir gıdanın genetik yapısı üzerinde daha önce seçici ıslah ve mutasyon ıslahı gibi yöntemlerle sağlanandan çok daha fazla kontrol sağlanmasına olanak tanımıştır. Genetiği değiştirilmiş gıdaların ticari satışı 1994 yılında Calgene'in Flavr Savr gecikmeli olgunlaşan domatesini ilk kez pazarlamasıyla başlamıştır. Bugüne kadar gıdaların genetik modifikasyonunun çoğu öncelikle soya fasulyesi, mısır, kanola ve pamuk tohumu yağı gibi çiftçiler tarafından yüksek talep gören nakit ürünlere odaklanmıştır. Bunlar patojenlere ve herbisitlere karşı direnç ve daha iyi besin profilleri için tasarlanmıştır. GD çiftlik hayvanları da deneysel olarak geliştirilmiştir; Kasım 2013'te hiçbiri piyasada mevcut değildi, ancak 2015'te FDA ticari üretim ve tüketim için ilk GD somonu onayladı. ⓘ

GD ürünlerden elde edilen mevcut gıdaların insan sağlığı açısından geleneksel gıdalardan daha büyük bir risk teşkil etmediği, ancak her GD gıdanın piyasaya sürülmeden önce vaka bazında test edilmesi gerektiği konusunda bilimsel bir fikir birliği bulunmaktadır. Bununla birlikte, halkın GD gıdaları güvenli bulma olasılığı bilim insanlarına göre çok daha düşüktür. GD gıdaların yasal ve düzenleyici statüsü ülkeden ülkeye değişmekte olup, bazı ülkeler bu gıdaları yasaklamakta veya kısıtlamakta, diğerleri ise geniş ölçüde farklı düzenleme dereceleri ile izin vermektedir. ⓘ

GD mahsuller, aşırı kullanılmadıkları takdirde bir dizi ekolojik fayda da sağlamaktadır. Ancak muhalifler, çevresel kaygılar, GD ürünlerden üretilen gıdaların güvenli olup olmadığı, dünyanın gıda ihtiyacını karşılamak için GD ürünlere ihtiyaç olup olmadığı ve bu organizmaların fikri mülkiyet hukukuna tabi olmasından kaynaklanan ekonomik kaygılar gibi çeşitli gerekçelerle GD ürünlere karşı çıkmaktadır. ⓘ

Endüstriyel

Endüstriyel biyoteknoloji (özellikle Avrupa'da beyaz biyoteknoloji olarak bilinir), endüstriyel fermantasyon da dahil olmak üzere biyoteknolojinin endüstriyel amaçlar için uygulanmasıdır. Kimyasallar, gıda ve yem, deterjanlar, kağıt ve kağıt hamuru, tekstil ve biyoyakıtlar gibi sektörlerde endüstriyel olarak faydalı ürünler üretmek için mikroorganizmalar gibi hücrelerin veya enzimler gibi hücre bileşenlerinin kullanılması uygulamasını içerir. İçinde bulunduğumuz on yıllarda, endüstriyel biyoteknolojinin uygulama çeşitliliğini ve ekonomik uygulanabilirliğini artıran genetiği değiştirilmiş organizmaların (GDO'lar) yaratılmasında önemli ilerlemeler kaydedilmiştir. Endüstriyel biyoteknoloji, çeşitli kimyasallar ve yakıtlar üretmek için yenilenebilir hammaddeler kullanarak sera gazı emisyonlarını azaltma ve petrokimya temelli ekonomiden uzaklaşma yolunda aktif bir şekilde ilerlemektedir. ⓘ

Sentetik biyoloji, imalat sektörüne sağladığı finansal ve sürdürülebilir katkı nedeniyle endüstriyel biyoteknolojinin temel köşe taşlarından biri olarak kabul edilmektedir. Biyoteknoloji ve sentetik biyoloji birlikte, fosil bazlı üretim yerine biyo-bazlı üretim kullanarak doğa dostu özelliklere sahip uygun maliyetli ürünlerin üretilmesinde önemli bir rol oynamaktadır. Sentetik biyoloji, Escherichia coli gibi model mikroorganizmaların genom düzenleme araçlarıyla ilaçların ve biyoyakıtların biyoüretimi gibi biyo-bazlı ürünler üretme yeteneklerini geliştirmek için kullanılabilir. Örneğin, bir konsorsiyumdaki E. coli ve Saccharomyces cerevisiae, iki mikrobun faydalarından yararlanmak için bir ortak kültür yaklaşımında metabolik mühendislik uygulanarak kemoterapötik ajan paklitakselin öncüllerini üretmek için endüstriyel mikroplar olarak kullanılabilir. ⓘ

Endüstriyel biyoteknolojide sentetik biyoloji uygulamalarına bir başka örnek de, E. coli'nin metabolik yollarının CRISPR ve CRISPRi sistemleri ile elyaf üretiminde kullanılan ve 1,4-bütandiol olarak bilinen bir kimyasalın üretimine yönelik olarak yeniden tasarlanmasıdır. Yazarlar, 1,4-bütandiol üretmek için Escherichia coli'nin metabolik düzenlemesini CRISPR ile değiştirerek gltA geninde nokta mutasyonu, sad geninin nakavt edilmesi ve altı genin (cat1, sucD, 4hbd, cat2, bld ve bdh) nakavt edilmesini sağlamışlardır. CRISPRi sistemi ise 1,4-bütandiolün biyosentez yolunu etkileyen üç rakip geni (gabD, ybgC ve tesB) nakavt etmek için kullanılmıştır. Sonuç olarak, 1,4-bütandiol verimi 0,9'dan 1,8 g/L'ye önemli ölçüde artmıştır. ⓘ

Çevresel

Çevresel biyoteknoloji, çevresel atıkların azaltılmasında ve biyofiltrasyon ve biyolojik bozunma gibi çevresel açıdan güvenli süreçlerin sağlanmasında önemli bir rol oynayan çeşitli disiplinleri içermektedir. Çevre, biyoteknolojilerden hem olumlu hem de olumsuz yönde etkilenebilir. Vallero ve diğerleri, faydalı biyoteknoloji (örneğin, biyoremediasyon bir petrol sızıntısını veya tehlikeli kimyasal sızıntıyı temizlemektir) ile biyoteknolojik girişimlerden kaynaklanan olumsuz etkiler (örneğin, transgenik organizmalardan yabani türlere genetik materyal akışı) arasındaki farkın sırasıyla uygulamalar ve sonuçlar olarak görülebileceğini savunmuştur. Çevresel atıkların temizlenmesi çevresel biyoteknolojinin bir uygulama örneğiyken, biyoçeşitlilik kaybı veya zararlı bir mikrobun kontrol altına alınamaması biyoteknolojinin çevresel etkilerine örnektir. ⓘ

Yönetmelik

Genetik mühendisliğinin düzenlenmesi, genetik mühendisliği teknolojisinin kullanımı ve genetiği değiştirilmiş ürünler ve genetiği değiştirilmiş balıklar da dahil olmak üzere genetiği değiştirilmiş organizmaların (GDO) geliştirilmesi ve serbest bırakılması ile ilgili riskleri değerlendirmek ve yönetmek için hükümetler tarafından alınan yaklaşımlarla ilgilidir. GDO'ların düzenlenmesinde ülkeler arasında farklılıklar bulunmakta olup, en belirgin farklılıklardan bazıları ABD ve Avrupa arasında ortaya çıkmaktadır. Düzenleme, belirli bir ülkede genetik mühendisliği ürünlerinin kullanım amacına bağlı olarak değişmektedir. Örneğin, gıda amaçlı olmayan bir ürün genellikle gıda güvenliğinden sorumlu yetkililer tarafından incelenmez. Avrupa Birliği, AB içinde ekim için verilen onay ile ithalat ve işleme için verilen onay arasında ayrım yapmaktadır. AB'de sadece birkaç GDO'nun ekimi için onay verilmişken, bir dizi GDO'nun ithalatı ve işlenmesi için onay verilmiştir. GDO'ların ekimi, GDO'lu ve GDO'suz ürünlerin bir arada var olması konusunda bir tartışmayı tetiklemiştir. Bir arada yaşama düzenlemelerine bağlı olarak, GD ürünlerin yetiştirilmesine yönelik teşvikler farklılık göstermektedir. ⓘ

Öğrenme

1988 yılında Birleşik Devletler Kongresi'nin teşvikiyle Ulusal Genel Tıp Bilimleri Enstitüsü (Ulusal Sağlık Enstitüleri) (NIGMS) biyoteknoloji eğitimi için bir fon mekanizması oluşturmuştur. Ülke çapındaki üniversiteler Biyoteknoloji Eğitim Programları (BTP'ler) kurmak için bu fonlar için yarışmaktadır. Her başarılı başvuru genellikle beş yıl süreyle finanse edilmekte ve daha sonra rekabetçi bir şekilde yenilenmesi gerekmektedir. Lisansüstü öğrenciler de bir BTP'ye kabul edilmek için yarışır; kabul edilirlerse, doktora tez çalışmaları sırasında iki veya üç yıl boyunca burs, öğrenim ücreti ve sağlık sigortası desteği sağlanır. On dokuz kurum NIGMS destekli BTP'ler sunmaktadır. Biyoteknoloji eğitimi ayrıca lisans düzeyinde ve toplum kolejlerinde de verilmektedir. ⓘ

Uygulamalar

• Canlı Klonlama

5 Temmuz 1996'da Dolly isimli bir koyun klonlandı. Bir koyunun meme dokusundan bir hücre alarak bunu çekirdeği çıkartılmış bir yumurtaya aktarıldı ve elektrik şoku verilerek Dolly oluşturuldu. ⓘ

• İnsan sağlığına yönelik olarak proteinlerin üretilmesi
• Bazı hormon, antikor, vitamin ve antibiyotik üretilmesi
• Çok zor şartlara sahip çevrelerde (sıcak, kurak,tuzlu...) yaşayan organizmaların enzimlerini ve biyomoleküllerini saflaştırarak bunların sanayide kullanılması
• Yeni sebze ve meyve üretimi
• İnsandaki zararlı genlerin elemine edilmesi
• Aşı, pestisit, tıbbi bitki üretimi
• İnsanın zarar görmüş veya işlevini kaybetmiş organ ve dokularının değiştirilmesi için yapay organ ve doku üretimi ⓘ

Açık kaynaklı biyoteknoloji

Açık kaynaklı biyoteknoloji açık kaynaklı fikirlerin gelişirildiği ve desteklendiği kurumlar, açık kaynaklı yazılımlar ve açık kaynaklı veritabanları ve veri paylaşım formatlarından oluşmaktadır. ⓘ