Anvendelser av marine bioteknologi

Noen av de mest aktuelle anvendelsene av akvakultur / marine bioteknologi er følgende:

akvakultur:

Næringsmiddelorganisasjonen (FAO) definerer akvakultur som "kulturen til akvatiske organismer, inkludert fisk, bløtdyr, krepsdyr og vannplanter. Kultur innebærer en form for intervensjon i oppdrettsprosessen for å øke produksjonen - inkludert strømpe, fôring, beskyttelse mot rovdyr etc.

Kultur innebærer også at det enkelte eller bedriftens eierskap av bestanden blir dyrket ". Enkelt sagt betyr akvakultur manipulering og forbedring av produksjonen av akvatiske vesener. Denne praksisen har en betydelig betydning for sjømatindustrien.

Verdens etterspørselen etter sjømat er i ferd med å skyte opp med sytti prosent i de neste trettifem årene. Og med sjømathøsten fra fiskeriene blir gradvis nedgang, er industrien truet av en stor mangel i de kommende årene.

Bruken av moderne bioteknologiske verktøy for oppdrett og forbedring av produksjon av akvatiske arter kan ikke bare bidra til å imøtekomme globale krav til sjømat, men også forbedre akvakulturoppdrett i seg selv. Disse teknikkene forbedrer også helse, reproduksjon, utvikling og vekst av vannlevende organismer, og dermed fremme tverrfaglig utvikling av miljøfølsomme og bærekraftige systemer. Dette vil igjen føre til betydelig kommersialisering av akvakultur.

transgen:

Transgen fisk:

Konvensjonell fiskeavl er basert på valg av fiskebønden for å forbedre de ønskelige egenskapene i fisken. Denne prosessen er imidlertid langsom og uforutsigbar. Nye molekylære verktøy er mye mer effektive når det gjelder å identifisere, isolere og konstruere gener som er ansvarlige for ønskelige egenskaper, og deretter overføre dem til brystet.

Produksjonen av transgen fisk er faktisk mye enklere enn å produsere andre transgene pattedyr. Dette skyldes at fisk produserer et stort antall egg (fra flere dusin til flere tusen), som kan generere store mengder genetisk ensartet materiale for eksperimentering.

For eksempel produserer sebrafisken (Brachydanio rerio) 1, 50 400 egg, Atlantisk laks (Salmo salar) 500 015 000, og den vanlige karperen (Cyprinus carpio) produserer mer enn 1, 000 000 egg. Dessuten krever prosessen ingen manipulasjon når generene har blitt overført gjennom fiskeegg. Vedlikehold av et fiskekluteri er således ikke veldig dyrt, spesielt i motsetning til befruktet pattedyrtransformasjon.

Sykdomsbestandighet:

Molekylærbiologi gir verdifull informasjon om livssykluser og mekanismer for patogenese, antibiotikaresistens og sykdomsoverføring. Denne informasjonen kan forbedre vår forståelse av vertsimmunitet, resistens, følsomhet for sykdommer og tilhørende patogener.

Slik forståelse har stor betydning for den marine industrien. For eksempel legger høyt tetthets kulturbetingelser for akvakultur mye stress på fisk, noe som gjør det ekstremt sårbart for infeksjon. Et stort utbrudd av denne typen setter tungt på hele landbruksoperasjonen, og forårsaker store tap for næringen. Dette kan unngås ved å utvikle robuste stammer av fisk som tåler en rekke sykdommer.

Moderne vitenskap gir enorme muligheter for å forbedre helsen og trivselene hos dyrkede akvatiske organismer, samt redusere overføring av sykdommer fra villaksorter. Flere transgene tilnærminger har blitt brukt til å øke kapasiteten mot sykdomsresistens hos fisk. Antisense- og ribozymteknologi brukes til å nøytralisere eller ødelegge viral RNA. For eksempel forårsaker hematopoietisk nekrosevirus (HNV) alvorlig dødelighet hos laksefisk, og nøytralisering av dette viruset kan forbedre lakseveksten.

En annen metode er å uttrykke de virale kappeproteiner (som 66kDa G-proteinet av HNV) i vertsmembranen. Dette vil bevirke bindingen til reseptorbindingssteder, og konkurrerer dermed med de virale bindingssteder, minimerer viral penetrasjon. Joann Leong og hans gruppe ved. Oregon State University har rapportert denne studien.

Imidlertid er den mest effektive metoden for å bekjempe sykdomsinfeksjon å øke vertsens eget immunsystem ved å uttrykke antimikrobielle og antibakterielle stoffer. Antibakterielle peptider som maganiner og lysozym blir testet for å øke vertens forsvarsrespons mot et bredt spekter av patogener.

Omvendt transkriptase-polymerasekjedereaksjonsteknikk (RT-PCR) har gjort det mulig å identifisere og oppdage akvatisk birnavirus. Disse virusene danner den største og mest varierte gruppen innen familien Birnaviridae, som inkluderer virus fra mange arter av fisk og hvirvelløse dyr.

Mange av disse artene forårsaker sykdommer i dyrket så vel som villt ferskvann og marine arter. RT-PCR-analysen er en rask og pålitelig erstatning for cellekulturmetoder for påvisning av fiskesykdomsmidler som pankreasnekrose-viruset. Det kan også forbedre forebygging og kontroll av fiskesykdommer.

En annen betydelig bruk av marine bioteknologi har blitt sett på University of California, hvor forskere har dechifisert årsaken til en svært smittsom og dødelig sykdom som plager akvakulturen av hvit stein. Ved hjelp av genmanipulasjoner har disse forskerne utviklet protokoller for å oppdage tilstedeværelsen av den hvite Strugeon iridovirus, som vil bidra til å utvikle sykdomsfrie avlsstammer.

Frysebestandig fisk:

Rekombinante teknikker kan brukes til å overføre et antifreeze protein (AFP) gen for å gi frysebestandighet på forskjellige arter. AFP er produsert av flere kaldt vann marine teleosts (som vinterflundre, havpute, sjøkjerne, shorthorn sculpin). Disse proteinene forhindrer iskrystalldannelse i blodet, og dermed beskytter fisken mot frysing.

Dessverre bærer mange kommersielt viktige fisk som atlanterhavslaks ikke slike gener og kan dermed ikke overleve under-null temperaturer. Utvikling av transgen Atlantisk laks ved å legge til dette genet kan være svært fruktbart for fiskeindustrien. AFP har også blitt rapportert å gi hypotermisk beskyttelse mot grisocyter og kan være nyttig ved kald beskyttelse. Transgenisk gullfisk med AFP-genet overlever også bedre i lave temperaturer.

Vekst rate :

Genetiske manipulasjoner kan i betydelig grad øke vekstraten i fiskekultur. En metode er mikroinjeksjon av veksthormonegener til befruktede laksegg. Dette har akselerert vekstratene med tretti til seksti prosent. Å legge en ekstra kopi av veksthormongenet i et fiskembryo (tilapia) i et tidlig stadium har også økt vekstfrekvensen femfoldig.

Reproduksjon :

Reproduksjon er et viktig tema for fiskeoppdrettsindustrien. Etter hvert som fisken er voksen, blir veksten redusert og kjøttets kvalitet forverres. Bioteknologiske metoder for å undertrykke modningsprosessen kan være fordelaktig brukt for å opprettholde kvaliteten på slike fisk. Disse teknikkene kan også brukes til å regulere reproduksjon av enkelte arter av fisk ved å utvikle ikke-reproduktive (sterile) arter.

Slike arter har enorm kommersiell verdi, da monoseksuelle organismer eller steriliserte arter ikke har noen risiko for farm-to-wild-interaksjon. Disse artene gjør det også mulig å rekonstruere bestand av konservert sæd, og gi genmarkører for lageridentifikasjon. Dermed bidrar disse teknikkene til bevaring av vill ressurs.

Forskere har også utviklet teknikker for bruk av modifiserte virale partikler (retrovirale vektorer) for å endre genet til en marine hvirvelløse dyr. Dette er den første anvendelsen av molekylærbiologi hvor endringen av DNA i en marine organisme har blitt vist. Det er nå mulig å genetisk endre dvergen surf-clam ved hjelp av en ny viral konvolutt, som lar vektoren komme inn i nesten hvilken som helst type celle.

I andre betydelige fremskritt har forskere utviklet et "reportergen" til vektorer. Dette reportergenet beordrer det befruktede surfclam-egget for å gi ut en blå farge, som er indikativ for genimplantasjon.

Dette arbeidet forventes å gi et nytt verktøy for å bekjempe sykdommer som angriper kommersielle lagre av østers, muslinger og abalone. Når genene som er ansvarlige for å beskytte kultiverte skalldyr fra sykdom, er identifisert, kan retrovirale vektorer brukes til å levere disse beskyttende gener direkte inn i stammen.

Teknikker som elektroporasjon er effektive ved å introdusere fremmed DNA i abalone (fisk) embryoer. Forskere ved Universitetet i Minnesota har med hell brukt genetiske isolator-sekvenser (hentet fra kylling og fruktfly DNA) i fisk, og har oppdaget genkontrollere som fungerer best for å slå på fremmede gener.

Bevaring:

Molekylære verktøy kan brukes til å identifisere og karakterisere viktig akvatisk kimplasma, inkludert mange truede arter. Disse verktøyene har gjort det mulig å analysere genomene til mange akvatiske arter. De har også hjulpet oss med å forstå det molekylære grunnlaget for genregulering, uttrykk og sexbestemmelse. Dette kan forbedre metodene for å definere arter, bestander og populasjoner.

Slike molekylære tilnærminger inkluderer:

1. Utvikling av markørassistert utvalgsteknologi

2. Forbedre presisjon og effektivitet av transgene teknikker

3. DNA fingeravtrykk for å kjenne polymorfisme i fiskebestander

4. Bedre teknologier for cryo-bevaring av gameter og embryoer

Disse teknikkene kan hjelpe oss med å opprettholde biodiversiteten til de naturlige økosystemene. Bioteknologiske verktøy kan også brukes til å utvikle hormonprotokoller som styrer gytingen av økonomisk viktig fisk som atlantisk laks, strippet bass, flunder, sjøbrems, havabbor og noen marine tropiske.

Tang og deres produkter:

Tang er marine alger (makroalger) som eksisterer i havmiljøet. Dette er sjøhus som mangler sanne stammer, røtter og blader. På samme måte som landplanter, har seier også fotosyntetisk maskineri og bruker sollys til å produsere mat og oksygen fra karbondioksid og vann. De fleste tang er rød (5500 sp.), Brun (2000 sp.) Eller grønn (1200 sp.).

Tang er en rik kilde til mat, fôr og en rekke industrielt viktige kjemiske forbindelser. Faktisk er tang en milliard dollar industri. Den mest verdsede tang er de røde alger Porphyra eller nori, som er en viktig kilde til menneskelig mat over hele verden. Dens verdensomspennende produksjon står på omtrent fjorten milliarder ark, og er verdsatt til rundt 1, 8 milliarder dollar hvert år.

De andre spiselige tangene inkluderer Gracilaria, Undaria, Laminaria og Caulerpa. Industrielt viktige tang for karragener inkluderer arter som Chondrus, Eucheuma og Kappaphycus, alginater (Ascophyllum, Laminaria, Macrocystis) og agar-agar (Geledium og Gracilaria). Disse viktige polysaccahrides, også kalt phycocolloides, blir anerkjent over hele verden for å være harmløse.

Agar-agar:

Agar er vanligvis ekstrahert fra røde ugress som Gelidium og Gracilaria. Agar inneholder to viktige komponenter - Agarose og Agropektin, som gjør agarforbindelsene ekstremt nyttige for papirfremstilling, kulturmedier, konservering av matvarer og emballasje, lær, meieri og kosmetikkindustrier.

Carrageenan-tallet:

Karrageenan er vanligvis ekstrahert fra arter av Eucheuma og Chondrus. Ulike former for karragener kalles kappa, lambda, iota, mu og epsilon. Nesten tjue prosent av karrageenanproduksjonen brukes av kosmetiske og farmasøytiske næringer som stabilisatorer av emulsjoner. Carrageenaner brukes også i kostholdsmat som stivelsesfrie desserter, salatdressinger, gelé, syltetøy, sirup og puddingsauser.

alginater:

Alginater er salter av natrium, kalsium eller kaliumalginat, og brukes i et bredt utvalg av produkter. Alginsyre blir vanligvis ekstrahert fra Laminaria, Ecklonia og Macrocystis. Alginater brukes som emulgatorer og emulsjonsstabilisatorer i kremer og lotioner. Natriumalginat fungerer som et smøremiddel i såper og barberkrem. Alginater brukes også i innkapsling av mikrober, plante- og dyreceller som brukes som metabolittprodusenter eller biokonvertere.

Terapeutiske agenter:

Den brede bruken av tangekstrakt i kosmetisk industri har gitt Thalassoterapi, hvor tang og ekstrakter brukes som terapeutiske midler. I behandling med thalassoterapi brukes sjøvann og tang til å virke på kroppene i kroppen for å avgifte og samtidig balansere pH i huden.

Tangene som brukes til denne terapi inkluderer Laminaria digitata, som er rik på vitaminer A, E, C og B, aminosyrer, hormoner og jod. Det øker metabolismen og stimulerer oksygenforbruket i cellene og lindrer varmeproduksjonen.

Andre forbindelser fra tang omfatter terpener, aminosyrer, fenoler, pyrrolsubstanser, arsenosugarer, steroler (som fukosterol), farger (som phycoerthrins fra røde alger og hines fra brune alger) og aminosyrer (som kondondri, gigartinin, kaininsyre eller β- karoten) har også stor verdi. Spirulina, de blå grønne bakteriene (cynobacteria) og Ascophyllum nodosum kan effektivt brukes som kostholdsstoffer, generelle tonics og foryngere.

Noen av de sulfaterte polysakkaridene fra røde, grønne og brune alger har også vist seg å ha antikoagulerende egenskaper. Disse inkluderer proteoglycaner av Codium fragile sp. atlanticum og lambda-karragenan og karragenan fra Grateloupia dichotoma. Disse forbindelsene viser lignende egenskaper som heparin funnet i pattedyrsvev, noe som bidrar til blodproppene. Disse ekstraktene tjener som et utmerket alternativ til heparin som brukes til å forhindre koronar trombose.

Noen sulfaterte polysakkarider har også antivirale egenskaper. Carrageenan er blitt brukt til å hemme Herpes Simplex Virus (HSV). Nylig har det blitt sett at carrageenan også hemmer Human Immunodeficiency Virus (HIV) ved å forstyrre HIV-infiserte fusjonsceller, og deretter hemme retrovirusenzym revers transkriptase.

Mange andre tang og deres produkter har direkte fordeler for menneskers helse. For eksempel er Laminaria-arter rik på jod, og kan brukes til å produsere diettdrikker og massasje kremer. Tilsvarende er Sargassum Muticumm rik på vitaminer E og K, Lithothamnion og Phymatolithon er rike på kalsiumkarbonat og sporstoffer. Molekylære verktøy kan bidra til å utnytte disse artene og høste viktige produkter fra dem.

Farmasi:

Forskere innen bioteknologi har isolert mange bioaktive stoffer fra havmiljøet, som har stort potensial for behandling av ulike menneskelige sykdommer. Forbindelsen 'Manoalide' fra en bestemt svamp har skapt mer enn tre hundre kjemiske analoger, hvorav mange har gått til kliniske studier som antiinflammatoriske midler. Forskere har også identifisert flere marine metabolitter som er aktive mot malaria parasitten Plasmodium falciparum.

I en studie utført ved University of Hawaii, har forskere rapportert om tilstedeværelsen av kompleks forbindelse 'Depsipeptid'. Små mengder av denne forbindelsen finnes i bløtdyret Elysia rufescens og i algenen som den mates på. Depsipeptid er aktiv mot svulster av lunger og tykktarm, og genetiske manipulasjoner av bløtdyr kan generere tilstrekkelige mengder av legemidlet til testing

Et annet stoff oppnådd fra marine planter og hvirvelløse dyr er 'Pseudopterosin'. Denne nye diterpen-glykosid hemmer betennelse. Selv om det blir mye brukt i kosmetikkindustrien i dag, forventes det også å lykkes med farmasøytisk industri etter kliniske forsøk.

Den Bryozoan 'Bugula neritina', en sakte voksende marine hvirvelløse dyr, har blitt rapportert å være en kilde til et potensielt stoff for leukemi. Legemidlet er tilstede i små mengder i eller på dyret. Siden uvirvelløse dyr lever i symbiotisk forhold med bakterien, syntetiserer bakterien det giftige stoffet for å beskytte bryozoan mot rovdyr, i bytte for plass hvor den kan vokse.

Forskere ved University of California prøver å bevise at stoffet kan produseres i store mengder av bakterien. Dessuten forsøker de å utvikle metoder for storskala kultur av bakterien. Ytterligere forskning er på for å løse hvordan stoffet kan isoleres.

enzymer:

Mange enzymer er også blitt isolert fra marine bakterier. Disse enzymene viser unike egenskaper som gjør dem i stand til å trives best i ekstreme miljøer. Noen av disse enzymer er motstandsdyktige mot varme og salt, noe som gjør dem nyttige for industriell prosess. La oss se på bruken av noen av disse enzymene.

De ekstracellulære proteaser kan brukes i vaskemidler og til industrielle rengjøringsapplikasjoner som rensing av omvendt osmose membraner. 'Vibrio alginolyticus' produserer proteaser, som virker som en uvanlig vaskemiddelresistent - alkalisk serinekprotease. Denne marine organismen produserer også 'Collagenase'-enzymet, som har mange industrielle og kommersielle anvendelser.

Studier har vist at alger inneholder et unikt haloperoksidase enzym, som katalyserer inkorporeringen av halogen i metabolitter. Disse enzymene er ekstremt nyttige, da halogenering er en viktig prosess i kjemisk industri.

Japanske forskere har også utviklet metoder for å indusere en marine alge til å produsere store mengder av enzym superoksidase dismutate, som har brede anvendelser innen medisinsk, kosmetisk og næringsmiddelindustri. Termostabile enzymer har en ekstra fordel i forskning og industrielle prosesser.

De viktige termostabile DNA-modifiserende enzymer inkluderer polymeraser, ligaser og restriksjonsendonukleaser. For eksempel var det en marine organisme hvorfra enzymet Taq. Polymerase ble isolert. Dette termostabile enzymet ble grunnlaget for polymerasekjedereaksjon.

Forskere fra Rutgers University i New Jersey har isolert et nytt enzym 'a-galactosidase' fra 'Thermotoga neapolitana'. Dette enzymet hydrolyserer melibiose-oligomerer. Disse oligomerer er hovedkomponenter av soya og andre bønneprodukter, som begrenser mengden soya som kan inkorporeres i dyrefoder for mono-gastriske dyr som griser og kyllinger (som de ikke kan fordøye oligomerer). Derfor kan galatosidase brukes til å fjerne melibiose og proteasehemmere fra soyaproduktene.

Forskere prøver også å skaffe DNA-polymeraser (fra bakterier), noe som vil øke effektiviteten av bioteknologiske prosesser under replikering av DNA. De studerer også kaldtolerante enzymer fra svært kalde, oceaniske miljøer.

De fleste enzymer involvert i de primære metabolske veiene til termofiliske bakterier er mer termostabile enn deres motstykker som finnes ved moderate temperaturer. En detaljert studie av enzymer fra termofiliske marine mikroorganismer kan i vesentlig grad bidra til forståelsen av mekanismer for enzym termostabilitet og dermed muliggjøre identifisering av enzymer egnet for industrielle anvendelser.

biomolekyler:

Nylige studier har vist at marine biokjemiske prosesser kan utnyttes for å produsere nye biomaterialer. Et Chicago-basert selskap har kommersialisert en ny klasse av bionedbrytbare polymerer som er modellert på naturlige stoffer, som danner de organiske matrices av bløtdyrskjell.

Mekanismene som brukes av marine diatomer, coccolithophorids, bløtdyr og andre marine virvelløse dyr for å generere utførlige mineraliserte strukturer, er veldig spennende på nanometer skalaen (mindre enn en milliarddel av en meter i størrelse).

Disse nanometerskala strukturer kan forbedre forståelsen av ingeniørprosesser for å skape biokjemi, som kan revolusjonere produksjonen av medisinske implantater, bildeler, elektroniske enheter, beskyttende belegg og andre nye produkter.

Bionedbrytbare polymerer:

Østerskaller gir en ny kilde til syntetiske bionedbrytbare polymerer med et bredt spekter av nyttige industrielle egenskaper. Disse polymerene brukes til vannbehandling og landbruksapplikasjoner. Donlar Corporation of Bed Ford Park, Illinois, har anslått at det potensielle markedet for slike produkter er verdt millioner av dollar.

Ved å bruke den naturlige frostvæskeforbindelsen som finnes i vinterflaske som modell, utvikler forskere også syntetiske frostvæskepeptider, som vil være biologisk nedbrytbare og bidra til å kontrollere isingen på fly, motorveier og landbruksavlinger.

bioremediation:

Bioremediering har et stort potensial for å løse problemer i marine miljøer og akvakultur. Denne prosessen kan bidra til å takle oljeutslipp, bevegelse av giftige kjemikalier fra land på grunn av utvasking, avhending av kloakk og kjemisk avfall, gjenvinning av mineraler som mangan og forvaltning av akvakultur og sjømatbehandling.

Forskere ved Louisiana State University, USA har utviklet tradisjonelle bioteknologiske tilnærminger for å metabolisere giftige forurensninger som PCB (Poly Chlorobiphenyls), PAH og kreosot. De har også hatt suksess innen biobehandling og resirkulering av brukte marine tømmer og pilinger reddet fra marine installasjoner som havner og petroleumsproduksjonsstrukturer. Deres studier har gitt nye måter å fjerne kreosot, kobber, krom, arsen og andre giftige forbindelser fra behandlet tre for å fremme gjenvinning av tre.

Rekombinante verktøy kan også brukes til å overføre plante- og dyregener, som produserer metallothioneins (metallbindende proteiner) til marine organismer, for å lette vanndekontaminering. Forskere setter inn kyllingmetallothionein-genet i en enkeltcellet grønn alg 'Chlamydomonas reinhardtii', og rapporterte at dette fremmer tettere algvekst i kadmium-forurenset vann.

Forskere har også utviklet nye bakterier som kan fordøye olje fem ganger raskere i nærheten av enkeltcellede organismer kalt protozoer. Siden protozoer spiser forurensningskrevende bakterier, er det påtatt at eliminering av dem muligens vil øke sammenbruddshastighetene. Disse protozoer er antydet å være viktige for bionedbrytning. Forskere prøver også å tyde på hvordan protozoer ber om at bakterier spiser hydrokarbonene raskere.

Marine organismer har også blitt brukt til å oppdage herbicidkonsentrasjoner i jord, vann og forurensede steder. Analysen utviklet er basert på en cynobakterie som har blitt genetisk konstruert for å bære lux-genet i dets genom.

Dette lux-proteinet forårsaker lysutslipp i nærvær av den kjemiske reagensdodekanalen. I nærvær av herbicidet, som virker på fotosyntetisk maskineri, reduseres cyanobakteriens lysemisjon på en slik måte at den kan måles og kalibreres til konsentrasjonen av det herbicid som er til stede.

Bioteknologiske verktøy kan også brukes til å gjenopprette skadet miljø. For eksempel foreslår studier fra University of Florida at mikro-forplantningsteknikker som brukes til å produsere havre og andre kystgrønt, kan bidra til miljøreparasjon.

Til tross for all denne vitenskapelige fremgang ligger en stor skatt av verdifulle marine ressurser fortsatt uutnyttet. Forståelse av marine bioteknologi og dens potensial ved bruk av modemteknikker kan være revolusjonerende. Dette inkluderer områder som biomaterialer, legemidler, diagnostikk, akvakultur, sjømat, bioremediering, biofilmer og korrosjon. Det kan også spille en viktig rolle i utviklingen av marine flora og fauna, som kan høstes for å forbedre menneskeheten.