Tillämpningar av marinbioteknik

Några av de mest relevanta tillämpningarna inom vattenbruk / marina bioteknik är följande:

vattenbruk:

Livs- och jordbruksorganisationen (FAO) definierar vattenbruket som "odlingen av vattenlevande organismer inklusive fisk, blötdjur, kräftdjur och vattenlevande växter. Kultur innebär en form av ingrepp i uppfödningsprocessen för att förbättra produktionen - inklusive strumpning, utfodring, skydd mot rovdjur etc.

Kultur innebär också att det enskilda eller företagsägarna av beståndet odlas ". Enkelt sagt innebär akvakultur att man manipulerar och förbättrar produktionen av vattenlevande varelser. Denna praxis har en betydande inverkan på skaldjursindustrin.

Världens efterfrågan på skaldjur fortsätter att öka med sjuttio procent under de närmaste trettiofem år. Och med fiskeskörden från fiske som gradvis faller, hotas industrin med en stor brist de kommande åren.

Användningen av moderna biotekniska verktyg för uppfödning och förbättring av produktionen av vattenlevande arter kan inte bara bidra till att tillgodose de globala kraven på fisk och skaldjur, men också förbättra vattenbruket i sig. Dessa tekniker förbättrar också hälsa, reproduktion, utveckling och tillväxt av vattenlevande organismer, och därigenom främjar tvärvetenskaplig utveckling av miljömässigt känsliga och hållbara system. Detta leder i sin tur till en väsentlig kommersialisering av vattenbruket.

transgen:

Transgenisk fisk:

Konventionell fiskodling baserar sig på att välja fiskmassan för att förbättra de önskvärda egenskaperna hos fisken. Denna process är dock långsam och oförutsägbar. Nya molekylära verktyg är mycket effektivare för att identifiera, isolera och konstruera generna som är ansvariga för önskvärda egenskaper och därefter överföra dem till brödet.

Produktionen av transgen fisk är i själva verket mycket enklare än att producera andra transgena däggdjur. Detta beror på att fisk producerar ett stort antal ägg (från flera dussin till flera tusen), vilket kan generera stora mängder genetiskt enhetligt material för experiment.

Till exempel producerar zebrafisken (Brachydanio rerio) 1, 50 400 ägg, Atlantisk lax (Salmo salar) 500 015 000, och den gemensamma karpen (Cyprinus carpio) producerar mer än 1, 00 000 ägg. Dessutom kräver processen ingen manipulation när generna har överförts genom fiskägg. Behållandet av ett fiskkläckeri är således inte särskilt dyrt, särskilt i motsats till befruktad däggdjursomvandling.

Sjukdomsresistens:

Molekylärbiologi ger värdefull information om livscykler och mekanismer för patogenes, antibiotikaresistens och sjukdomsöverföring. Denna information kan förbättra vår förståelse för värdimmunitet, resistens, mottaglighet av sjukdomar och associerade patogener.

Sådan förståelse har stor betydelse för den marina industrin. Till exempel lägger odlingskraven med hög densitet akvakultur stor stress på fisken, vilket gör den extremt utsatt för infektion. Ett stort utbrott av detta slag sätter en tung avgift på hela jordbruksverksamheten, vilket medför stora förluster för industrin. Detta kan undvikas genom att utveckla robusta stammar av fisk som tål olika sjukdomar.

Modern vetenskap erbjuder enorma möjligheter att förbättra hälsan och välbefinnandet hos odlade vattenlevande organismer, samt minska överföringen av sjukdomar från vilda bestånd. Flera transgena tillvägagångssätt har använts för att förbättra sjukdomsresistenskapaciteten hos fiskar. Antisense- och ribozymtekniker används för att neutralisera eller förstöra viral RNA. Till exempel orsakar hematopoietisk nekrosvirus (HNV) allvarlig mortalitet hos laxfiskar, och neutralisering av detta virus kan förbättra laxväxten.

En annan metod är att uttrycka virusbeläggningsproteinerna (som 66kDa G-proteinet av HNV) i värdmembranet. Detta kommer att leda till bindningen till receptorbindningsställena och konkurrerar således med de virala bindningsställena, minimerar viral penetration. Joann Leong och hans grupp vid. Oregon State University har rapporterat denna studie.

Den effektivaste metoden att bekämpa sjukdomsinfektion är emellertid att öka värdens eget immunsystem genom att uttrycka antimikrobiella och antibakteriella ämnen. Antibakteriella peptider som maganiner och lysozym testas för att öka värdens försvar mot ett brett spektrum av patogener.

Kombinationsreaktionstekniken (RT-PCR) har gjort det möjligt att identifiera och detektera vattenlevande birnavirus. Dessa virus utgör den största och mest diversifierade gruppen inom familjen Birnaviridae, som innehåller virus från många arter av fisk och ryggradslösa djur.

Många av dessa arter orsakar sjukdomar i odlade såväl som vilda färskvatten och marina arter. RT-PCR-analysen är en snabb och tillförlitlig ersättning för cellodlingsmetoder för detektering av fiskesjukdomsmedel som pankreatisk nekrosvirus. Det kan också förbättra förebyggande och kontroll av fiskesjukdomar.

En annan betydande tillämpning av marinbioteknik har ses vid University of California, där forskare har dechiffrerat orsaken till en mycket smittsam och dödlig sjukdom som plågar vattenbrukets vattenbruk. Genom att använda genmanipulationer har dessa forskare utvecklat protokoll för att detektera närvaron av det vita Strugeon iridoviruset, vilket kommer att bidra till att utveckla sjukdomsfria avelsbestånd.

Frysbeständig fisk:

Rekombinanta tekniker kan användas för att överföra en antifreeze protein (AFP) gen för att ge frysningsresistens på olika arter. AFPs produceras av flera koldvatten marina teleosts (som vinterflundra, oceanpout, havsrev, shorthorn sculpin). Dessa proteiner förhindrar iskristallbildning i blodet och skyddar därför fisken från att frysa.

Tyvärr bär inte många kommersiellt viktiga fiskar som Atlanten lax sådana gener och kan därför inte överleva undernolltemperaturer. Att utveckla transgen Atlantisk lax genom att lägga till denna gen kan vara mycket fruktbar för fiskindustrin. AFP har också rapporterats ge skydd mot hypotermi för grisocyter och kan vara användbara vid kallt skydd. Transgenisk guldfisk med AFP-genen överlever även bättre vid låga temperaturer.

Tillväxt :

Genetiska manipuleringar kan väsentligen öka tillväxten i fiskodling. En metod är mikroinjektionen av tillväxthormongener i befruktade laxägg. Detta har accelererat deras tillväxttakt med trettio till sextio procent. Att lägga en extra kopia av tillväxthormongenen i ett fiskembryo (tilapia) på ett tidigt stadium har också ökat tillväxten femfaldigt.

Reproduktion :

Reproduktion är ett stort problem för fiskbruksindustrin. När fisken mognar minskar deras tillväxthastighet och köttets kvalitet försämras. Biotekniska metoder för att undertrycka mognadsprocessen kan vara fördelaktigt anställda för att upprätthålla kvaliteten på sådana fiskar. Dessa tekniker kan också användas för att reglera reproduktionen av vissa arter av fisk genom att utveckla icke-reproduktiva (sterila) arter.

Sådana arter har enormt kommersiellt värde, eftersom mono-sexuella organismer eller steriliserade arter inte medför någon risk för farm-to-wild interaktion. Dessa arter möjliggör också rekonstruktion av bestånd av konserverad sperma och ger genmarkörer för beståndsidentifiering. Således bidrar dessa tekniker till bevarande av vild resurs.

Forskare har också utvecklat tekniker för att använda modifierade virala partiklar (retrovirala vektorer) för att förändra genen hos ett marint invertebrat. Detta är den första tillämpningen av molekylärbiologi där förändringen av DNA i en marin organism har visats. Det är nu möjligt att genetiskt förändra dvärgens surf-clam med hjälp av ett nytt viralt kuvert, vilket gör att vektorn kan komma in i nästan vilken typ av cell som helst.

I andra betydande framsteg har forskare konstruerat en "reportergen" i vektorer. Denna reportergen uppmanar det befruktade surfclam-ägget för att ge ut en blå färg, vilket indikerar genimplantation.

Detta arbete förväntas ge ett nytt verktyg för att bekämpa sjukdomar som attackerar kommersiella bestånd av ostron, musslor och abalone. När genen som är ansvariga för att skydda odlade skaldjur från sjukdom identifieras, kan retrovirala vektorer användas för att leverera dessa skyddande gener direkt i stamförrådet.

Tekniker som elektroporation är effektiva för att införa främmande DNA i abalone (fisk) embryon. Forskare vid University of Minnesota har framgångsrikt använt genetiska isolatorns sekvenser (erhållna från kyckling- och fruktfluga-DNA) i fisk och har upptäckt genkontrollanter som fungerar bäst för att påverka främmande gener.

Bevarande:

Molekylära verktyg kan användas för att identifiera och karakterisera viktiga akvatiska bakterier, inklusive många hotade arter. Dessa verktyg har gjort det möjligt att analysera genomerna hos många vattenlevande arter. De har också hjälpt oss att förstå den molekylära grunden för genreglering, uttryck och sexbestämning. Detta kan förbättra metoderna för att definiera arter, bestånd och populationer.

Sådana molekylära tillvägagångssätt innefattar:

1. Utveckla markörassisterad urvalsteknik

2. Förbättrad precision och effektivitet hos transgena tekniker

3. DNA-fingeravtryck för att känna till polymorfism i fiskbestånden

4. Förbättrad teknik för cryo-bevarande av gameter och embryon

Dessa tekniker kan hjälpa oss att behålla den biologiska mångfalden hos de naturliga ekosystemen. Biotekniska verktyg kan också användas för att utveckla hormonella protokoll som styr gytning av ekonomiskt viktiga fiskar som atlantisk lax, strippad bas, flounder, havsbras, havsbas och några marin tropiska.

Sjögräs och deras produkter:

Sjögräs är marina alger (makroalger) som finns i havsmiljön. Dessa är havslevande växter som saknar sanna stammar, rötter och löv. Precis som markväxter, har tång också fotosyntetisk maskin och använd solljus för att producera mat och syre från koldioxid och vatten. De flesta tångar är röda (5500 sp.), Bruna (2000 sp.) Eller gröna (1200 sp.).

Sjögräs är en rik källa till mat, foder och en mängd industriellt viktiga kemiska föreningar. I själva verket är tang en miljard dollarindustri. Den mest värderade tangen är de röda algerna Porphyra eller nori, som är en viktig källa till mänsklig mat över hela världen. Dess världsomspännande produktion står på cirka fjorton miljarder lakan och värderas till cirka 1, 8 miljarder dollar varje år.

Övriga ätbara tångar inkluderar Gracilaria, Undaria, Laminaria och Caulerpa. Industriellt viktiga tångar för karragener innefattar arter som Chondrus, Eucheuma och Kappaphycus, alginater (Ascophyllum, Laminaria, Macrocystis) och agar-agar (Geledium och Gracilaria). Dessa viktiga polysaccahrider, även kallade phycocolloides, är erkända världen över för att vara ofarliga.

Agar-agar:

Agar extraheras vanligen från röda ogräs som Gelidium och Gracilaria. Agar innehåller två viktiga komponenter - Agaros och Agropektin, vilket gör agarföreningarna extremt användbara för pappersframställning, kulturmedier, konservering av livsmedel och förpackning, läder, mejeri och kosmetik.

Karragenan är:

Carrageenan extraheras vanligen från arter av Eucheuma och Chondrus. Olika former av karragener kallas kappa, lambda, iota, mu och epsilon. Nästan tjugo procent av karragenanproduktionen används av kosmetiska och farmaceutiska industrier som stabilisatorer av emulsioner. Carrageenaner används också i kostfoder som stärkelsesfria desserter, salladsdressingar, gelé, sylt, sirap och pudding såser.

alginater:

Alginater är salter av natrium, kalcium eller kaliumalginat och används i en mängd olika produkter. Alginsyra extraheras vanligen från Laminaria, Ecklonia och Macrocystis. Alginater används som emulgeringsmedel och emulsionsstabilisatorer i krämer och lotioner. Natriumalginat fungerar som ett smörjmedel i tvål och rakningskrämer. Alginater används också vid inkapsling av mikrober, växt- och djurceller som används som metabolitproducenter eller biokonverterare.

Terapeutiska medel:

Den omfattande tillämpningen av tångextrakt i kosmetisk industri har fött "Thalassoterapi", där tångar och deras extrakt används som terapeutiska medel. I behandling med thalassoterapi används havsvatten och tångar för att verka på människokroppens celler för att avgifta och samtidigt balansera hudens pH.

Tångarna som används för denna terapi inkluderar Laminaria digitata, som är rik på vitaminerna A, E, C och B, aminosyror, hormoner och jod. Det ökar metabolismen och stimulerar också syreförbrukningen i cellerna och lindrar värmeproduktionen.

Andra föreningar från tångar innefattar terpener, aminosyror, fenoler, pyrrolsubstanser, arsenosugarer, steroler (som fucosterol), färgämnen (som fycoertriner från röda alger och hiner från bruna alger) och aminosyror (som kondondri, gigartinin, kaininsyra eller p- karoten) också ha enormt värde. Spirulina, de blågröna bakterierna (cynobacteria) och Ascophyllum nodosum kan effektivt användas som diethjälpmedel, allmänna tonics och föryngringsmedel.

Vissa av de sulfaterade polysackariderna från röda, gröna och bruna alger har också visat sig ha antikoagulationsegenskaper. Dessa inkluderar proteoglykaner av Codium fragile sp. atlanticum och lambda-karragenan och karragenan från Grateloupia dichotoma. Dessa föreningar uppvisar liknande egenskaper som heparin som finns i däggdjursvävnader, som hjälper till vid blodproppen. Dessa extrakt tjänar som ett utmärkt alternativ till heparin som används för att förhindra koronar trombos.

Vissa sulfaterade polysackarider har också antivirala egenskaper. Carrageenan har använts för att hämma Herpes Simplex Virus (HSV). Nyligen har det visat sig att karrageenan också hämmar det humana immunbristviruset (HIV) genom att störa de HIV-infekterade fusionscellerna och därefter hämma det retrovirala enzymet omvänd transkriptas.

Många andra tångar och deras produkter har direkta fördelar för människors hälsa. Laminaria-arter är till exempel rik på jod och kan användas för att tillverka dietdrycker och massagecremer. På samma sätt är Sargassum muticumm rik på vitaminer E och K, Lithothamnion och Phymatolithon är rika på kalciumkarbonat och spårämnen. Molekylära verktyg kan hjälpa till att utnyttja dessa arter och skörda viktiga produkter från dem.

Läkemedel:

Forskare inom bioteknik har isolerat många bioaktiva ämnen från den marina miljön, vilket har stor potential för att behandla olika mänskliga sjukdomar. Föreningen "Manoalid" från en specifik svamp har gett mer än trehundra kemiska analoger, av vilka många har gått till kliniska prövningar som antiinflammatoriska medel. Forskare har också identifierat flera marina metaboliter som är aktiva mot malaria parasit Plasmodium falciparum.

I en studie genomförd vid University of Hawaii har forskare rapporterat förekomst av komplexförening "Depsipeptid". Små mängder av denna förening finns i blötdjur Elysia rufescens och i algen som den matar på. Depsipeptid är aktiv mot tumörer av lung och kolon, och genetiska manipuleringar av blötdjur kan generera tillräckliga mängder av läkemedlet för testning

Ett annat läkemedel erhållet från marina växter och ryggradslösa djur är "Pseudopterosin". Denna nya diterpen-glykosid inhiberar inflammation. Även om det används för närvarande i kosmetikindustrin, förväntas det också stormas läkemedelsindustrin efter kliniska prövningar.

Bryozoan 'Bugula neritina', en långsammande marin ryggradsliv, har rapporterats vara en källa till ett potentiellt läkemedel för leukemi. Läkemedlet är närvarande i små mängder i eller på djuret. Eftersom ryggradslösa djur lever i symbiotiskt förhållande med bakterien, syntetiserar bakterien det giftiga läkemedlet för att skydda bryozoan mot rovdjur, i utbyte mot utrymme där det kan växa.

Forskare vid University of California försöker bevisa att läkemedel kan produceras i stora mängder av bakterien. Dessutom försöker de utveckla metoder för storskalig kultur av bakterien. Ytterligare forskning pågår för att räkna ut hur läkemedlet kan isoleras.

enzymer:

Många enzymer har också isolerats från marina bakterier. Dessa enzymer visar unika egenskaper som gör att de kan trivas bäst i extrema miljöer. Några av dessa enzymer är resistenta mot värme och salt, vilket gör dem användbara för industriell process. Låt oss titta på användbarheten av några av dessa enzymer.

De extracellulära proteaserna kan användas i tvättmedel och för industriella rengöringsapplikationer som rengöring av omvänd osmosmembran. 'Vibrio alginolyticus' producerar proteaser, som är ett vanligt rengöringsresistent alkaliskt serinprotease. Denna marina organism producerar också "Collagenase" -enzymet, som har många industriella och kommersiella användningsområden.

Studier har visat att alger innehåller ett unikt haloperoxidasenzym som katalyserar inkorporeringen av halogen i metaboliter. Dessa enzymer är extremt användbara eftersom halogenering är en viktig process i kemisk industri.

Japanska forskare har också utvecklat metoder för att inducera en marina alga att producera stora mängder av enzym superoxidas dismutate, som har brett tillämpningar inom medicinsk, kosmetisk och livsmedelsindustrin. Termostabila enzymer har en extra fördel i forskning och industriella processer.

De viktiga termostabila DNA-modifierande enzymerna innefattar polymeraser, ligaser och restriktionsendonukleaser. Det var till exempel en marin organism, från vilken enzymet Taq. Polymeras isolerades. Detta termostabila enzym blev basen för polymeraskedjereaktion.

Forskningar från Rutgers University i New Jersey har isolerat ett nytt enzym "a-galactosidase" från "Thermotoga neapolitana". Detta enzym hydrolyserar melibiosoligomerer. Dessa oligomerer är viktiga komponenter i sojabönor och andra bönor, vilket begränsar mängden soja som kan införlivas i djurfoder för monomagrika djur som grisar och kycklingar (eftersom de inte kan smälta oligomerer). Således kan galatosidas användas för att avlägsna melibios och proteashämmare från sojaprodukterna.

Forskare försöker också få DNA-polymeraser (från bakterier), vilket kommer att öka effektiviteten hos biotekniska processer under replikering av DNA. De studerar också kalltoleranta enzymer från mycket kalla oceaniska miljöer.

De flesta enzymer som är involverade i de primära metaboliska vägarna för termofiliska bakterier är mer termostabila än deras motsvarigheter som existerar vid måttliga temperaturer. En detaljerad studie av enzymer från termofiliska marina mikroorganismer kan väsentligen bidra till förståelsen av mekanismer för enzym-termostabilitet och möjliggör därigenom identifiering av enzymer lämpliga för industriella tillämpningar.

biomolekyler:

Nya studier har visat att marina biokemiska processer kan utnyttjas för att producera nya biomaterial. Ett Chicago-baserat företag har kommersialiserat en ny klass av biologiskt nedbrytbara polymerer modellerade på naturliga ämnen, som bildar de organiska matriserna av blötdjurskal.

Mekanismerna som används av marina diatomer, coccolithophorider, blötdjur och andra marina ryggradslösa djur för att generera utarbetade mineraliserade strukturer är mycket spännande på nanometerskalan (mindre än en miljard meter i storlek).

Dessa nanometerskala strukturer kan förbättra förståelsen av tekniska processer för att skapa biokeramik, vilket kan revolutionera tillverkningen av medicinska implantat, bildelar, elektroniska apparater, skyddande beläggning och andra nya produkter.

Biologiskt nedbrytbara polymerer:

Ostronskal ger en ny källa till syntetiskt nedbrytbara polymerer med ett brett utbud av användbara industriella egenskaper. Dessa polymerer används för vattenbehandling och jordbruksapplikationer. Donlar Corporation of Bed Ford Park i Illinois har uppskattat att den potentiella marknaden för sådana produkter är värd miljoner dollar.

Genom att använda den naturliga frostskyddsmedel som finns i vinterflundra som modell, utvecklar forskare också syntetiska frostskyddspeptider, som kommer att vara biologiskt nedbrytbara och hjälper till att kontrollera isningen på flygplan, motorvägar och jordbruksgrödor.

bioremediering:

Bioremediering har en stor potential för att ta itu med problem med marina miljöer och vattenbruk. Denna process kan hjälpa till att hantera oljeutsläpp, förflyttning av giftiga kemikalier från land till följd av utlakning, bortskaffande av avlopp och kemiskt avfall, återvinning av mineraler som mangan och förvaltning av vattenbruk och fiskodling.

Forskare vid Louisiana State University, USA har utvecklat traditionella biotekniska metoder för att metabolisera giftiga föroreningar som PCB (Poly Chlorobiphenyls), PAH och kreosot. De har också lyckats med biobearbetning och återvinning av använda marinträ och pilar som sparats från marina anläggningar som hamnar och oljeproduktionsstrukturer. Deras studier har gett nya sätt att avlägsna kreosot, koppar, krom, arsenik och andra toxiska föreningar från behandlat trä för att främja återvinning av trä.

Rekombinanta verktyg kan också användas för att överföra växt- och djurgener, som producerar metallotioniner (metallbindande proteiner) till marina organismer, för att underlätta vattendekontaminering. Forskare infogade kycklingmetallotioneingenen i en enda cellad grön alga 'Chlamydomonas reinhardtii' och rapporterade att detta främjade tätare algtillväxt i kadmiumkontaminerat vatten.

Forskare har också utvecklat nya bakterier som kan smälta olja fem gånger snabbare i närheten av enkelcellade organismer som kallas protozoer. Eftersom protozoer äter föroreningskrävande bakterier, är det tänkt att eliminering av dem eventuellt skulle kunna öka uppdelningsgraden. Dessa protozoer har föreslagits vara viktiga för biologisk nedbrytning. Forskare försöker också att dechifiera hur protozoer snabb bakterier äter upp kolväten snabbare.

Marinorganismer har också använts för att upptäcka herbicidkoncentrationer i mark, vatten och förorenade områden. Den utvecklade analysen baseras på en cynobakterie som har blivit genetiskt konstruerad för att bära luxgenen i dess genom.

Detta luxprotein orsakar ljusutsläpp i närvaro av den kemiska reagensdödkanalen. I närvaro av herbiciden, som verkar på fotosyntetisk maskin, sänks cyanobakteriens ljusutsläpp på ett sådant sätt att det kan mätas och kalibreras till koncentrationen av den närvarande herbiciden.

Biotekniska verktyg kan också användas för att återställa skadad miljö. Exempelvis föreslår studier från University of Florida att mikroförplantningstekniker som används för att producera havrehavar och andra kustväxter kan bidra till miljöreparation.

Trots alla dessa vetenskapliga framsteg ligger en stor skatt av värdefulla marina resurser fortfarande oanvänd. Att förstå marinbioteknik och dess potential genom att använda modemtekniker kan vara revolutionerande. Detta inkluderar områden som biomaterial, läkemedel, diagnostik, vattenbruk, skaldjur, bioremediering, biofilmer och korrosion. Det kan också spela en viktig roll för att utveckla marina flora och fauna, som kan skördas för att förbättra människans natur.