Биотехнологиите са технологии, използващи живи организми, биологични системи или техни производни за създаването или модифицирането с определена цел на продукти или процеси. Биотехнологиите се основават на методите за биосинтез. Те намират приложение в широк кръг области – от земеделието до медицината и тежката промишленост.
Биотехнологиите се появяват през неолита с одомашняването на растения и животни, последвано от продължителни усилия за техния изкуствен отбор и хибридизация. Те получават решителен тласък с развитието на биологията през 19 век, което дава възможност за тяхното широко навлизане в практиката. Днес на биотехнологиите се възлагат големи надежди за получаването на алтернативни хранителни вещества, лекарствени субстанции и ваксини от модифицирани за целта микроорганизми. В последните години усилено се работи и в областта на растителните и ДНК рекомбинантните биотехнологии.
Биотехнологиите се базират на чистите биологични науки, като генетика, микробиология, молекулярна биология, биохимия, ембриология, клетъчна биология, а в много случаи и на други научни области, като инженерна химия, информатика и други. В същото време съвременните биологични науки са тясно свързани с биотехнологията и широко използват биотехнологични технически средства.
Области на използване Биотехнологията има многобройни приложения в четири големи области, включващи здравеопазване (медицина), земеделие, нехранително (индустриално) използване на зърнени храни и други продукти (като биоразградима пластмаса, биогорива и други) и околна среда.
Например едно приложение на биотехнологията е директното използване на микроорганизми при производството на органични продукти като бира, млечни продукти. Друг пример е използването на естествено присъстващите бактерии в добивната промишленост в биологичен добив на метали. Биотехнология се използва при рециклирането и обработката на отпадъци, почистването на замърсени от индустрална дейност зони (биоремедиатация)и също така за производство на биооръжия.
Въпреки че не са достатъчно научно класифицирани, се използват редица термини за класификация на различните области на приложение. Биоинформатика или „златна биотехнология“: Представлява преработване на данни, които са получени с методите на биотехнологията като например разчитането строежа (секвентирането) на генома. Представлява основа и за развитието на нови биотехнологични методи и приложения. Представлява междудисциплинарно поле на развой, при което се използва компютърна техника и прави възможно бързото организиране и анализ на биологичните данни. Тази област може да бъде наречена компютърна биология и определена като концептуална биология на понятията за молекулите и приложна информатика за разбирането на организацията, свързана с тези молекули при много големи размери на структурите им. Биоинформатиката играе голяма роля при функционалната генетика. „Синя биотехнология“: базирана на използването на ресурсите на моретата и океаните за създаване на продукти и индустриални постижения. Тази област на биотехнологията се използва например с успех за производство на биодизел с фотосинтезиране на водорасли. „Зелена биотехнология“: биотехнологии прилагани в селскостопанските процеси. Пример за това могат да бъдат селекция и култивиране на растения с използването на тъканни култури. Друг пример е създаването на генно модифицирани растения, способни да се отглеждат при специфични климатични условия и наличието или липсата на определени химически вещества. „Червена биотехнология“: използване на биотехнологии в медицинската и фармацевтичната промишленост и опазване на здравето на населението. Влючва производството на ваксини и антибиотици, регенеративни терапии, създаване на изкуствени органи и диагностиране на болести. Също така това включва производство на хормони, стволови клетки, антитела и други. „Бяла биотехнология“: биотехнологии, използвани в промишлеността и се нарича още индустриална биотехнология. Пример за това могат да бъдат създаването на организми, способни да произвеждат полезни химически вещества или използването на ензими за катализатори в промишлени процеси, или разрушаването на опасни замърсяващи химически вещества. При белите биотехнологии тенденцията е да се използват по-малко ресурси в сравнение с традиционните методи на производство. „Жълта биотехнология“: тези биотехнологии се отнасят до използването при производство на храни, като например производство на вино, сирене и бира чрез ферментация. „Сива биотехнология“: тези технологии са свързани със запазването на биологичното разнообразие и отстраняването на замърсяваниета. „Кафява биотехнология“: тези технологии са свързани с използването на безплодни земи и пустини. Един начин за използваннето им е създаването на подходящи растения, които могат да издържат на тежките климтични условияи това есвързано с развой, разработване на техника на селскостопанска обработка и управление на ресурсите. „Виолетова биотехнология“: това са въпросите свързани с правото, както и с етични и философски казуси, свързани с биотехнологиите. „Тъмна биотехнология“: тези технологии се свързват с биотероризъм и/или биологични оръжия, при които се използват микроорганизми или токсини за предизвикване на болести и смърт при хора, животни и растения.
В селското стопанство Най-старото приложение на биотехнологиите е селското стопанство, което само по себе си се вмества в дефиницията за биотехнологиите като приложение на биологични системи за създаване на желан продукт. Още с одомашняването на растенията и животните през неолитната революция селското стопанство се превръща в основния метод за производство на храни. Макар и бавно, през следващите хилядолетия селскостопанската технология претърпява непрекъснато развитие – селектират се нови сортове и породи, различни организми и биологични продукти се използват за наторяване, азотфиксация или контрол на вредителите. В хода на това развитие хората променят генетиката на домашните растения и животни чрез пренасянето им в различна среда или чрез хибридизация. По този начин, например, при царевицата са получени сортове с по-едри или по-сладки зърна.
Съвременните биотехнологични изследвания в земеделието са насочени главно към създаването на генетично модифицирани сортове. При тези техники един или повече гени на изходния сорт се модифицират, за да му придадат нови свойства. Макар най-очевидното приложение на подобни модификации да е прякото увеличаване на добивите, при днешното развитие на биотехнологиите то е трудно постижимо. Много от генетичните характеристики, свързани с продуктивността на земеделските култури, се контролират от голям брой гени, всеки от които има малък принос към общия резултат. Съвременните генетични технологии са най-ефективни при модифициране на отделен ген, а най-сложните продукти, като сортовете СмартСтакс променят до 8 гена.
По тези причини в практиката намират по-голямо приложение генетично модифицирани сортове, при които повишената продуктивност се постига чрез увеличаване на устойчивостта към определени външни фактори, като засушаване, вредители или соленост на почвата. Например, правят се опити растителният ген At-DBF2 на Arabidopsis thaliana да бъде включен в генетичната структура на доматите и тютюна, за да се увеличи тяхната устойчивост на соленост, засушаване и екстремни температури.
Основно направление в земеделските биотехнологии, доминиращо при въведените в употреба през 1996 – 2001 година сортове, е създаването на устойчивост към хербициди. Тя позволява по-широката употреба на такива хербициди, които унищожават плевелите, но оставят основната култура незасегната, като намаляват необходимостта от механична и ръчна обработка на почвата. Разработени са трансгенни сортове, устойчиви към хербициди като глифозат, глюфозинат и бромоксинил.
Докато хербицидната устойчивост на сортовете благоприятства по-широкото използване на пестициди, други направления в биотехнологиите са насочени към намаляване на нуждите от агрохимически продукти. Генетично модифицирани сортове произвеждат инсектицидни Bt токсини, които в естествени условия се отделят от почвената бактерия Bacillus thuringiensis (Bt). Тази технология намира особено широко приложение при борбата с гъсениците на Ostrinia при царевицата, замествайки успешно използваните по-рано химически инсектициди. Според оценки за 2001 година основните генетично модифицирани култури (соя, царевица и памук) заемат 62,6 ha обработваеми площи, като от тях 77% са с хербицидно устойчиви сортове, 15% – с Bt-сортове и 8% със сортове с устойчивост и на хербициди, и на насекоми.
Друга група генетични модификации е насочена към промяна в свойствата на самия земеделски продукт. Така протеините в зеленчуци или зърнени култури могат да бъдат променени, за да внесат в диетата липсващи съставки. Например трансгенният сорт златен ориз съдържа повишено количество бета каротин и разработен за региони с недостиг на витамин A в традиционните храни. Друго свойство на продуктите, което е честа цел на модифицирането, е тяхната трайност. Първият генетично модифициран хранителен продукт е сорт домати със забавено презряване.
В хранителната промишленост Биотехнологиите се прилагат в производството на храни още от Древността. Още в Месопотамия, Египет и Индия съдържащите специфични ензими малцови зърна се използват за превръщане на скорбялата в захар, която от своя страна се трансвормира от дрожди в бира. При този процес въглехидратите в зърното се разграждат до етанол. По-късно различни култури използват млечнокиселата ферментация за получаване на продукти с по-голяма трайност, като киселото мляко и киселото зеле. Други традиционни технологии, основани на биологични процеси, са произвоството на хляб и сирене.
Съвременните биотехнологични изследвания при производството на сирене са насочени към получаване на необходимите подсирващи ензими от бактерийни култури, вместо традиционните методи за извличането им от животинския стомах. При производството на хляб се правят опити за добавяне на ензими, увеличаващи неговата трайност.
В индустрията Индустриалната биотехнология, известна още като бяла биотехнология, представлява използване на биотехнологии за индустриални цели, включително индустриална ферментация. Това включва и използването на клетъчни микроорганизми или техни компоненти като ензими за създаването на ценни за индустрията продукти като химикали, храни, детергенти, хартия, текстил и биогорива.
Първото приложение на чисто биологична технология в промишлеността датира от 1917 година, когато Хаим Вайцман във Великобритания използва бактерията Clostridium acetobutylicum за производството на ацетон, стратегически важен продукт във времето на Първата световна война. Малко по-късно биотехнологиите стават основата на промишленото производство на антибиотици.
Развитието на процесите на разработка на нови генно-модифицирани организми подобрява разнообразието от приложения и икономическата значимост на тези технологии. Като използва възстановяеми суровини за производство на различини химически продукти и горива, индустриалната биотехнология работи активно за намаляване на парниковите газове и намаляване на значението на петролната промишленост.
В медицината
Това е раздел от медицината, занимаващ се с изучаването на организма на човека от теоретична гледна точка, както и неговият строеж в нормално и патологично състояние, методите на диагностика, корекция и лечение. Биомедицината включва натрупаната информация и изследвания за медицината свързани с биологията, генетиката, анатомията, физиологията, паталогията, ботаниката, микробиологията и други.В медицината модерната биотехнология има много приложения като разработка на лекарства и производството им, фармагенетика и генетично тестване (или генетичен скрининг).