Recombinant DNA (rDNA) technology

clatteringlippsBiotechnology

Dec 5, 2012 (5 years and 1 month ago)

179 views



What is
 
Biotechnology
?
Chapter 1


Learning Outcomes

Describe the science of biotechnology and 
identify its product domains

Give examples of careers and job 
responsibilities associated with 
biotechnology

Outline the steps in producing and 
delivering a product made through 
recombinant DNA technology

Describe how scientific methodologies are 
used to conduct experiments and develop 
products

Apply the strategy for values clarification to 
bioethical issues


1.1 Defining Biotechnology
Biotechnology is defined 
as the study and 
manipulation of living 
things or their component 
molecules, cells, tissues, 
or organs.


Vocabulary

Insulin 
– a protein that facilitates the uptake of sugar into cells 
from the blood

DNA 
– abbreviation for deoxyribonucleic acid, a double­
stranded helical molecule that stores genetic information for 
the production of all of an organism’s proteins

Recombinant DNA (rDNA) technology 
– cutting and 
recombining DNA molecules

Polymerase chain reaction (PCR) 
– a technique that involves 
copying short pieces of DNA and then making millions of 
copies in a short time

Cloning 
– method of asexual reproduction that produces 
identical organisms


Vocabulary Cont. 

Fermentation 
– a process by which, in an oxygen­
deprived environment, a cell converts sugar into lactic 
acid or ethanol to create energy

Diabetes 
– a disorder affecting the uptake of sugar 
by cells, due to inadequate insulin production or 
ineffective use of insulin

Proteases 
– proteins whose function is to break 
down other proteins

Antibodies 
– proteins developed by the immune 
system that recognize specific molecules (antigens)

Pharmaceutical 
– relating to drugs developed for 
medical use


Biotechnology Workers and the Biotechnology Workplace

Biotechnology Companies ­ goal is to 
produce and sell commercial “for­profit” 
products

Universities and Government Labs ­ conduct 
“pure science” research, nonprofit

Growth in the Biotechnology Industry


Domains of Biotechnology
.  The major domains of biotechnology include 1) industrial 
and environmental; 2) medical/pharmaceutical; 3) agricultural; and 4) diagnostic/research


Looking Ahead

Science and Business of Biotechnology

Basic Biology and Chemistry Concepts

Recombinant Protein Product

Applications of Biotechnology in Agriculture 
and Pharmaceuticals

Recent Advances in Biotechnology


Vocabulary

Research and development (R&D) 
– refers to the 
early stages in product development that include 
discovery of the structure and function of a potential 
product and initial small­scale production

Pure science 
– scientific research whose main 
purpose is to enrich the scientific knowledge base

Virus 
– a particle containing a protein coat and 
genetic materials (either DNA or RNA) that is not 
living and requires a host to replicate


Vocabulary Cont.

Applied science 
– the practice of utilizing scientific knowledge for 
practical purposes, including the manufacture of a product

NIH 
– abbreviation for National Institutes of Health; the federal agency 
that funds and conducts biomedical research

CDC 
– abbreviation for Centers for Disease Control and Prevention; 
national research center for developing and applying disease 
prevention and control, environmental health, and health promotion 
and education activities to improve public health

DNA fingerprinting 
– an experimental technique that is commonly 
used to identify individuals by distinguishing their unique DNA code


1.2 The Increasing Variety of Biotechnology Products
In the past 100 years, scientists have increased the pace of 
searching for products that improve the quality of life.

  
Antibiotics

  
Industrial products such as rubber, turpentine, and maple 
syrup
Bioengineered Products
As the methods of manipulating living things have 
become more sophisticated, the number and 
variety of biological products have increased at an 
incredible rate.


Genetically modified organisms
 – organisms that 
contain DNA from another organism and produce new 
proteins encoded on the acquired DNA
Gene Engineered Plant
.  Scientists have learned how to genes 
that code for certain traits and transfer them from one species to 
another. The organism that gets the new genes will then have the 
potential to express the new traits coded in the newly acquired 
genes.


Producing Genetically 
Engineered t­PA
.  
Humans make only a 
small amount of human 
tissue plasminogen 
activator (t­PA) naturally. 
By genetically modifying 
Chinese hamster ovary 
(CHO) cells, scientists can 
make large amounts of t­
PA for therapeutic 
purposes, such as to clear 
blood vessels in the event 
of a heart attack or stroke.


The Human Genome Project

Determining the human DNA sequence

Understanding the function of the human genetic 
code

Identifying all of the genes

Determining their functions

Understanding how and when genes are turned 
on and off throughout the lifetime of an individual


Vocabulary

Antibiotics 
– molecular agents derived from fungi and/or bacteria that 
impede the growth and survival of some other microorganisms

Restriction enzyme 
– enzyme that cuts DNA at a specific nucleotide 
sequence

DNA ligase 
– an enzyme that binds together disconnected strands of a 
DNA molecule

Recombinant DNA
 – DNA created by combining DNA from two or more 
sources

Genetically modified organisms 
– organisms that contain DNA from 
another organism and produce new proteins encoded on the acquired DNA

E. coli
 – a rod­shaped bacterium native to the intestines of mammals; 
commonly used in genetics and biotechnology


1.3 How Companies Select Products to Manufacture
Each biotechnology company usually specializes in a group of 
similar products

  
Plant products

  
Fermentation equipment

  
Viral therapies

  
DNA sequencers for research 

  
Enzymes for food processing
Developing Ideas for New Products
Ideas come from many sources:

Discussions lead to new ideas

Reading literature reviews can lead to new ideas

Sometimes even daydreaming can lead to new ideas


Research and Development
Vocabulary

Reagent 
– chemical used in an experiment

Efficacy
 – the ability to yield a desired result or demonstrate that a product does what it claims to do

Large­scale production
 – the manufacture of large volumes of a product

Clinical trials
 – a strict series of tests that evaluates the effectiveness and safety of a medical 
treatment in humans

FDA
 – abbreviation for the Food and Drug Administration; the federal agency that regulates the use 
and production of food, feed, food additives, veterinary drugs, human drugs, and medical devices

Cystic fibrosis (CF) 
– genetic disorder that clogs the respiratory and digestive systems with mucus

Therapeutic
 – an agent that is used to treat diseases or disorders

EPA 
– abbreviation for the Environmental Protection Agency; the federal agency that enforces 
environmental laws including the use and production of microorganisms, herbicides, pesticides, and 
genetically modified microorganisms

USDA
 – abbreviation for United States Department of Agriculture; the federal agency that regulates 
the use and production of plants, plant products, plant tests, veterinary supplies and medications, 
and genetically modified plants and animals


A Product Development Plan
Product Development Plan usually includes the following criteria:

Does the product meet a critical need? Who will use the product?

Is the market large enough to produce enough sales? How many customers are 
there?

Do preliminary data support that the product will work? Will the product do what the 
company claims?

Can patent protection be secured? Can the company prevent other companies 
from producing it?

Can the company make a profit on the product? How much will it cost to make it? 
How much can it be sold for?
Before going into research and development, company officials must 
determine whether or not it is worth the investment of company resources.
Situations That End Product Development

Product development is stopped if testing shows the product is not effective.

When this happens, companies can lose millions of dollars and years of 
research and development time.


Regulations Governing Product Development
New Biotech Drug 
Approvals. 
Even with 
all the government 
regulations, the 
number of new drugs 
approved for market 
increased nearly seven 
times in the 10 years 
between 1990 and 
2000.


1.3 Review Questions
1.
What group of potential products must be tested in clinical trials 
before it can be marketed?
2.
A drug discovery process can take nearly 15 years. Explain why 
it takes so long to bring a new drug to market.
3.
Which questions must be answered to the satisfaction of 
company officials before a product goes into research and then 
into development?
4.
Does every product in research and development make it to 
market? Yes or no? Why?


1.4 Doing Biotechnology: Scientific 
Methodology in a Research Facility
Students are often taught that there is a “scientific method.”
Conducting an Experiment Using Scientific 
Methodologies
1.
State a testable scientific question or problem based on some information 
or observation.
2.
Develop a testable hypothesis.
3.
Plan a valid experiment.
4.
Conduct the outlined experiment and collect and organize the data into 
tables, charts, graphs, or graphics.
5.
Formulate a conclusion based on experimental data and error analysis.


Develop a testable hypothesis
Diluting Bleach Hypothesis

Higher concentrations of bleach 
should cause more color fading.


Data Table and Graph
. Observations 
and measurements are reported in data 
table. Individual trials (replications) as 
well as averages are shown. Numerical 
data are shown in picture form using 
graphs.


Sharing Experimental Results with the Scientific 
Community
Once an experiment is complete, the work is reported to others through:

   
Publications

   
Presentations

   
Annual conferences


Vocabulary

Data 
– information gathered from experimentation

Hypothesis 
– an educated guess to answer scientific question; should be testable

Variable 
– anything that can vary in an experiment; the independent variable is tested in an 
experiment to see its effect on dependent variables

Control 
– experimental trial added to an experiment to ensure that the experiment was run 
properly; see 
positive control
 and 
negative control

Positive control 
– a group of data that will give predictable positive results

Negative control 
– a group of data that will give predictable negative results

Concentration 
– the amount of a substance as a proportion of another substance; usually 
how much mass in some amount of volume

Journals 
– scientific periodicals or magazines in which scientists publish their experimental 
work, findings, or conclusions


1.4 Review Questions
1.
Scientific methods used by scientists vary from lab to lab and 
situation to situation. One approach to scientific studies is to follow a 
five­step process in which a question is asked and answered. 
Outline these five steps.
2.
Why do valid experiments contain many trials repeating the same 
version of an experiment?
3.
In a conclusion, evidence for statements must be given. Describe 
the kind if evidence that is given in a conclusion statement.
4.
Name two ways that scientists share their experimental results with 
other scientists.



One of the fastest growing commercial industries

Career opportunities in:

Bioscience

Medical

Agricultural

Environmental

Applied chemistry

Physics

Computer science

Industry will be studying DNA sequence for most of the 
21
st
 century
1.5 Careers in the Biotechnology Industry


Educational Requirements

Bachelor of Science Degree

Biochemistry

Molecular biology

Genetics

2­year college degree

High school specialization

More advanced degrees

Master of Science

Master of Arts

Doctor of Philosophy

Postdoctoral research experience
Nonscientific Positions and 
Educational Requirements
Employees in nonscientific positions must have 
an interest in and understanding of the science 
of  biotechnology.

  
Sales

  
Marketing

  
Regulatory

  
Legal

  
Financial

  
Human resources

  
Administrative staff


Categories of Biotechnology Jobs

Scientific Positions

Research and Development

Manufacturing and Production

Clinical Research

Quality Control

Nonscientific Positions

Information Systems

Marketing and Sales

Regulatory Affairs

Administration/Legal Affairs


Vocabulary

Genome 
– one entire set of an organism’s genetic material (from a single cell)

Biochemistry 
– the study of the chemical reactions occurring in living things

Molecular biology
 – the study of molecules that are found in cells

Genetics
 – the study of genes and how they are inherited and expressed


1.5 Review Questions
1.
For which types of biotechnology employees is there currently a large 
demand? What are the educational requirements for these types of 
employees?
2.
Scientific positions in most biotechnology companies fall into one of 
four categories. List them.
3.
Why might having laboratory experience be a benefit for a 
nonscientific employee at a biotechnology company?


1.6 Biotechnology with a Conscience ­ 
Bioethics

How do we learn what is right and wrong behavior?

As new situations arise in your life, how do you decide 
what is acceptable behavior and what is unacceptable?

How do you decide what is fair and just?
Moral Standards

Being able to distinguish between right and wrong and to make 
decisions based on that knowledge is considered “having good 
morals.”

The study of moral standards and how they affect conduct is called 
ethics. 

New technologies generate ethical questions that cannot be 
answered using scientific methods.

Products are regulated by FDA, USDA, and EPA. 


Strategy for Values Clarification

Identify and understand the problem or issue. Learn as much as possible 
about the issue.

List all possible solutions to the issue.

Identify the pros and cons of adopting each solution. Examine the 
consequences of adopting one solution (or position) as opposed to 
another. Consider legal, financial, medical, personal, social, and 
environmental aspects.

Based on the pros and cons for each solution, rank all solutions from best 
to worst.

Decide if the problem is important enough to take a position. If it is, decide 
what your position is and be prepared to describe and defend it.


1.6 Review Questions
1.
Define the term “bioethics.”
2.
Give an example of an event that might lead a lab employee to be 
faced with an ethical issue.
3.
Describe how the Strategy for Values Clarification can be used to 
solve a problem such as the use of embryonic stem cells for basic 
research.


Questions and Comments?