biotechnology: a changing science that is changing us by cynthia palmes-saloma
TRANSCRIPT
1
��������������� ����������
Biotechnology: A Changing Science that is Changing Us
������������ ������������
���������������� �����������������������
������������������������ ���������������������� ��������
�������������������������������������
�������� ����������
� ����������� ��� � � ���� ���������
� � �������� ������� ����� �������� �
��������
� ������������� ��� � ����� ��� ���������
� � ���������� ��� � � ����������������
��� ����������������� ���
2
�� �������������������� ���������������� �������������������� ���������
�������� �
�������� �������������������� �� �� � �
DNA in a bottle
Advances in biotechnology have brought us better applications in agriculture, health and medicine, forensics, industry and the environment
> To improve our quality of life
3
�������� ����������� ���� ���� ��������������
��� ���� ������ ��� �������������� �����
��������������������� �������� ������
�����������������������������������
��� !
�"#������������������� �������������� ������ ������������������ ���#�
�������� �������
�������� ���� ������18,000 - 9000 BC domestication of plants and animals
4,000 BC Classical Biotechnology bread and wine making using yeasts
1,500 AD Production of yogurt and sauerkraut using of bacteria
1800 Prdxn of Vaccines
1940s Prdxn of antibiotics
1970s Development of recombinant DNA technology and the Birth of the Biotech Industry
4
�������������
� $ ���������������������� ��������������������
� ������������������������%&�����������������
� ����� ��������� �������� ������ ������� ���#
QuickTime™ and aTIFF (LZW) decompressor
are needed to see this picture.
QuickTime™ and aTIFF (Uncompressed) decompressor
are needed to see this picture.
���������!������
�The biotechnology industry originated in the 1970s, based largely on a new recombinant DNA technique published in 1973 by Stanley Cohen of Stanford University and Herbert Boyer of the University of California, San Francisco and the contributions of Paul Berg on the discovery and use of restriction enzymes
5
� '������ ������������� ������ ����������
������������������������������ ����������
���� � ���������������#
* Amounts are in U.S. dollars in billions
Market Capitalization, 1994-2005US Biotech Industry
Ernst & Young LLPBioWorld U.S. Biotech Industry Statistics: 1994-2005
"���#�������� ������������� ����!� �$ �!�
1st Product of Modern Biotechnology INSULIN
� ()*+�,�� ���-���������. ������'������� ������������������������
���� ������%&�#�/�������� ����� ������������������������
������� �����������#��0��()*1��'���������,� ������ �����2 ������
������&�� �3����,���4"�����#
> Affordable, safe, and less immunologic affording children with type 1 diabetes a relatively normal life; and adults with type II diabetes a better quality of life
6
Biotechnology is changing our lives significantly
In medicine, genetic testing could be done on newborns to screen for potential diseases that could be prevented through early intervention
Infants and young children could be vaccinated with safer vaccines or combination vaccines, thus reducing infant mortality and morbidity rates.
Biotechnology has created more than 200 new therapies and vaccines, including products to treat cancer, diabetes, HIV/AIDS and autoimmune disorders
Major Areas of Biotech Contributions in Health
Vaccines
DiagnosticsGene Therapy
��������
7
Medicines
Intron A®
(Alpha-interferon)
hairy cell leukemia/ genital warts/ non-A, non-B hepatitis/ hepatitis B/chronic malignant melanoma/
Medicines
BioTropinTM
Human Growth Hormone
8
Medicines
Humalog®
(recombinant insulin)
Medicines
Alferon N®
(interferon alfa-N3, human leukocyte derived)
Treatment of genital warts
9
Medicines
Avonex®
(recombinant interferon beta 1-alpha)
Treatment for multiple sclerosis
Medicines
Herceptin®
(trastuzumab)
Treatment for some types of breast cancer
10
Medicines
Albutein®
Human Albumin
Biotech in Human and Animal Health
New Biotech Drugs/Vaccine Approvals, US FDA
11
����������������
Many new biotech drugs against cancer and autoimmune disorders are based on the development of genetically engineered humanized antibodies expressed and harvested in yeast, insect or mammalian cells.
������������������� ��%�����������������
Breast cancer: Herceptin
trastuzumab) is a monoclonal antibody that has been genetically engineered to bind to a specific protein called HER2 (or the HER2/neu protein), a protein receptor over-expressed on the surface of some breast cancer cells
from Genentech 1998
Rituxan (Rituximab) for Non-Hodgekin’s Lymphoma Zevalin (Ibritumomab) Avastin (bevacizumab)for metastatic colorectal cancerErbitux (Cetuximab)
12
������������������������� � ������������
Rheumatoid Arthritis: ENBREL•recombinant protein made by the Biotechnology company Amgen ; ENBREL is very similar to a human protein called Tumor Necrosis Factor (TNF) Receptor
• Seventy-four percent of study participants with + response
5%��+66+7�����8�& �� ���'����� �� �� ��!�
59���+66:7�'�����;���������
��� � ��������������!�
(� ����� <
�� �����!�
5())17�-�����8�)�� ��������� �"�� ��!�
5())17��� ���8���� ������������*����� <��������!�
-�� �����;;=0-�/0 &%8>2
Improves quality of life of children and adults born with this autoimmune disorder
������������������� ��%��
Prevents Organ Transplant rejection: (monoclonal antibodies
Rheumatoid Arthritis: ENBREL•recombinant protein made by the Biotechnology company Amgen ; ENBREL is very similar to a human protein called Tumor Necrosis Factor (TNF) Receptor
• Seventy-four percent of study participants with + response
Orthoclone OKT3 (Muromonab) from Ortho Biotech, 1986Simulect (Basiliximab) from Novartis, 1997 Zenapax (Daclizumab) from Roche, 1997
Humanized antibodies
13
��������������������������������
� ������������ ����� ���� �?�� ����
� ����� ���� ���������� ���� ����
� � ������� �������� ��
)�#� ����"�� ��! 59����+66:7�2 ������
� @�����
Synagis (Palivizumab) [June 1998] Medimmune
ReoPro (Abciximab) [Dec 1999] Centocor / Eli Lilly
���������������������� ��%��
Engerix-B®
(recombinant Hepatitis B vaccine)
14
���������������������� ��%��
TriHIBitTM
childhood immunization between 15-18 months for acellular pertussis,
diphtheria, tetanus and HIB disease
���������������������� ��%��
Tripedia®
vaccination of infants 2, 4 and 6 months of age and first booster at 15-18 months
primarily for whooping cough
15
��������������������
DRUG APPLICATION ABX-EGF (panitumumab) Abgenix
lung cancer, breast cancer, bladder, pancreatic, colorectal cancer, kidney and head and neck cancer.
ABX-MA1 Abgenix
metastatic melanoma cells
ACP-103 Acadia
Parkinson's Disease, adjunctive therapy for schizophrenia (Hallucinations, Psychoses)
Onconase (ranpirnase) AlfaCell
Ribonuclease anti-cancer drug,
Entereg (alvimopan) Adolor
pain management of POI and OBD
Teverelix,, D63153 Æterna Zentaris Inc
prostate cancer
Lobaplatin Æterna Zentaris Inc
Small cell lung cancer, breast, chronic myelogenous leukemia (CML)
Oncophage Antigenics Inc.
Metastatic melanoma, Kidney cancer (renal cell carcinoma)
AG-702 Antigenics Inc.
Genital herpes
V -Protectants® (AGI-1067) Atherogenics
chronic inflammatory diseases, such as atherosclerosis, rheumatoid arthritis and asthma
Vivitrex Alkermes
Alchol Dependence
��������������������
Cancer : many biotech drugs in Phase II and III clinical trials against cancer are antibody drug candidates
Drug discovery process Nature Reviews Drug Discovery 5������������������ ����
Despite their relatively small budgets compared to big pharma, biotech companies have large porfolios of drugs in the pipeline, evidence that biotechnology is driving innovations in the development of new and novel therapies against human diseases
16
Gene Therapy
�2 �������������������� ������
���� ������������������
��� �� ���������������
���������������������
���������#
Gene Therapy
In gene therapy, a faulty or missing gene can be replaced to correct a genetic cause of a disease.
17
���� �����������
��* ��*���
�����+����� ������������������ ����������������������� �����������,��������� ��
"-��� �� �������� �.*�-�������+ � ������������������ ���������������� ��������������� �� ������������������������������������������������������ ����������� �.���������� ���� ������
/-�����+ ��������+�������� ���� �������.� ���������-������������ ����� ������0����������������� � ������ ��������������������������������� �� ������������ � �������������1
To replace damaged tissues or organs
/������� ����� �� ������������� ���
� ������ ��������������� �� �����
��� ���� ��������������������������
��� ���� �� ��� ����������� �
�����������������������+66*����
,������3�� �����A�����������B����
>��������#
18
����������������� ����������������
Shinya Yamanaka, The Japanese scientist who created pluripotentstem cells without destroying embryos
www.bioedge.org/
Latest News on stem cell researchInduction of pluripotent stem cells from adult human skin cells using direct reprogramming
This could lead to the generation of patient-specific stem cells eliminating the problem of tissue rejection and the ethical issues associated with the use of embryos to derive ES cells.
19
�!��$ *�*� 2 !� **)!� 2
Bone Connective Tissue
Skin
� Cartilage, blood & blood vessels, muscles, nerves, cornea, liver & pancreatic tissues, heart valves
Biotechnology in DNA investigation
� match organ donors with recipients in transplant programs: beneficiary -patient
� determine pedigree for seed or livestock breeds: beneficiary - farmer
� authenticate consumables such as caviar, meat and wine: beneficiary -consumer
20
DNA identification
• Identify kinships, catastrophe victims• Exonerate or implicate people accused of crimes• Identify contaminants in air, water, soil, food• Confirm pedigrees of animals, plants, foods, wines
Diverse Applications
Bioanthropology
• Understand human lineage• Explore migration patterns through time
Diverse Applications
21
� study migration of different population groups based on female genetic inheritance
� study mutations on the evolutionarily stable Y chrom.
to trace lineage and migration
The human genome is nearly the same (99.9%) in all people
Only about 2% of the human genome contains genes, which are the instructions for making proteins
What we’ve learned so far from the Human Genome Project
22
Humans have an estimated 30,000 genes; the functions of more than half of them are unknown
Almost half of all human proteins share similarities with other organisms, underscoring the unity of live
Other Lessons from the Human Genome Project
Microbes for energy and the environment
• Clean up toxic wastes• Capture excess carbon to help reduce global climate change• Generate clean energy sources (e.g., hydrogen)
Microbes thrive in every environment on earth,
but the vast majority DO NOT cause disease.
Understanding them at a basic level will enable
use of their diverse and sophisticated abilities.
Diverse Applications
23
agriculture, livestock breeding, bioprocessing
• Make crops and animals more resistant to diseases, pests, and environmental conditions• Grow more nutritious and abundant produce• Incorporate vaccines into food products• Develop more efficient industrial processes
Diverse Applications
�������� ����3��#�������
Consumers enjoy biotechnology foods such as
•Papaya – delayed ripening
•Soybean – disease resistant
•Corn – disease resistant
•Meat – more tender, less fat, more milkWith biotechnology, food can be produced with less pesticides, nutritionally-enhanced, requiring less water, produced in less favorable climates (too hot, too cold, too salty, too dry) with the potential to eradicate famine.
24
2 ���������������(��������������������
25
4��� �����������������2 �����
Independent tests of Bt corn, which is enhanced with a naturally occurring soil microbe that protects plants from insect pests such as the Asiatic corn borer, showed that the biotech corn:
•Improved yields 41 percent during the Philippines wet season and27 percent during its dry season;
•Improved farmer profitability 25 percent, on average, over non-Bt varieties.
•Boosted farmer incomes enough so they could provide a minimum of 2,000 kilocalories per capita per day for their families. Income derived only from non-Bt corn was not adequate to meet this minimum requirement, according to the tests conducted by the STRIVE Foundation in the Philippines.
Source: Council for Biotech Information
!�����#���������
� '���������� ���� ��
C ��������������������(D������ ��� �� �����
����
C 3�� �������������E:*D�������#
C -������������������������������;�; (F1���#
C 8��������������������������������������#�
��;�; 6#+:���
�
�������3����� +66G�4�����+66G
QuickTime™ and aTIFF (Uncompressed) decompressor
are needed to see this picture.
26
�������� �������������
QuickTime™ and aTIFF (LZW) decompressor
are needed to see this picture.
�������� ��������4���������5 ���
www.agnet.org/library/bc/44009/
27
���������2 �����)6 4 ������� � �������,���������� ��(�������������
����� ���������������#��� ���3���������������� � �������,����
;�� �������� ��� � � ����(+F���
/��� ��� ��� � � &����
0�������� ��� � (6��666���
$ � ����� ��� � &����
,�������� ���������������������� �����
@����� �������� ��� �����
0���� ��������������� � � ���
-���� ��� � � � (#H�$ ���
����� �� ��� � � � ���
Mendoza 2005
�������� ��������#���������
UPLB’ s biotech products
UPLB’ s biotech products
28
�������� ��������#���������
; ���2 �����4����������
8���������������� �0;'�> ;='
(# /���������������
�;������������� �������������
�%� �������������
+# /���������������
�����������������������
�������
:#��8����������������������� �����
���� �������������
QuickTime™ and aTIFF (LZW) decompressor
are needed to see this picture.
Mendoza 2005
�������� ��������#���������
; ���2 �����4����������
(# 4��� ��������� �����������������"���������
�������������� ��� �� ��������'0 /4-. �
> ;='�����>;�$ �!
+# '����������� �����������
�''$ @!������������������������
�'0 /4-. �> ;='!
:# �������������������������������������
������&0$ ''�> ;�%� �� ��!
29
�������� ��������#���������
; ���2 �����4����������
;�� 8��
(# 8����������� ���������������
� ������ ���������� �� �����
��� ����� ��������
+# @��� �����������������
:# /�����������������
G# 8���� ����������������������
QuickTime™ and aTIFF (Uncompressed) decompressor
are needed to see this picture.
Golden rice
Sheath blight
� �����;�� �������-������ -����
C 2 ������� ������ ����������
C 2 ������� ����������������� ������������ �������� � ��
��������
C 2 ��� � ��� ����������
C ,� ������������������������������������
C 8����������������� ���I���������������������������� ���
�� �����
�������� ��������#���������
QuickTime™ and aTIFF (Uncompressed) decompressor
are needed to see this picture.QuickTime™ and a
TIFF (Uncompressed) decompressorare needed to see this picture.
QuickTime™ and aTIFF (Uncompressed) decompressor
are needed to see this picture.
PCC Satellite Embryo Biotechnology Laboratory in Biotechnology Team)
PCC Satellite Embryo Biotechnology Laboratory in Aurangabad, India (manned
by the PCC Biotechnology Team)
30
�������� �������#���������
� ,�������
C %��� ������������� �����������������
���������������������������������� ����
����� ����������������������� �� �����
���� ���
C *�� ������������� ��������������������G�
� � ����� �� ���������
C ;�� ����������� ������������������������+66:�
�������� ��������"����������������+66G
C 2 ����������������������%&����������������
��������!������ � �� ���� �����������
C 8���������� �?�������������������������
��������������������
�������� ��������#���������
'������ ����;��J������> ;�$ �
(# %��� ��� ��������������� ������������ �����
��������
+# %��� ��� ���������� ������������ ���������
����������������
:# 0� � ���� ��� ���� ���������� �� ���
�� �������� ���������
31
�������� ��������#���������
'������ ����;��J������> ;�%� �� ��
(# 2 ������������������ �������������
��� ���?��������� ������������
+# %��� ��� �������� ������������������������
����� ����� � ����������� ����������
��������������������������������������
���� ����������� ������� � �� ��� ���� ����!
:# '��������������� ��������� ����� ����� ���
����������
G# ,���������� ����������� ���������"����
� ��������� ������ �� ������� ������
�������� ��������#���������
'������ ����;��J������> ;�%� �� ��
– /������������������������ �����������������
– %��� ��� ������%&�������������������� ����
������������������������������������ ������
� ���
– - �����������"������������������� ��������
���������� � ���
– %&������������;�����������������
���������� ���
32
����������� ���� ��������������� ���� ���� ��
��� �������
������ ������������ �� !� �������"��� ����#�� ����"$ %������ �$ %�����"����$ &� �� !������� ���'� �(��)� ��������#*��
#������������������""�!"� ��""�"���� �������������!��� +�������� �
, �" ����-� ������! �+���" �!
��� ������.��/�
����"
.��/� ����"
� ��+��� ���.��/� ����"�
��)��"��#
� �� �������������� �)��
�� �������.��/� ����"��"����
+�������� �
)�"����0� ����"����
�����"������
����"�#�
��"�� ����� ���� �#� ����(-12 �
�� �.��/� ������!"� �*��"����1%1�
3&�4
���"������ ���� �#� ���� �
35%6���������
� �� ����� ���� �#� ����
+���+������� ���7 � +�
�� �� !�$ %������� ��
(�����$ %*
)�"����0� ����"����85�
���"��������� �
9��� ��� &� �� ! &� �� !�9��� ��� ������� �
%�������������
�����������.��/� ����"�7 � +�
$ ���/�� �����:��������'� �
(��)� ��������#*
� ��+��� ��������� �
.��/� ����"� ��)��"��#
� �� �������������� �)��
�� �������.��/� ����"�
�"���� +�������� �
.��/� ����"������� �
7 � +�9��� ��� "
)�"����0� ����"����
�����"������
����"�#�
85 6�;� <=> %
6�:;4<
?
$ ��� ��� "
&� �� !�
9��� ��� �
������ �
!������ �������� ����������������������������������������� ��� ���������������� �������������
&� �� !�
9��� ��� �
������ �&� �� !�
9��� ��� �
������ �
IN VIVOIN VIVO METHODSMETHODS
�������������� ��!�������������������������� �
http://www.keratin.com/az/nu.jpg
nude mouse tumor induction
http://www.monkeyday.com/news/mouse_teste.gif
http://www.med.unibs.it/~airc/cido.gif
Evaluation of potential therapy
� ���������������������������� �� ������������������������ �� ����������������"#$ ��%����������� �� ����������������������������������
33
Laboratory of Molecular and Cell Biology
��������������$&�����'���(�(������������ ��� ����
������������������������ ���������������������� �������'�����������
����������������� �������������������������������������
����������������������� ���������������
1. screen samples for fluorescence
2. design degenerate primers
3. isolate total RNA4. RT-PCR and gel
purify products5. sequence6. RACE7. clone and express
recombinant FP
brig
htfie
ldUV
blue
ligh
tgr
een
light
34
$������'������ ����K��������.�����%��� �����
������L##
!��$*��(�4��7��*)��
� ,���� �������I������ ������������������������������M��K��������� ����� ���������M
� ,��� ��� �������������� �� ����������������������������M�/��� ����"��M
� ,��� ��� ��� �� ������������� ����M
� ,��� ���8/�������� ���M
� ,��� ��"�������� ������ ������������ �������������������������������!����� �� ��M
� 2$ �
� /�������������� �
� 2 ����������� ���� ��� ��� �� ���������������������"����������� �
� ;������C � ������� ������ ����������
35
� 2 ������0���������
�K������� �����������������A������������������M��
�.�� ����� �����������M
�K����� ����������� ���M�
Ethical, Legal, and Social Implications of Genome Information and of Biotechnology
!�����
5 ������������ ������������8
�.�������������� �������������������
������ ����������� ����� ���
� ����� �����������J������ ��������
�����
� ����������� ������������ �� ������ ����� ���
�������������������� ���
� 8��������������������������� ���2 $�����
�����
� 4��� ����J������ ��� ������2 ��
36
3������(��������������� ������ ������ ��������
�����
• Advances in drug and drug delivery systems – for new treatments of human diseases
• cancer, infectious, auto-immune, mental illness, etc.
• New approaches in tissue engineering and gene therapy
• Alternative energy sources (using new enzymes produced in bacteria)
• New advances in diagnostics – gene analysis, patient-specific therapies
• Genetic testing will become commonplace
�������� 9������������
� .������������ ������������������
� .������������ ��� �������������
���������������(+6����
� .������������ ��������������� �� ��
������
� .������������ ����������������
���������� �����
� .������������ ���� �������������� �� ��
������ ���� ������ ����������� �������� �
37
��������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������
� ��������������������������������� ���������� ���� ��������������������������������� ���������� ���
������� �������
� ���������������������������������������������� ���������������������������������������������
��� ���������������������������������� �������������������������������!!��� �������� ��� ��������
!���� �����������
� � � � #��� #���������
� � � � #���#� �#���#����������������������
� "���� ����#�(H��+66(!
� ����������1 /:"��(F����������+66(!�N/���
.�����2 �����O �����
� ,���������������������8����2 �����
���#������������#���
� ���#���#��
To learn more about the technology that will be shaping our lives and its underlying science and applications,
38
3�� �����������*������;��2 �������� ���
���������)�����������
N;��������������� ��� ������ ����������������2 $�������
����������������� �������������������� ��������� �����
�������������������������������������������� �����
�������������N; ������2 ��#O -����� ����������������
������� ���������� ��������������� ����������
���������������������#
.�� �������������� ��������������������������������
�������������������������� ���������##������
�������������������������������������������������������
���������������LO
*����������������2 7�
� 8������������������������� ������� �
���������
C ; ������2 ��������������������������
�� �������������� �����������������
�������������� ���������������������
������� ���������
� K���� � �������������M
C $� ������� ���������� �� �������
C ;��������� �������
39
�� ���������� ��������������������������������� ����������������������� ������� ��������������P ������� ��������������P
�� �����������J����������������������������J����������������������������� ������������������������������ ������������������������ �P������ �P
�� ��������� �����J����� ���������� ����������� �����J����� ���������� ������������������������������������������������������
Genetic information :
Ethical Issues in Genome genetic testingEthical Issues in Genome genetic testing
Silao 2005
*������������������� �������
� ,����� ��
C ,����I�4,�� ���� ����� C ������ ������
������ �������J���� �������� �M
C $��������C ���� ����������������M
� .�����- �����
C ,��� �������� �� ��M
C .�������������������������
C ;�������������� ����������
C 4������
C K����������������� �����M
40
!�����������������
� 4������������� �
� /�������������� �
� 2 ����� ��������������
� .���������������J�
� ����������������������� ���
K������� ����������������������������������� ��������������� ����M
K��������������������������� ����M
2 �������������������������� �����
�������
� 0�������������������� ���������������J���������������������
� K������������������ ���M
� 0�� ��� �;�������8����������� �������C 2 ��������������#�������� �?������������ �
� ;�����C 2 ����������
� ; ������2 ��C 2 ����������� ����
C -������� �������������� ���
�����-�/@��'-;