Biotechnology & its Applications Class 12 Notes Biology Chapter 10

 Page 1


 
 
Genetically Engineered Crops 
? Genetically engineered crops have desirable genes (as of insect/pest 
resistance, giving better yield) incorporated in them. 
? Genetically modified crops have 
? more tolerance to abiotic stresses such as cold, drought, salinity, 
heat, etc. 
? insect/pest resistance 
? reduced post­harvest losses 
? efficient mineral usage by plants 
? enhanced nutritional value (e.g., Vitamin A rich rice) 
Bt  ?Cotton 
? Bacillus thuringiensis ? is a bacterium that produces proteins to kill 
certain insects such as lepidopterans (armyworm), coleopterans 
(beetles), and dipterans (flies/ mosquitoes).  ?B. thuringiensis ? produces 
a protein crystal containing a toxic protein (inactivated state). 
? Inactivated toxin Activated toxin (gut of insect) 
? Activated toxin binds to the epithelial cells in the midgut of insect and 
creates pores that cause lyses and swelling and eventually death of 
insect. 
? This toxin is encoded by a gene called  ?Cry ? in the bacterium. Genes 
encoded by  ?Cry IAc  ?and  ?Cry II ?  ?Ab ? control cotton bollworms and those 
encoded by  ?Cry IAb ? control corn borer. 
? Cry genes are introduced into the cotton plants to produce  ?Bt ? cotton, 
which is an insect resistant variety of cotton. 
RNA Interference (RNAi ?) 
? RNAi is a method adopted to prevent infestation of roots of tobacco 
plants by a nematode  ?Meloidegyne incognitia ?. 
? In RNAi, a complementary RNA binds to mRNA to form a ds RNA, 
Page 2


 
 
Genetically Engineered Crops 
? Genetically engineered crops have desirable genes (as of insect/pest 
resistance, giving better yield) incorporated in them. 
? Genetically modified crops have 
? more tolerance to abiotic stresses such as cold, drought, salinity, 
heat, etc. 
? insect/pest resistance 
? reduced post­harvest losses 
? efficient mineral usage by plants 
? enhanced nutritional value (e.g., Vitamin A rich rice) 
Bt  ?Cotton 
? Bacillus thuringiensis ? is a bacterium that produces proteins to kill 
certain insects such as lepidopterans (armyworm), coleopterans 
(beetles), and dipterans (flies/ mosquitoes).  ?B. thuringiensis ? produces 
a protein crystal containing a toxic protein (inactivated state). 
? Inactivated toxin Activated toxin (gut of insect) 
? Activated toxin binds to the epithelial cells in the midgut of insect and 
creates pores that cause lyses and swelling and eventually death of 
insect. 
? This toxin is encoded by a gene called  ?Cry ? in the bacterium. Genes 
encoded by  ?Cry IAc  ?and  ?Cry II ?  ?Ab ? control cotton bollworms and those 
encoded by  ?Cry IAb ? control corn borer. 
? Cry genes are introduced into the cotton plants to produce  ?Bt ? cotton, 
which is an insect resistant variety of cotton. 
RNA Interference (RNAi ?) 
? RNAi is a method adopted to prevent infestation of roots of tobacco 
plants by a nematode  ?Meloidegyne incognitia ?. 
? In RNAi, a complementary RNA binds to mRNA to form a ds RNA, 
which cannot translate and hence, its expression is blocked 
(Silencing). 
? This complementary mRNA may come from 
? infection by RNA viruses 
? transposons (mobile genetic elements) 
? RNAi exists naturally in eukaryotes as a method of cellular defence. 
? Nematode specific genes (DNA) were introduced in the host plant. 
? The introduced DNA forms both sense and anti­sense RNA. 
? Two strands being complementary to each other bend and form ds 
RNA, leading to RNAi. 
? mRNA of nematode is silenced and the parasite cannot survive in the 
transgenic host. 
Applications of Biotechnology in Medicine  
Recombinant Therapeutics  
? With the help of RDT, mass production of efficient therapeutic drugs 
can be accomplished. 
? These are safe and do not induce unwanted immunological response. 
Genetically Engineered Insulin  
? Insulin is in great demand due to increase in number of patients with 
adult onset diabetes. 
? Insulin extracted from animal source (example, slaughtered cattle and 
pigs) induce allergy in humans. 
? Insulin as a pro­enzyme consists of 3 peptide chains - A, B, and C. 
? Pro­enzyme insulin  Mature insulin 
? Mature insulin consists of only two peptide chains - A and B. Both 
these chains were separately isolated and introduced in plasmids of  ?E. 
coli ? to produce insulin chains. 
? Separately produced chains A and B were extracted and combined by 
creating a disulphide bond to form mature human insulin. 
Gene Therapy 
Page 3


 
 
Genetically Engineered Crops 
? Genetically engineered crops have desirable genes (as of insect/pest 
resistance, giving better yield) incorporated in them. 
? Genetically modified crops have 
? more tolerance to abiotic stresses such as cold, drought, salinity, 
heat, etc. 
? insect/pest resistance 
? reduced post­harvest losses 
? efficient mineral usage by plants 
? enhanced nutritional value (e.g., Vitamin A rich rice) 
Bt  ?Cotton 
? Bacillus thuringiensis ? is a bacterium that produces proteins to kill 
certain insects such as lepidopterans (armyworm), coleopterans 
(beetles), and dipterans (flies/ mosquitoes).  ?B. thuringiensis ? produces 
a protein crystal containing a toxic protein (inactivated state). 
? Inactivated toxin Activated toxin (gut of insect) 
? Activated toxin binds to the epithelial cells in the midgut of insect and 
creates pores that cause lyses and swelling and eventually death of 
insect. 
? This toxin is encoded by a gene called  ?Cry ? in the bacterium. Genes 
encoded by  ?Cry IAc  ?and  ?Cry II ?  ?Ab ? control cotton bollworms and those 
encoded by  ?Cry IAb ? control corn borer. 
? Cry genes are introduced into the cotton plants to produce  ?Bt ? cotton, 
which is an insect resistant variety of cotton. 
RNA Interference (RNAi ?) 
? RNAi is a method adopted to prevent infestation of roots of tobacco 
plants by a nematode  ?Meloidegyne incognitia ?. 
? In RNAi, a complementary RNA binds to mRNA to form a ds RNA, 
which cannot translate and hence, its expression is blocked 
(Silencing). 
? This complementary mRNA may come from 
? infection by RNA viruses 
? transposons (mobile genetic elements) 
? RNAi exists naturally in eukaryotes as a method of cellular defence. 
? Nematode specific genes (DNA) were introduced in the host plant. 
? The introduced DNA forms both sense and anti­sense RNA. 
? Two strands being complementary to each other bend and form ds 
RNA, leading to RNAi. 
? mRNA of nematode is silenced and the parasite cannot survive in the 
transgenic host. 
Applications of Biotechnology in Medicine  
Recombinant Therapeutics  
? With the help of RDT, mass production of efficient therapeutic drugs 
can be accomplished. 
? These are safe and do not induce unwanted immunological response. 
Genetically Engineered Insulin  
? Insulin is in great demand due to increase in number of patients with 
adult onset diabetes. 
? Insulin extracted from animal source (example, slaughtered cattle and 
pigs) induce allergy in humans. 
? Insulin as a pro­enzyme consists of 3 peptide chains - A, B, and C. 
? Pro­enzyme insulin  Mature insulin 
? Mature insulin consists of only two peptide chains - A and B. Both 
these chains were separately isolated and introduced in plasmids of  ?E. 
coli ? to produce insulin chains. 
? Separately produced chains A and B were extracted and combined by 
creating a disulphide bond to form mature human insulin. 
Gene Therapy 
? Gene therapy is an attempt to deal with genetic or congenital diseases. 
? This aims at correction of a genetic defect by delivery of a normal gene 
into an individual or embryo to take over or compensate the function 
for a non­functional gene. 
? The first disease to have a gene therapy is ADA (Adenosine 
deaminase) deficiency. In this, the gene coding for enzyme ADA gets 
deleted leading to deficiency of ADA and problems in immune system. 
? ADA deficiency can also be treated with: 
? Bone marrow transplantation 
? Enzyme replacement therapy 
? Gene therapy for ADA deficiency: 
? Lymphocytes isolated from patient’s blood are cultured in­vitro. 
? Functional ADA cDNA are then introduced into the cultured 
lymphocytes. 
? These lymphocytes are returned back to the patient’s body. 
? Lymphocytes are not immortal. Therefore, repeated infusion of 
genetically engineered lymphocytes is required. 
? Permanent cure - Introduction of gene isolated from bone marrow 
cells producing ADA into cells at early embryonic stages 
Molecular Diagnosis 
? Recombinant DNA technologies, PCR, ELISA (enzyme linked immuno 
sorbent assay) are some of the technologies of molecular diagnosis. 
? Early diagnosis of bacteria and virus in body, when the concentration 
is extremely low, can be done by PCR since it amplifies the DNA 
several folds. 
? PCR is used to detect HIV virus in suspected AIDS patients and 
mutations in genes in suspected cancer patients. 
? ELISA is based on antigen­antibody interactions. In the presence of an 
antigen, the antibody produced against it can be detected. 
? Hybridisation with a radioactive probe - In this approach, gene is 
hybridized with a radioactive probe and autoradiography is used for 
detection. The regions where mutation is present in the gene will not 
Page 4


 
 
Genetically Engineered Crops 
? Genetically engineered crops have desirable genes (as of insect/pest 
resistance, giving better yield) incorporated in them. 
? Genetically modified crops have 
? more tolerance to abiotic stresses such as cold, drought, salinity, 
heat, etc. 
? insect/pest resistance 
? reduced post­harvest losses 
? efficient mineral usage by plants 
? enhanced nutritional value (e.g., Vitamin A rich rice) 
Bt  ?Cotton 
? Bacillus thuringiensis ? is a bacterium that produces proteins to kill 
certain insects such as lepidopterans (armyworm), coleopterans 
(beetles), and dipterans (flies/ mosquitoes).  ?B. thuringiensis ? produces 
a protein crystal containing a toxic protein (inactivated state). 
? Inactivated toxin Activated toxin (gut of insect) 
? Activated toxin binds to the epithelial cells in the midgut of insect and 
creates pores that cause lyses and swelling and eventually death of 
insect. 
? This toxin is encoded by a gene called  ?Cry ? in the bacterium. Genes 
encoded by  ?Cry IAc  ?and  ?Cry II ?  ?Ab ? control cotton bollworms and those 
encoded by  ?Cry IAb ? control corn borer. 
? Cry genes are introduced into the cotton plants to produce  ?Bt ? cotton, 
which is an insect resistant variety of cotton. 
RNA Interference (RNAi ?) 
? RNAi is a method adopted to prevent infestation of roots of tobacco 
plants by a nematode  ?Meloidegyne incognitia ?. 
? In RNAi, a complementary RNA binds to mRNA to form a ds RNA, 
which cannot translate and hence, its expression is blocked 
(Silencing). 
? This complementary mRNA may come from 
? infection by RNA viruses 
? transposons (mobile genetic elements) 
? RNAi exists naturally in eukaryotes as a method of cellular defence. 
? Nematode specific genes (DNA) were introduced in the host plant. 
? The introduced DNA forms both sense and anti­sense RNA. 
? Two strands being complementary to each other bend and form ds 
RNA, leading to RNAi. 
? mRNA of nematode is silenced and the parasite cannot survive in the 
transgenic host. 
Applications of Biotechnology in Medicine  
Recombinant Therapeutics  
? With the help of RDT, mass production of efficient therapeutic drugs 
can be accomplished. 
? These are safe and do not induce unwanted immunological response. 
Genetically Engineered Insulin  
? Insulin is in great demand due to increase in number of patients with 
adult onset diabetes. 
? Insulin extracted from animal source (example, slaughtered cattle and 
pigs) induce allergy in humans. 
? Insulin as a pro­enzyme consists of 3 peptide chains - A, B, and C. 
? Pro­enzyme insulin  Mature insulin 
? Mature insulin consists of only two peptide chains - A and B. Both 
these chains were separately isolated and introduced in plasmids of  ?E. 
coli ? to produce insulin chains. 
? Separately produced chains A and B were extracted and combined by 
creating a disulphide bond to form mature human insulin. 
Gene Therapy 
? Gene therapy is an attempt to deal with genetic or congenital diseases. 
? This aims at correction of a genetic defect by delivery of a normal gene 
into an individual or embryo to take over or compensate the function 
for a non­functional gene. 
? The first disease to have a gene therapy is ADA (Adenosine 
deaminase) deficiency. In this, the gene coding for enzyme ADA gets 
deleted leading to deficiency of ADA and problems in immune system. 
? ADA deficiency can also be treated with: 
? Bone marrow transplantation 
? Enzyme replacement therapy 
? Gene therapy for ADA deficiency: 
? Lymphocytes isolated from patient’s blood are cultured in­vitro. 
? Functional ADA cDNA are then introduced into the cultured 
lymphocytes. 
? These lymphocytes are returned back to the patient’s body. 
? Lymphocytes are not immortal. Therefore, repeated infusion of 
genetically engineered lymphocytes is required. 
? Permanent cure - Introduction of gene isolated from bone marrow 
cells producing ADA into cells at early embryonic stages 
Molecular Diagnosis 
? Recombinant DNA technologies, PCR, ELISA (enzyme linked immuno 
sorbent assay) are some of the technologies of molecular diagnosis. 
? Early diagnosis of bacteria and virus in body, when the concentration 
is extremely low, can be done by PCR since it amplifies the DNA 
several folds. 
? PCR is used to detect HIV virus in suspected AIDS patients and 
mutations in genes in suspected cancer patients. 
? ELISA is based on antigen­antibody interactions. In the presence of an 
antigen, the antibody produced against it can be detected. 
? Hybridisation with a radioactive probe - In this approach, gene is 
hybridized with a radioactive probe and autoradiography is used for 
detection. The regions where mutation is present in the gene will not 
appear in the photographic film since probe will not be able to bind 
with that part. 
Transgenic Animals & Biopiracy  
  
Transgenic Animals 
? Animals that have their DNA manipulated to possess or express an 
extra gene are called transgenic animals. 
? Till date, transgenic rats, rabbits, pigs, sheep, cows, and fish have 
been produced. 
Reasons for Producing Transgenic Animals 
? Study of normal physiology 
? Transgenic animals serve as models to study genetics, regulation 
and down regulation of genes, and their corresponding effects on 
physiology. 
? They give information about the biological role of a particular 
factor in the body. 
? Study of diseases 
? They act as models to study genetic basis of diseases. 
? These studies aid in finding possible treatments of diseases. 
? Transgenic models exist of various human diseases such as 
cancer, cystic fibrosis, rheumatoid arthritis, Alzheimer’s, etc. 
? Biological products 
? Treatment of diseases often requires certain products that are 
expensive to make. 
? Transgenic animals can be produced that have genes, coding for 
that particular product. 
? Example - Human protein a­1­antitrypsim used to treat 
emphysema is isolated by this method. 
? In 1997, first transgenic cow Rosie produced human 
protein­enriched milk, which contained a­lactalbumin and was 
nutritionally more suitable for human babies. 
Page 5


 
 
Genetically Engineered Crops 
? Genetically engineered crops have desirable genes (as of insect/pest 
resistance, giving better yield) incorporated in them. 
? Genetically modified crops have 
? more tolerance to abiotic stresses such as cold, drought, salinity, 
heat, etc. 
? insect/pest resistance 
? reduced post­harvest losses 
? efficient mineral usage by plants 
? enhanced nutritional value (e.g., Vitamin A rich rice) 
Bt  ?Cotton 
? Bacillus thuringiensis ? is a bacterium that produces proteins to kill 
certain insects such as lepidopterans (armyworm), coleopterans 
(beetles), and dipterans (flies/ mosquitoes).  ?B. thuringiensis ? produces 
a protein crystal containing a toxic protein (inactivated state). 
? Inactivated toxin Activated toxin (gut of insect) 
? Activated toxin binds to the epithelial cells in the midgut of insect and 
creates pores that cause lyses and swelling and eventually death of 
insect. 
? This toxin is encoded by a gene called  ?Cry ? in the bacterium. Genes 
encoded by  ?Cry IAc  ?and  ?Cry II ?  ?Ab ? control cotton bollworms and those 
encoded by  ?Cry IAb ? control corn borer. 
? Cry genes are introduced into the cotton plants to produce  ?Bt ? cotton, 
which is an insect resistant variety of cotton. 
RNA Interference (RNAi ?) 
? RNAi is a method adopted to prevent infestation of roots of tobacco 
plants by a nematode  ?Meloidegyne incognitia ?. 
? In RNAi, a complementary RNA binds to mRNA to form a ds RNA, 
which cannot translate and hence, its expression is blocked 
(Silencing). 
? This complementary mRNA may come from 
? infection by RNA viruses 
? transposons (mobile genetic elements) 
? RNAi exists naturally in eukaryotes as a method of cellular defence. 
? Nematode specific genes (DNA) were introduced in the host plant. 
? The introduced DNA forms both sense and anti­sense RNA. 
? Two strands being complementary to each other bend and form ds 
RNA, leading to RNAi. 
? mRNA of nematode is silenced and the parasite cannot survive in the 
transgenic host. 
Applications of Biotechnology in Medicine  
Recombinant Therapeutics  
? With the help of RDT, mass production of efficient therapeutic drugs 
can be accomplished. 
? These are safe and do not induce unwanted immunological response. 
Genetically Engineered Insulin  
? Insulin is in great demand due to increase in number of patients with 
adult onset diabetes. 
? Insulin extracted from animal source (example, slaughtered cattle and 
pigs) induce allergy in humans. 
? Insulin as a pro­enzyme consists of 3 peptide chains - A, B, and C. 
? Pro­enzyme insulin  Mature insulin 
? Mature insulin consists of only two peptide chains - A and B. Both 
these chains were separately isolated and introduced in plasmids of  ?E. 
coli ? to produce insulin chains. 
? Separately produced chains A and B were extracted and combined by 
creating a disulphide bond to form mature human insulin. 
Gene Therapy 
? Gene therapy is an attempt to deal with genetic or congenital diseases. 
? This aims at correction of a genetic defect by delivery of a normal gene 
into an individual or embryo to take over or compensate the function 
for a non­functional gene. 
? The first disease to have a gene therapy is ADA (Adenosine 
deaminase) deficiency. In this, the gene coding for enzyme ADA gets 
deleted leading to deficiency of ADA and problems in immune system. 
? ADA deficiency can also be treated with: 
? Bone marrow transplantation 
? Enzyme replacement therapy 
? Gene therapy for ADA deficiency: 
? Lymphocytes isolated from patient’s blood are cultured in­vitro. 
? Functional ADA cDNA are then introduced into the cultured 
lymphocytes. 
? These lymphocytes are returned back to the patient’s body. 
? Lymphocytes are not immortal. Therefore, repeated infusion of 
genetically engineered lymphocytes is required. 
? Permanent cure - Introduction of gene isolated from bone marrow 
cells producing ADA into cells at early embryonic stages 
Molecular Diagnosis 
? Recombinant DNA technologies, PCR, ELISA (enzyme linked immuno 
sorbent assay) are some of the technologies of molecular diagnosis. 
? Early diagnosis of bacteria and virus in body, when the concentration 
is extremely low, can be done by PCR since it amplifies the DNA 
several folds. 
? PCR is used to detect HIV virus in suspected AIDS patients and 
mutations in genes in suspected cancer patients. 
? ELISA is based on antigen­antibody interactions. In the presence of an 
antigen, the antibody produced against it can be detected. 
? Hybridisation with a radioactive probe - In this approach, gene is 
hybridized with a radioactive probe and autoradiography is used for 
detection. The regions where mutation is present in the gene will not 
appear in the photographic film since probe will not be able to bind 
with that part. 
Transgenic Animals & Biopiracy  
  
Transgenic Animals 
? Animals that have their DNA manipulated to possess or express an 
extra gene are called transgenic animals. 
? Till date, transgenic rats, rabbits, pigs, sheep, cows, and fish have 
been produced. 
Reasons for Producing Transgenic Animals 
? Study of normal physiology 
? Transgenic animals serve as models to study genetics, regulation 
and down regulation of genes, and their corresponding effects on 
physiology. 
? They give information about the biological role of a particular 
factor in the body. 
? Study of diseases 
? They act as models to study genetic basis of diseases. 
? These studies aid in finding possible treatments of diseases. 
? Transgenic models exist of various human diseases such as 
cancer, cystic fibrosis, rheumatoid arthritis, Alzheimer’s, etc. 
? Biological products 
? Treatment of diseases often requires certain products that are 
expensive to make. 
? Transgenic animals can be produced that have genes, coding for 
that particular product. 
? Example - Human protein a­1­antitrypsim used to treat 
emphysema is isolated by this method. 
? In 1997, first transgenic cow Rosie produced human 
protein­enriched milk, which contained a­lactalbumin and was 
nutritionally more suitable for human babies. 
? Vaccine safety tests 
? Transgenic mice are used to test vaccines for their safety before 
they are used for humans. 
? Example - Transgenic mice are used to check polio vaccines. 
? Chemical safety testing 
? Transgenic animals contain genes that make them more 
sensitive to toxic substances than non­transgenic. 
? Toxicity testing in such animals helps us to obtain results in less 
time. 
Ethical Issues Associated with Transgenic Animals 
? Indian government has set up an organization GEAC (Genetic 
Engineering Approval Committee), which makes decisions regarding 
validity of GM research and its use for public utility. 
? Modification which may result in the loss of biological significance of 
animals cannot go beyond regulation. 
? Unpredictable results may be observed, if these organisms are 
introduced in natural ecosystem. 
? Patents for transgenic varieties also create problems as many 
indigenous varieties are claimed by multinational companies as their 
own inventions. 
? For example - A new variety of Basmati was claimed by an American 
company through patenting. This new variety was actually derived by 
Indian farmers by crossing Indian Basmati with semi­dwarf varieties. 
? Similarly Neem and turmeric, which have been used for ages in Indian 
medicines, are also matters of dispute for patent rights. 
Biopiracy 
? Use of bio­resources by MNCs and other organisations without proper 
authorisation from countries and people concerned without 
compensatory payment 
? Industrialized and developed nations are economically rich, but poor in 
biodiversity while opposite prevails for developing nations. Therefore, 
developed countries exploit traditional knowledge and resources of