Что представляет собой биотехнология. Что такое биотехнология? Основные направления и достижения

Впервые термин «биотехнология» применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году. Отдельные элементы биотехнологии появились достаточно давно. По сути, это были попытки использовать в промышленном производстве отдельные клетки (микроорганизмы) и некоторые ферменты, способствующие протеканию ряда химических процессов.

Так, в 1814 году петербургский академик К. С. Кирхгоф открыл явление биологического катализа и пытался биокаталитическим путём получить сахар из доступного отечественного сырья (до середины XIX века сахар получали только из сахарного тростника). В 1891 году в США японский биохимик Дз. Такамине получил первый патент на использование ферментных препаратов в промышленных целях: учёный предложил применить диастазу для осахаривания растительных отходов.

В начале XX века активно развивалась бродильная и микробиологическая промышленность. В эти же годы были предприняты первые попытки использовать ферменты в текстильной промышленности.

В 1916–1917 годах русский биохимик А. М. Коленев пытался разработать способ, который позволил бы управлять действием ферментов в природном сырье при производстве табака.

Огромный вклад в дело практического использования достижений биохимии внёс академик А. Н. Бах, создавший важное прикладное направление биохимии – техническую биохимию. А. Н. Бах и его ученики разработали множество рекомендаций по улучшению технологий обработки самого различного биохимического сырья, совершенствованию технологий хлебопечения, пивоварения, виноделия, производства чая и табака и т. п., а также рекомендации по повышению урожая культурных растений путём управления протекающими в них биохимическими процессами.

Все эти исследования, а также прогресс химической и микробиологической промышленности и создание новых промышленных биохимических производств (чая, табака и т. п.) были важнейшими предпосылками возникновения современной биотехнологии.

В производственном отношении основой биотехнологии в процессе её формирования стала микробиологическая промышленность. За послевоенные годы микробиологическая промышленность приобрела принципиально новые черты: микроорганизмы стали использовать не только как средство повышения интенсивности биохимических процессов, но и как миниатюрные синтетические фабрики, способные синтезировать внутри своих клеток ценнейшие и сложнейшие химические соединения. Перелом был связан с открытием и началом производства антибиотиков.

Первый антибиотик – пенициллин – был выделен в 1940 году. Вслед за пенициллином были открыты и другие антибиотики (эта работа продолжается и поныне). С открытием антибиотиков сразу же появились новые задачи: налаживание производства лекарственных веществ, продуцируемых микроорганизмами, работа над удешевлением и повышением уровня доступности новых лекарств, получением их в очень больших количествах, необходимых медицине.

Синтезировать антибиотики химически было очень дорого или вообще невероятно трудно, почти невозможно (недаром химический синтез тетрациклина советским учёным академиком М. М. Шемякиным считается одним из крупнейших достижений органического синтеза). И тогда решили для промышленного производства лекарственных препаратов использовать микроорганизмы, синтезирующие пенициллин и другие антибиотики. Так возникло важнейшее направление биотехнологии, основанное на использовании процессов микробиологического синтеза.

Виды биотехнологии

Биоинженерия

Биоинженерия или биомедицинская инженерия – это дисциплина, направленная на углубление знаний в области инженерии, биологии и медицины и укрепление здоровья человечества за счёт междисциплинарных разработок, которые объединяют в себе инженерные подходы с достижениями биомедицинской науки и клинической практики. Биоинженерия/биомедицинская инженерия – это применение технических подходов для решения медицинских проблем в целях улучшения охраны здоровья. Эта инженерная дисциплина направлена на использование знаний и опыта для нахождения и решения проблем биологии и медицины.

Биоинженеры работают на благо человечества, имеют дело с живыми системами и применяют передовые технологии для решения медицинских проблем. Специалисты по биомедицинской инженерии могут участвовать в создании приборов и оборудования, в разработке новых процедур на основе междисциплинарных знаний, в исследованиях, направленных на получение новой информации для решения новых задач.

Среди важных достижений биоинженерии можно упомянуть разработку искусственных суставов, магниторезонансной томографии, кардиостимуляторов, артроскопии, ангиопластики, биоинженерных протезов кожи, почечного диализа, аппаратов искусственного кровообращения. Также одним из основных направлений биоинженерных исследований является применение методов компьютерного моделирования для создания белков с новыми свойствами, а также моделирования взаимодействия различных соединений с клеточными рецепторами в целях разработки новых фармацевтических препаратов («drug design»).

Биомедицина

Раздел медицины, изучающий с теоретических позиций организм человека, его строение и функцию в норме и патологии, патологические состояния, методы их диагностики, коррекции и лечения. Биомедицина включает накопленные сведения и исследования, в большей или меньшей степени общие медицине, ветеринарии, стоматологии и фундаментальным биологическим наукам, таким, как химия, биологическая химия, биология, гистология, генетика, эмбриология, анатомия, физиология, патология, биомедицинский инжиниринг, зоология, ботаника и микробиология.

Слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя наноустройства и наноструктуры. В мире уже созданы ряд технологий для наномедицинской отрасли. К ним относятся адресная доставка лекарств к больным клеткам, лаборатории на чипе, новые бактерицидные средства.

Биофармакология

Раздел фармакологии, который изучает физиологические эффекты, производимые веществами биологического и биотехнологического происхождения. Фактически, биофармакология – это плод конвергенции двух традиционных наук – биотехнологии, а именно, той её ветви, которую именуют «красной», медицинской биотехнологией, и фармакологии, ранее интересовавшейся лишь низкомолекулярными химическими веществами, в результате взаимного интереса.

Объекты биофармакологических исследований – изучение биофармацевтических препаратов, планирование их получения, организация производства. Биофармакологические лечебные средства и средства для профилактики заболеваний получают с использованием живых биологических систем, тканей организмов и их производных, с использованием средств биотехнологии, то есть лекарственные вещества биологического и биотехнологического происхождения.

Биоинформатика

Совокупность методов и подходов, включающих в себя:

1. математические методы компьютерного анализа в сравнительной геномике (геномная биоинформатика);
2. разработка алгоритмов и программ для предсказания пространственной структуры белков (структурная биоинформатика);
3. исследование стратегий, соответствующих вычислительных методологий, а также общее управление информационной сложности биологических систем.

В биоинформатике используются методы прикладной математики, статистики и информатики. Биоинформатика используется в биохимии, биофизике, экологии и в других областях.

Бионика

Прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формы живого в природе и их промышленные аналоги. Проще говоря, бионика – это соединение биологии и техники. Бионика рассматривает биологию и технику совсем с новой стороны, объясняя, какие общие черты и какие различия существуют в природе и в технике.

Различают :

• биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах;
• теоретическую бионику, которая строит математические модели этих процессов;
• техническую бионику, применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.

Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими.

Биоремедиация

Комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферы с использованием метаболического потенциала биологических объектов – растений, грибов, насекомых, червей и других организмов.

Клонирование

Появление естественным путём или получение нескольких генетически идентичных организмов путём бесполого (в том числе вегетативного) размножения. Термин «клонирование» в том же смысле нередко применяют и по отношению к клеткам многоклеточных организмов. Клонированием называют также получение нескольких идентичных копий наследственных молекул (молекулярное клонирование). Наконец, клонированием также часто называют биотехнологические методы, используемые для искусственного получения клонов организмов, клеток или молекул. Группа генетически идентичных организмов или клеток – клон.

Генетическая инженерия

Суть генетической инженерии заключается в искусственном создании генов с нужными свойствами и введение их в соответствующую клетку. Перенос гена осуществляет вектор (рекомбинантная ДНК) – специальная молекула ДНК, сконструированная на основе ДНК вирусов или плазмид, которая содержит нужный ген, транспортирует его в клетку и обеспечивает его встраивание в генетический аппарат клетки.

Для маркировки определенных клеток организмов в молекулярно-генетических исследованиях используют ген GFP, выделенный из медузы. Он обеспечивает синтез флуоресцентного белка, который светится в темноте.

Генетическая инженерия широко используется как в научных исследованиях, так и в новейших методах селекции.

Биотехнология – это совокупность промышленных методов, которые применяют для производства различных веществ с использованием живых организмов, биологических процессов или явлений. Традиционная биотехнология основана на явлении ферментации – использовании в производственных процессах ферментов микроорганизмов. Клеточная инженерия – это отрасль биотехнологии, которая разрабатывает и использует технологии культивирования клеток и тканей вне организма в искусственных условиях. Генетическая инженерия – это отрасль биотехнологии, которая разрабатывает и использует технологии выделения генов из организмов и отдельных клеток, их видоизменение и введение в другие клетки или организмы.

Некоторые этические и правовые аспекты применения биотехнологических методов

Этика – учение о нравственности, согласно которому главной добродетелью считается умение найти середину между двух крайностей. Данная наука основана Аристотелем.

Биоэтика – часть этики, изучающая нравственную сторону деятельности человека в медицине, биологии. Термин предложен В.Р. Поттером в 1969 г.

В узком смысле биоэтика обозначает круг этических проблем в сфере медицины. В широком смысле биоэтика относится к исследованию социальных, экологических, медицинских и социально-правовых проблем, касающихся не только человека, но и любых живых организмов, включенных в экосистемы. То есть она имеет философскую направленность, оценивает результаты развития новых технологий и идей в медицине, биотехнологии и биологии в целом.

Современные биотехнологические методы обладают настолько мощным и не до конца изученным потенциалом, что их широкое применение возможно только при строгом соблюдении этических норм. Существующие в обществе моральные принципы обязывают искать компромисс между интересами общества и индивида. Более того, интересы личности ставятся в настоящее время выше интересов общества. Поэтому соблюдение и дальнейшее развитие этических норм в этой сфере должно быть направлено, прежде всего, на всемерную защиту интересов человека.

Массовое внедрение в медицинскую практику и коммерциализация принципиально новых технологий в области генной инженерии и клонирования, привело также к необходимости создания соответствующей правовой базы, регулирующей все юридические аспекты деятельности в этих направлениях.

Остановимся на тех направлениях в биотехнологических исследованиях, которые напрямую связаны с высоким риском нарушения прав личности и вызывают наиболее острую дискуссию по поводу их широкого применения: пересадка органов и клеток в терапевтических целях и клонирование.

В последние годы резко возрос интерес к изучению и применению в биомедицине эмбриональных стволовых клеток человека и техники клонирования с целью их получения. Как известно, эмбриональные стволовые клетки способны трансформироваться в разные типы клеток и тканей (кроветворные, половые, мышечные, нервные и др.). Они оказались перспективными для применения в генной терапии, трансплантологии, гематологии, ветеринарии, фармакотоксикологии, при тестировании лекарств и пр.

Выделение этих клеток производят из эмбрионов и плодов человека 5-8 недель развития, полученных при медицинском прерывании беременности (в результате аборта), что порождает многочисленные вопросы относительно этической и юридической правомерности проведения исследований на эмбрионах человека, в том числе такие:

• насколько необходимы и оправданы научные исследования на эмбриональных стволовых клетках человека?
• допустимо ли ради прогресса медицины разрушать человеческую жизнь и насколько это морально?
• достаточно ли проработана правовая база для применения этих технологий?

В ряде стран запрещены любые исследования на эмбрионах (например, в Австрии, Германии). Во Франции права эмбриона защищаются с момента его зачатия. В Великобритании, Канаде и Австралии, хотя создание эмбрионов для исследовательских целей не запрещено, но разработана система законодательных актов, регулирующая и контролирующая подобные исследования.

В России ситуация в этой области более чем неопределенная: деятельность по изучению и использованию стволовых клеток недостаточно отрегулирована, остаются существенные пробелы в законодательстве, мешающие развитию этого направления. В отношении же клонирования в 2002 г. федеральным законом был введен временный (на 5 лет) запрет на клонирование человека, но срок его действия истек в 2007 г., и вопрос остается открытым.

Рынок биотехнологий

Параллелей с современным биотехом у ИТ гораздо больше, чем может показаться на первый взгляд. Информационные технологии не появились сами по себе, их расцвету предшествовали фундаментальные открытия в физике, физике материалов, вычислительной математике и кибернетике. В результате сегодня ИТ – это область «легких стартапов», от возникновения идеи до принесения прибыли в которых проходит совсем немного времени, и мало кто задумывается о той работе, которая была проделана до сегодняшнего дня.

Ситуация с биотехнологиями аналогична, просто мы сейчас находимся на более раннем этапе, когда ещё идет разработка инструментов, программ. Биотехнологии ждут появления своего «персонального компьютера»”, только в нашем случае он не будет понятным массовым устройством – речь идёт скорее о наборе эффективных и недорогих инструментов.

Можно сказать, что сейчас ситуация подобна той, что была в 1990-е в ИТ. Технологии все еще развиваются и стоят достаточно дорого. Например, полное секвенирование человека стоит $1000. Это намного дешевле, чем цена в $3,3 млрд. у Human Genome Project, но она все еще невероятно высока для обывателя, а её применение для клинической диагностики на широком уровне пока еще невозможно. Для этого нужно, чтобы технология подешевела ещё раз в 10 и улучшила технические свойства настолько, чтобы ошибки секвенирования были нивелированы. В биотехе пока нет таких мощных проектов, как Facebook, но Illumina, Oxford Nanopore, Roche – всё это крайне успешные компании, чья деятельность часто напоминает Google, скупающий интересные стартапы. А Nanopore, например, стали миллиардерами, еще не выйдя на рынок, благодаря сочетанию хорошей исходной идеи, менеджмента и успехов в привлечении финансирования.

Сегодня биотехнологии – это ещё и рынок больших данных, и это продолжает параллели с ИТ, который в данном случае служит уже своего рода инструментом для более крупного и сложного биотеха. Такие компании как Editas Medicine (одни из создателей нашумевшей технологии редактирования генома CRISPR/Cas9) сделали свой IP на результатах секвенирования геномных данных бактерий из открытых источников. Они далеко не первыми стали пожинать плоды от накопленной информации, они даже не были первыми, кто открыл принцип действия кластера CRISPR, однако именно Editas Medicine создали биотехнологический продукт. Сегодня это компания стоимостью более $1 млрд.

И это не единственный бизнес, который возникнет благодаря анализу уже существующих данных. Более того, нельзя сказать, что за такими данными стоит очередь – их уже гораздо больше, чем можно проанализировать, а будет ещё больше, ведь учёные не перестают секвенировать. К сожалению, методы анализа еще несовершенны, поэтому не всем удается превратить данные в многомиллиардный продукт. Но если мы прикинем скорость развития инструментов анализа (подсказка: она очень высокая), несложно понять, что в будущем компаний, заметивших в больших данных генома что-то интересное, станет гораздо больше.

Может ли Россия стать биотехнологической страной?

Основная проблема биотехнологий в России – это не запрет ГМО, как многим кажется, а большое количество всевозможных бюрократических барьеров. Этот факт отмечают и в правительстве. Но даже к барьерам можно приспособиться. Последние 26 лет мы развиваемся под прессом реформ, постоянной смены правил игры, а бизнесу нужна стабильность и уверенность в том, что не будет происходить никаких потрясений.

Если российским биотехнологиям не мешать, они начнут развиваться. Также хочется отметить, что необдуманное желание помогать, те самые непродуманные госинвестиции, на самом деле, приводят к противоположному результату – субсидирование приучает компании к тому, что они будут поддерживаться государством постоянно. Как показывает практика, компании на госинвестициях становятся не эффективными. Везде нужна здоровая конкуренция, поэтому первоначальные вклады должны идти даже не от государства, а от бизнеса, который должен чувствовать уверенность в завтрашнем дня, с чем у нас пока проблемы.

Самое правильное для государства – это инвестировать в создания оптимальной среды для биотеха. У нас есть и умы, и люди с энергией и желанием созидать – важно не дать этому желанию пропасть.

Сегодня биотехнологии находятся в фазе интенсивного роста, но уже можно представить вектор их развития. Ведь сам смысл технологий не изменится, как он не изменился после появления компьютера: его идея в 1951 году не особо отличалась от той, что стоит за современными компьютерами. Существенно отличается только функционал и производительность. То же самое произойдёт и с биотехнологиями, а драйвер их развития даже понятнее – это вечное желание людей быть здоровыми и жить долго, не соблюдая при этом всех сложных правил здорового образа жизни. Поэтому в самом ближайшем будущем нас ждёт расцвет биотехнологий, и в конечном счёте это прекрасные новости для всего человечества.

Биотехнологии (Βιοτεχνολογία, от греч. Bios — жизнь, techne — искусство, мастерство и logos — слово, учение) — использование живых организмов и биологических процессов в производстве. Биотехнология — междисциплинарная область, возникшая на стыке биологических, химических и технических наук. С развитием биотехнологии связывают решение глобальных проблем человечества — ликвидацию нехватки продовольствия, энергии, минеральных ресурсов, улучшение состояния здравоохранения и качества окружающей среды.

Метод

Положительным фактором в применении биологического метода является его экологичность. Биологические средства можно использовать без ограничения кратности применения, в то время как количество обработок растений химическими пестицидами строго регламентирована.

Биологическая защита растений основывается на системном подходе и комплексной реализации двух основных направлений: сохранение и содействие деятельности естественных популяций полезных видов (энтомофагов, микроорганизмов), самозащиты культурных растений в агробиоценозах и обновления агробиоценозов полезными видами, которых не хватает или которые отсутствуют. Принципиальным отличием биологического метода защиты растений от любого другого является использование именно первого направления, осуществляют, применяя биологические препараты, способами сезонной колонизации, интродукции и акклиматизации зоофаги и микроорганизмов. Размножению и эффективности деятельности полезных видов способствуют агробиотехнични меры, и некоторые способы обработки почвы с помощью которых можно создавать благоприятные условия для жизнедеятельности зоофаги.

Выращивание устойчивых к вредным организмам сортов культурных растений способствует формированию маложиттездатних популяций вредителей.

Каждый из основных средств биологического метода (применение зоофаги, полезных в защите растений микроорганизмами) имеет свои особенности и эффективен в соответствующих условиях. Эти средства не исключают, а дополняют друг друга. Сейчас особое внимание уделяется поиску путей совместного применения биологической защиты с другими методами в интегрированных системах защиты растений от вредных организмов. Основной задачей этого метода является изучение условий, которые определяют эффективность естественных врагов вредных организмов и разработка способов регулирования их количества и взаимоотношений с популяциями вредных организмов.

Интродукция и акклиматизация применяются против карантинных вредителей, которые имеют ограниченное распространение в стране.

Естественные враги ограничивают размножение вредителя на его родине, а в новом географическом районе они отсутствуют. Эффективных зоофаги и микроорганизмов для завоза и акклиматизации находят на родине вредного организма и переселяют в новые районы. Наилучшие результаты получают при завозе узкоспециализированных видов, которые приспособлены к существованию за счет одного вредителя, болезни, сорняков. Внутришньоареальне переселения заключается в переселении эффективных, чаще специализированных, естественных врагов из старых очагов, где численность вредных организмов снижается, в новые в других частях ареала вида, где эти враги отсутствуют или еще не накопились.

Микроорганизмы, которые повреждают вредные виды, для защиты растений применяются в форме биологических препаратов. Большинство биологических бактериальных препаратов создано на основе кристалоутворюючих бактерий группы Bacillus thuringiensis Berl., Которые образуют споры и кристаллы, способные растворяться в кишечнике насекомых, куда они попадают с кормом.

Грибные препараты содержат споры энтомопатогенных грибов, принадлежащих к несовершенным.

Вирусные биологические препараты (Вериных) изготавливаются на основе вирусов полиэдроза и гранулезы, которые чаще всего поражают чешуекрылых.

В живых системах на всех уровнях организации распространенным способом передачи информации является химическая коммуникация. В последнее время большое внимание уделяется разработке и применению биологически активных веществ, которые обеспечивают взаимоотношения между живыми организмами в биоценозах, их рост и развитие. Основной группой биологически активных веществ является феромоны. Феромоны — химические вещества, которые производят и выделяют в окружающую среду насекомые. Эти вещества вызывают соответствующие поведенческие или физиологические реакции. Существуют различные группы феромонов — половые, агрегацию, следовые т. Наибольшее распространение в практике защиты растений приобрели половые феромоны, которые чаще всего выделяют самки для привлечения самцов. Наиболее изученными являются феромоны чешуекрылых, жесткокрылых, клопов, сетчатокрылых, термитов. На основе определения структуры природных феромонов насекомых созданы их синтетические аналоги. Половые феромоны используются для обнаружения и определения зоны распространения вредителей, для сигнализации сроков применения защитных мер, определение плотности популяций вредителей, а также для защиты посевов путем массового отлова самцов («самцевого вакуума») и дезориентации, привлечения самцов при химической стерилизации.

Способ дезориентации насекомых предусматривает насыщение площади высокими концентрациями синтетического феромона и нарушения феромонных коммуникации между самцами и самками. В результате неспаренных самки откладывают неоплодотворенные яйца, что и приводит к снижению численности вида. Установлено, что процессы метаморфозу, линьки, размножения и диапаузы насекомых регулируют гормоны. Наиболее изученными являются ювенильный (личиночный), экдизон (линочний) и мозговой. Гормоны были синтезированы и получены как химические соединения, по структуре отличаются от природных, но имитируют их биологическую активность — выполняют роль регуляторов роста и развития насекомых. В защите растений практического применения приобрели ингибиторы синтеза хитин и ювеноидив. Гормональные препараты по своему действию значительно отличаются от традиционных инсектицидов. Они не токсичны, но обусловливают нарушения эмбрионального развития, метаморфозу, вызывают стерилизацию. Ингибиторы хитина нарушают формирование кутикулы во время линьки. Ювеноидив вызывают гибель при завершении личиночного или лялечкового развития, являются ингибиторами синтеза хитин при очередной Линци.

Генетический метод борьбы с вредными организмами был разработан и предложен А. С. Серебровским (1938, 1950). Этот метод предусматривает насыщение природной популяции вредителя генетически неполноценными особями того же вида. Самки природной популяции, спариваясь с такими особями, откладывают нежизнеспособные яйца, не дают потомства, происходит самоуничтожения вредителя. Генетический метод осуществляется лучевой и химической стерилизацией. Лучевая стерилизация предусматривает массовое разведение вредителей, облучения их (гамма-лучами, рентгеновскими лучами) и следующий выпуск в плодовые насаждения, посевы сельскохозяйственных культур. В облученных особях возникают повреждения хромосомного аппарата. При химической стерилизации стерилизаторами используются химические вещества, с алкилючих сообщений, антиметаболитов и антибиотиков. Первые вызывают половую стерильность самок и самцов, антиметаболиты обусловливают стерильность самок. Генетический метод борьбы был применен в 1954 году по сравнению с серой мясной мухи на острове Кюрасао, которая наносит значительный ущерб животноводству. Выпуск стерилизованных особей был успешным. Генетическом метода борьбы присуща избирательность, его применение не связано с негативным воздействием на окружающую среду и не способствует явке устойчивости к факторам стерилизации.

История биотехнологии

С древнейших времен человек использовал биотехнологические процессы при хлебопечении, приготовлении кисломолочных продуктов, в виноделии и т.д., но только благодаря работам Луи Пастера в середине 19 века, доказали связь процессов брожения с деятельностью микроорганизмов, традиционная биотехнология получила научную основу.

В 40-50-е годы 20 века, когда был осуществлен биосинтез пенициллинов методами ферментации, началась эра антибиотиков, давшая толчок развитию микробиологического синтеза и созданию микробиологической промышленности.

В 60-70-е годы 20 века начала бурно развиваться клеточная инженерия.

С созданием 1972 группой П. Берга в США первой гибридной молекулы ДНК in vitro формально связано рождение генетической инженерии, открыла путь к сознательной изменения генетической структуры организмов таким образом, чтобы эти организмы могли производить необходимые человеку продукты и осуществлять необходимые процессы. Эти два направления определили облик новой биотехнологии, имеет мало общего с той примитивной биотехнологией, что человек использовал в течение тысячелетий. Показательно, что в 1970-е годы получил распространение и самый срок биотехнология. С этого времени биотехнология неразрывно связана с молекулярной и клеточной биологией, молекулярной генетикой, биохимией и биоорганической химией. За короткий период своего развития (25-30 лет) современная биотехнология не только достигла существенных успехов, но и продемонстрировала неограниченные возможности использования организмов и биологических процессов в различных отраслях производства и народного хозяйства.

Биотехнология как наука

Биотехнология — это комплекс фундаментальных и прикладных наук, технических средств, направленных на получение и использование клеток микроорганизмов, животных и растений, а также продуктов их жизнедеятельности: ферментов, аминокислот, витаминов, антибиотиков и др.

Биотехнология, которая включает промышленную микробиологию, базируется на использовании знаний и методов биохимии, микробиологии, генетики и химической технологии, что позволяет получать пользу в технологических процессах из свойств микроорганизмов и клеточных культур. Современные биотехнологические процессы основаны на методах рекомбинантных ДНК, а также на использовании иммобилизованных ферментов, клеток и клеточных органелл.

Основные направления исследований:

• Разработка научных основ создания новых биотехнологий с помощью методов молекулярной биологии, генетической и клеточной инженерии.
• Получение и использование биомассы микроорганизмов и продуктов микробиологического синтеза.
• Изучение физико-химических и биохимических основ биотехнологических процессов.
• Использование вирусов для создания новых биотехнологий.

Применение

Биотехнология применяется вокруг нас во многих предметах ежедневного потребления — от одежды, которую мы носим, ​​к сыру, который мы потребляем. На протяжении веков фермеры, пекари и пивовары использовали традиционные технологии для изменения и модификации растений и продуктов питания — пшеница может служить древнейшим примером, а нектарин — одним из последних. Сегодня биотехнология использует современные научные методы, которые позволяют улучшить или модифицировать растения, животные, микроорганизмы с большей точностью и предсказуемостью.

Потребители должны иметь выбор из более широкого перечня безопасных продуктов. Биотехнология может предоставить потребителям возможность такого выбора — не только в сельском хозяйстве, но и в медицине и топливных ресурсах.

Преимущества биотехнологий

Биотехнология предлагает огромные потенциальные преимущества. Развитые страны и развивающиеся страны, должны быть прямо заинтересованы в поддержке дальнейших исследований, направленных на то, чтобы биотехнология могла полностью реализовать свой потенциал.

Биотехнология помогает окружающей среде. Позволяя фермерам уменьшить количество пестицидов и гербицидов, биотехнологические продукты первого поколения привели к уменьшению их использования в сельскохозяйственной практике, а будущие продукты биотехнологий должны принести еще больше преимуществ. Уменьшение пестицидной и гербицидного нагрузки означает меньший риск токсического загрязнения почв и грунтовых вод. Кроме того, гербициды, применяемые в сочетании с генетически модифицированными растениями, часто более безопасны для окружающей среды, чем гербициды предыдущего поколения, на смену которым они приходят. Культуры, выведенные методами биоинженерии, также способствуют широкому применению безотвальной обработки почвы, что приводит к уменьшению потерь плодородия почвы.

Огромный потенциал биотехнология имеет в борьбе с голодом. Развитие биотехнологий предлагает значительные потенциальные преимущества для развивающихся стран, где более миллиарда жителей планеты живут в бедности и страдают от хронического голода. Из-за роста урожайности и вывода культур, устойчивых к болезням и засухе, биотехнология может уменьшить недостаток пищи для населения планеты, которое по состоянию к 2025 году составит более 8000000000 человек, что на 30% больше чем сегодня. Ученые создают сельскохозяйственные культуры с новыми свойствами, которые помогают им выживать в неблагоприятных условиях засухи и наводнений.

Биотехнология помогает бороться с болезнями. Развивая и улучшая медицину, она дает новые инструменты в борьбе с ними. Биотехнология дала медицинские методы лечения кардиологических болезней, склероза, гемофилии, гепатита, и СПИДа. Сейчас создаются биотехнологические продукты питания, которые сделают дешевле и доступнее для беднейшей части населения планеты жизненно необходимые витамины и вакцины.

Предостережения относительно применения

Объемы изъятия биопродукции из биосферы достигли 70%, а живая материя функционирует на оптимальном уровне, когда по продукции биосферы изымается не более 15%. Экосистемы и биосфера в целом все больше теряют способность к саморегуляции и самоподдержки. В конце концов это придает круговорота веществ на земном шаре качественно нового и непредсказуемого характера. Стабильность функционирования биосферы оказалась под угрозой. Загрязнением и деградацией охвачены все геосферы Земли. Воздух, вода и почва стали терять свои основные природные свойства.

Биотехнология в области здравоохранения

Биотехнология может принести значительные преимущества в сферу здравоохранения. Увеличивая питательную ценность пищи, биотехнология может использоваться для улучшения качества питания. Например, сейчас создаются сорта риса и кукурузы с повышенным содержанием белков. В будущем потребители смогут воспользоваться маслом с уменьшенным содержанием жиров, которая будет получено из генетически модифицированных кукурузы, сои, рапса. Кроме того, генетическая инженерия может использоваться для производства продуктов питания с повышенным уровнем витамина А, который поможет решить проблему слепоты в развивающихся странах. Генетическая инженерия также предлагает другие преимущества для здоровья, ведь сегодня созданы методы, которые позволяют удалять определенные аллергенные белки из продуктов питания или избегать их преждевременной порчи.

Биотехнология в медицине

В медицине биотехнологические приемы и методы играют главную роль при создании новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов, предназначенных для ранней диагностики и лечения различных заболеваний. Антибиотики — самый класс фармацевтических соединений, получаемых микробиологическим синтезом. Создан генно-инженерные штаммы кишечной палочки, дрожжей, культивируемых клеток млекопитающих и насекомых, используемые для получения гормона роста, инсулина и интерферона человека, различных ферментов и противовирусных вакцин. Изменяя нуклеотидную последовательность в генах, кодирующих соответствующие белки, оптимизируют структуру ферментов, гормонов и антигенов (так называемая белковая инженерия). Важнейшим открытием стала разработанная 1975 Г. Келером и С. Мильштейном техника использования гибридом для получения моноклональных антител желаемой специфичности. Моноклональные антитела используют как уникальные реагенты, для диагностики и лечения различных заболеваний.

Биотехнологии в сельском хозяйстве

Биотехнологии в сельском хозяйстве облегчает традиционные методы селекции растений и животных и разрабатывает новые технологии, позволяющие повысить эффективность сельского хозяйства. Во многих странах методами генетической и клеточной инженерии созданы высокопроизводительные и устойчивые к вредителям, болезням, гербицидам сорта сельскохозяйственных растений. Разработанная техника оздоровления растений от накопленных инфекций, что особенно важно для культур, которые размножаются вегетативно (картофель и др.). В качестве одной из важнейших проблем биотехнологии во всем мире, исследования возможности управления процессом азотфиксации, возможность введения генов азотфиксации в геном полезных растений, а также процессом фотосинтеза. Исследуется улучшения аминокислотного состава растительных белков. Разрабатываются новые регуляторы роста растений, микробиологические средства защиты растений от болезней и вредителей, бактериальные удобрения. Генно-инженерные вакцины, сыворотки, моноклональные антитела используют для профилактики, диагностики и терапии основных болезней в животноводстве. В создании эффективных технологий племенного дела применяют генно-инженерный гормон роста, а также технику трансплантации и микроманипуляций на эмбрионах животных. Для повышения продуктивности животных используют кормовой белок, полученный микробиологическим синтезом.

Биотехнология в производстве

Биотехнологические процессы с использованием микроорганизмов и ферментов на современном техническом уровне широко применяются в пищевой промышленности. Промышленное выращивание микроорганизмов, растительных и животных клеток используют для получения многих ценных соединений — ферментов, гормонов, аминокислот, витаминов, антибиотиков, метанола, органических кислот (уксусной, лимонной, молочной) и др. С помощью микроорганизмов осуществляют биотрансформацию одних органических соединений в другие (например, сорбита во фруктозу). Широкое применение в различных производствах получили иммобилизованные ферменты. Для выделения биологически активных веществ из сложных смесей используют моноклональные антитела. А. С. Спириным в 1985-1988 был разработан принципы бесклеточного синтеза белка, когда вместо клеток применяются специальные биореакторы, содержащие необходимый набор очищенных клеточных компонентов. Этот метод позволяет получать разные типы белков и может быть эффективным в производстве. Многие промышленных технологий заменяются технологиями, используют ферменты и микроорганизмы. Такие биотехнологические методы переработки сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов, очистки и использования сточных вод для получения биогаза и удобрений. В ряде стран с помощью микроорганизмов получают этиловый спирт, используют в качестве топлива для автомобилей (в Бразилии, где топливный спирт широко применяется, его получают из сахарного тростника и других растений). На способности различных бактерий переносить металлы в растворимые соединения или накапливать их в себе основанный извлечение многих металлов из бедных руд или сточных вод.

Бионанотехнологии

Разработка биологических материалов и специальных процессов, где используются наноматериалы или нанотехнологии. Включая молекулярные моторы, биоматериалы, технологию манипуляции с отдельными молекулами, технологию биочипов.

биотехнология генный инженерия животное

Введение

Общие понятия, основные вехи биотехнологии

Генная инженерия

Клонирование и биотехнология в животноводстве

Заключение

Список литературы

Введение

Биотехнология, или технология биопроцессов, это производственное использование биологических агентов или их систем для получения ценных продуктов и осуществления целевых превращений. Биологические агенты в данном случае - микроорганизмы, растительные и животные клетки, клеточные компоненты: мембраны клеток, рибосомы, митохондрии, хлоропласты, а также биологические макромолекулы (ДНК, РНК, белки - чаще всего ферменты). Биотехнология использует также вирусную ДНК или РНК для переноса чужеродных генов в клетки.

Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, другие молочнокислые продукты, используя различные микроорганизмы, при этом даже не подозревая об их существовании. Собственно сам термин появился в нашем языке не так давно, вместо него употреблялись слова "промышленная микробиология", "техническая биохимия" и др. Вероятно, древнейшим биотехнологическим процессом было сбраживание с помощью микроорганизмов. В пользу этого свидетельствует описание процесса приготовления пива, обнаруженное в 1981 г. при раскопках Вавилона на дощечке, которая датируется примерно 6-м тысячелетием до н. э. В 3-м тысячелетии до н. э. шумеры изготовляли до двух десятков видов пива. Не менее древними биотехнологическими процессами являются виноделие, хлебопечение, и получение молочнокислых продуктов. В традиционном, классическом, понимании биотехнология - это наука о методах и технологиях производства различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов

Термин "новая" биотехнология в противоположность "старой" биотехнологии применяют для разделения биопроцессов, использующих методы генной инженерии, новую биопроцессорную технику, и более традиционные формы биопроцессов. Так, обычное производство спирта в процессе брожения - "старая" биотехнология, но использование в этом процессе дрожжей, улучшенных методами генной инженерии с целью увеличения выхода спирта - "новая" биотехнология.

Биотехнология как наука является важнейшим разделом современной биологии, которая, как и физика, стала в конце XX в. одним из ведущих приоритетов в мировой науке и экономике.

Всплеск исследований по биотехнологии в мировой науке произошел в 80-х годах, когда новые методологические и методические подходы обеспечили переход к эффективному их использованию в науке и практике и возникла реальная возможность извлечь из этого максимальный экономический эффект. По прогнозам, уже в начале 21 века биотехнологические товары будут составлять четверть всей мировой продукции.

В нашей стране значительное расширение научно-исследовательских работ и внедрение их результатов в производство также было достигнуто в 80-е годы. В этот период в стране была разработана и активно осуществлялась первая общенациональная программа по биотехнологии, были созданы межведомственные биотехнологические центры, подготовлены квалифицированные кадры специалистов - биотехнологов, организованы биотехнологические лаборатории и кафедры в научно-исследовательских учреждениях и вузах.

Однако в дальнейшем внимание к проблемам биотехнологии в стране ослабло, а их финансирование сокращено. В результате развитие биотехнологических исследований и их практическое использование в России замедлилось, что привело к отставанию от мирового уровня, особенно в области генетической инженерии.

Что касается более современных биотехнологических процессов, то они основаны на методах рекомбинантных ДНК, а также на использовании иммобилизованных ферментов, клеток или клеточных органелл. Современная биотехнология - это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных биологических объектов для интенсификации производства или получения новых видов продуктов различного назначения.

Микробиологическая промышленность в настоящее время использует тысячи штаммов различных микроорганизмов. В большинстве случаев они улучшены путем индуцированного мутагенеза и последующей селекции. Это позволяет вести широкомасштабный синтез различных веществ.

Некоторые белки и вторичные метаболиты могут быть получены только путем культивирования клеток эукариот. Растительные клетки могут служить источником ряда соединений - атропин, никотин, алкалоиды, сапонины и др. Клетки животных и человека также продуцируют ряд биологически активным соединений. Например, клетки гипофиза - липотропин, стимулятор расщепления жиров, и соматотропин - гормон, регулирующий рост.

Созданы перевиваемые культуры клеток животных, продуцирующие моноклональные антитела, широко применяемые для диагностики заболеваний. В биохимии, микробиологии, цитологии несомненный интерес вызывают методы иммобилизации как ферментов, так и целых клеток микроорганизмов, растений и животных. В ветеринарии широко используются такие биотехнологические методы, как культура клеток и зародышей, овогенез in vitro, искусственное оплодотворение. Все это свидетельствует о том, что биотехнология станет источником не только новых продуктов питания и медицинских препаратов, но и получения энергии и новых химических веществ, а также организмов с заданными свойствами.

1. Общие понятия, основные вехи биотехнологии

Выдающиеся достижения биотехнологии в конце ХХ в. привлекли к ней внимание не только широкого круга ученых, но и всей мировой общественности. Не случайно ХХI в. предложено считать веком биотехнологии.

Термин "биотехнология" предложил венгерский инженер Карл Эреки (1917), когда описывал производство свинины (конечный продукт) с использованием сахарной свеклы (сырье) в качестве корма для свиней (биотрансформация).

Под биотехнологией К. Эреки понимал "все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты". Все последующие определения этого понятия - всего лишь вариации пионерской и классической формулировки К. Эреки.

По определению академика Ю.А. Овчинникова, биотехнология - комплексная, многопрофильная область научно - технического прогресса, включающая разнообразный микро - биологический синтез, генетическую и клеточную инженерную энзимологию, использование знаний, условий и последовательности действия белковых ферментов в организме растений, животных и человека, в промышленных реакторах.

К биотехнологии относится трансплантация эмбрионов, получение трансгенных организмов, клонирование.

Стэнли Коэн и Герберт Бойер в 1973 г. разработали метод переноса гена из одного организма в другой. Коэн писал: "...есть надежда, что удастся ввести в Е. coli гены, ассоциированные с метаболическими или синтетическими функциями присущими другим биологическим видам, например, гены фотосинтеза или продукции антибиотиков". С их работы началась новая эра в молекулярной биотехнологии. Было разработано большое число методик, позволяющих 1) идентифицировать 2) выделять; 3) давать характеристику; 4) использовать гены.

В 1978 г. сотрудники фирмы "Genetech" (США) впервые выделили последовательности ДНК, кодирующие инсулин человека, и перенесли их в клонирующие векторы, способные реплицироваться в клетках Escherichia coli. Этот препарат мог использоваться больными диабетом, у которых наблюдалась аллергическая реакция на инсулин свиньи.

В настоящее время молекулярная биотехнология дает возможность получать огромное количество продуктов: инсулин, интерферон, "гормоны роста", вирусные антигены, огромное количество белков, лекарственных препаратов, низкомолекулярные вещества и макромолекулы.

Несомненные успехи в использовании индуцированного мутагенеза и селекции для улучшения штаммов-продуцентов при производстве антибиотиков и т.д. стали еще более значимы с использованием методов молекулярной биотехнологии.

Основные вехи развития молекулярной биотехнологии представлены в таблице 1.

Таблица 1. История развития молекулярной биотехнологии (Глик, Пастернак, 2002)

ДатаСобытие1917Карл Эреки ввел термин "биотехнология"1943Произведен пенициллин в промышленном масштабе1944Эвери, Мак Леод и Мак Карти показали, что генетический материал представляет собой ДНК1953Уотсон и Крик определили структуру молекулы ДНК1961Учрежден журнал "Biotechnology and Bioengineering"1961-1966Расшифрован генетический код1970Выделена первая рестрицирующая эндонуклеаза1972Коран и др. синтезировали полноразмерный ген тРНК1973Бойер и Коэн положили начало технологии рекомбинантных ДНК1975Колер и Мильштейн описали получение моноклональных антител1976Изданы первые руководства, регламентирующие работы с рекомбинантными ДНК1976Разработаны методы определения нуклеотидной последовательности ДНК1978Фирма "Genetech" выпустила человеческий инсулин, полученный с помощью Е.coli1980Верховный суд США, слушая дело Даймонд против Чакрабарти, вынес вердикт, что микроорганизмы, полученные генно-инженерными методами, могут быть запатентованы1981Поступили в продажу первые автоматические синтезаторы ДНК1981Разрешен к применению в США первый диагностический набор моноклональных антител1982Разрешена к применению в Европе первая вакцина для животных, полученная по технологии рекомбинантных ДНК1983Для трансформации растений применены гибридные Ti -плазмиды1988Выдан патент США на линию мышей с повышенной частотой возникновения опухолей, полученную генно - инженерными методами1988Создан метод полимеразной цепной реакции (ПЦР)1990В США утвержден план испытаний генной терапии с использованием соматических клеток человека 1990Официально начаты работы над проектом "Геном человека"1994-1995Опубликованы подробные генетические и физические карты хромосом человека1996Ежегодный объем продаж первого рекомбинантного белка (эритропоэтина) превысил 1 млрд. долларов1996Определена нуклеотидная последовательность всех хромосом эукариотического микроорганизма1997Клонировано млекопитающее из дифференцированной соматической клетки

2. Генная инженерия

Важной составной частью биотехнологии является генетическая инженерия. Родившись в начале 70-х годов, она добилась сегодня больших успехов. Методы генной инженерии преобразуют клетки бактерий, дрожжей и млекопитающих в "фабрики" для масштабного производства любого белка. Это дает возможность детально анализировать структуру и функции белков и использовать их в качестве лекарственных средств. В настоящее время кишечная палочка (E. coli) стала поставщиком таких важных гормонов как инсулин и соматотропин. Ранее инсулин получали из клеток поджелудочной железы животных, поэтому стоимость его была очень высока.

Генная инженерия - раздел молекулярной биотехнологии, связанный с осуществлением переноса генетического материала (ДНК) из одного организма в другой.

Термин "генетическая инженерия" появился в научной литературе в 1970 г., а генетическая инженерия как самостоятельная дисциплина - в декабре 1972 г., когда П. Берг и сотрудники Стенфордского университета (США) получили первую рекомбинантную ДНК, состоящую из ДНК вируса SV40 и бактериофага ?dvgal. В нашей стране благодаря развитию молекулярной генетики и молекулярной биологии, а также правильной оценке тенденций развития современной биологии 4 мая 1972 г. в Научном центре биологических исследований Академии наук СССР в г. Пущино (под Москвой) состоялось первое рабочее совещание по генетической инженерии. С этого совещания и ведется отсчет всех этапов развития генетической инженерии в России.

Бурное развитие генетической инженерии связано с разработкой новейших методов исследований, среди которых необходимо выделить основные:

Расщепление ДНК (рестрикция) необходимо для выделения генов и манипуляций с ними;

гибридизация нуклеиновых кислот, при которой, благодаря их способности связываться друг с другом по принципу комплементарности, можно выявлять специфические последовательности ДНК и РНК, а также совмещать различные генетические элементы. Используется в полимеразной цепной реакции для амплификации ДНК in vitro;

клонирование ДНК - осуществляется путем введения фрагментов ДНК или их групп в быстрореплицирующиеся генетические элементы (плазмиды или вирусы), что дает возможность размножать гены в клетках бактерий, дрожжей или эукариот;

определение нуклеотидных последовательностей (секвенирование) в клонируемом фрагменте ДНК. Позволяет определить структуру генов и аминокислотную последовательность кодируемых ими белков;

химико-ферментативный синтез полинуклеотидов - часто необходим для целенаправленной модификации генов и облегчения манипуляций с ними.

Б. Глик и Дж. Пастернак (2002) описали следующие 4 этапа экспериментов с рекомбинантной ДНК:

Из организма-донора экстрагируют нативную ДНК (клонируемая ДНК, встраиваемая ДНК, ДНК-мишень, чужеродная ДНК), подвергают ее ферментативному гидролизу (расщепляют, разрезают) и соединяют (лигируют, сшивают) с другой ДНК (вектор для клонирования, клонирующий вектор) с образованием новой рекомбинантной молекулы (конструкция "клонирующий вектор - встроенная ДНК").

Эту конструкцию вводят в клетку-хозяина (реципиента), где она реплицируется и передается потомкам. Этот процесс называется трансформацией.

Идентифицируют и отбирают клетки, несущие рекомбинантную ДНК (трансформированные клетки).

Получают специфический белковый продукт, синтезированный клетками, что является подтверждением клонирования искомого гена.

3. Клонирование и биотехнология в животноводстве

Клонирование - совокупность методов, использующихся для получения клонов. Клонирование многоклеточных организмов включает пересадку ядер соматических клеток в оплодотворенное яйцо с удаленным пронуклеусом. Дж. Гердон (1980) впервые доказал возможность переноса ДНК путем микроинъекций в пронуклеус оплодотворенной яйцеклетки мыши. Затем Р. Бринстер и Др. (1981) получили трансгенных мышей, которые синтезировали большое количество тимидинкиназы NSV в клетках печени и почек. Это было достигнуто путем инъекции гена тимидинкиназы NSV под контролем промотора гена металлотионеина-I.

В 1997 г. Уилмут и др. клонировали овцу Долли методом переноса ядра от взрослой овцы. Они взяли от 6-летней овцематки породы финский дорсет эпителиальные клетки молочной железы. В культуре клеток или в яйцеводе с наложенной лигатурой их культивировали в течение 7 дней, а потом эмбрион в стадии бластоцисты имплантировали в "суррогатную" мать шотландской черноголовой породы. В эксперименте из 434 яйцеклеток была получена только одна овца Долли, которая была генетически идентичной донору породы финский дорсет.

Клонирование животных с помощью переноса ядер из дифференцированных тотипотентных клеток иногда ведет к снижению жизнеспособности. Не всегда клонированные животные являются точной генетической копией донора из-за изменений наследственного материала и влияния условий среды. У генетических копий варьирует живая масса и бывает различный темперамент.

Открытия в области структуры генома, сделанные в середине прошлого века, дали мощный толчок к созданию принципиально новых систем направленного изменения генома живых существ. Были разработаны методы, позволяющие конструировать и интегрировать в геном чужеродные генные конструкции. Одним из таких направлений является интеграция в геном животных генных конструкций, связанных с процессами регуляции обмена веществ, что обеспечивает последующее изменение и ряда биологических и хозяйственно полезных признаков животных.

Животных, несущих в своем геноме рекомбинантный (чужеродный) ген, принято называть трансгенными, а ген, интегрированный в геном реципиента, - трансгеном. Благодаря переносу генов у трансгенньгх животных возникают новые признаки, которые при селекции закрепляются в потомстве. Так создают трансгенные линии.

Одни из важнейших задач сельскохозяйственной биотехнологии - выведение трансгенных животных с улучшенной продуктивностью и более высоким качеством продукции, резистентностью к болезням, а также создание так называемых животных - биореакторов - продуцентов ценных биологически активных веществ.

С генетической точки зрения особый интерес представляют гены, кодирующие белки каскада гормона роста: непосредственно гормон роста и рилизинг-фактор гормона роста.

По данным Л.К. Эрнста, у трансгенных свиней с геном рилизинг-фактора гормона роста толщина шпика была на 24,3% ниже контроля. Существенные изменения отмечены по уровню липидов в длиннейшей мышце спины. Так, содержание общих липидов в этой мышце у трансгенных свинок было меньше на 25,4%, фосфолипидов - на 32,2, холестерина - на 27,7%.

Таким образом, трансгенные свиньи характеризуются повышенным уровнем ингибирования липогенеза, что представляет несомненный интерес для практики селекции в свиноводстве.

Очень важно использование трансгенных животных в медицине и ветеринарии для получения биологически активных соединений за счет включения в клетки организма генов, вызывающих у них синтез новых белков.

Практическое значение и перспективы генетической инженерии

Промышленная микробиология - развитая отрасль промышленности, во многом определяющая сегодняшнее лицо биотехнологии. И производство практически любого препарата, сырья или вещества в этой отрасли сейчас так или иначе связано с генетической инженерией. Дело в том, что генетическая инженерия позволяет создавать микроорганизмы - сверхпродуценты того или иного продукта. С ее вмешательством это происходит быстрее и эффективнее, чем путем традиционной селекции и генетики: в результате экономятся время и деньги. Имея микроорганизм сверхпродуцент, можно получить больше продукции на том же оборудовании без расширения производства, без дополнительных Капитальных вложений. К тому же микроорганизмы растут в тысячу раз быстрее, чем растения или животные.

Например, с помощью генетической инженерии можно получить микроорганизм, синтезирующий витамин В2 (рибофлавин), используемый в качестве кормовой добавки в рационах животных. Его производство данным способом эквивалентно строительству 4-5 новых заводов по получению препарата обычным химическим синтезом.

Особо широкие возможности появляются у генетической инженерии при производстве ферментов-белков - прямых продуктов работы гена. Увеличить производство фермента клеткой можно, либо введя в нее несколько генов этого фермента, либо улучшив их работу путем установки перед ними более сильного промотора. Так, продукция фермента ?-амилазы в клетке была увеличена в 200 раз, а лигазы - в 500 раз.

В микробиологической промышленности кормовой белок получают обычно из углеводородов нефти и газа, древесных отходов. 1 т кормовых дрожжей дает дополнительно до 35 тыс., штук яиц и 1,5 т куриного мяса. В нашей стране производятся более 1 млн. т кормовых дрожжей в год. Намечается использовать ферментеры производительностью до 100 т/сут. Задача генетической инженерии в этой области - улучшение аминокислотного состава кормового белка, его питательности путем введения в дрожжи соответствующих генов. Ведутся работы и по улучшению качества дрожжей для пивоваренной промышленности.

С генетической инженерией связаны надежды на расширение ассортимента микробиологических удобрений и средств защиты растений, увеличение производства метана из бытовых и сельскохозяйственных отходов. Путем выведения микроорганизмов, более эффективно разлагающих различные вредные вещества в воде и почве, можно существенно повысить эффективность борьбы с загрязнением окружающей среды.

Рост народонаселения на Земле, как и десятилетия назад, опережает прирост производства сельскохозяйственной продукции. Следствие этого - хроническое недоедание, а то а просто голод среди сотен миллионов людей. Производство удобрений, механизация, традиционная селекция животных и растений - все это составляло основу так называемой "зеленой революции", которая себя не совсем оправдала. В настоящее время изыскивают другие, нетрадиционные пути повышения эффективности сельскохозяйственного производства. Большие надежды в этом деле возлагаются на генетическую инженерию растений. Только с ее помощью можно радикальным образом расширить границы изменчивости растения в сторону каких-либо полезных свойств, передав ему гены от других (возможно, неродственных) растений и даже гены животного или бактерии. С помощью генетической инженерии можно определять присутствие вирусов в сельскохозяйственных растениях, предсказывать урожайность, получать растения, способные противостоять различным неблагоприятным факторам внешней среды. Сюда относят устойчивость к гербицидам (средствам борьбы против сорняков), инсектицидам (средствам борьбы против насекомых-вредителей), устойчивость растений к засухе, к засолению почв, фиксации растениями атмосферного азота и т. п. В довольно длинном перечне свойств, которыми люди хотели бы наделить сельскохозяйственные культуры, не последнее место занимает устойчивость к веществам, применяемым против сорняков и вредных насекомых. К сожалению, эти необходимые средства пагубно влияют и на полезные растения. Генетическая инженерия может существенно помочь в решении этих вопросов.

Сложнее обстоит дело с повышением устойчивости растений к засухе и засоленности почв. Есть дикие растения, которые хорошо переносят и то и другое. Казалось бы, можно взять их гены, определяющие эти формы устойчивости, пересадить культурным растениям - и проблема решена. Но за эти признаки отвечают несколько генов, и пока не известно, какие именно.

Одна из самых волнующих проблем, которую пытается решить генетическая инженерия, - фиксация растениями атмосферного азота. Азотные удобрения - залог высокой урожайности, так как азот необходим растениям для полноценного развития. Ныне в мире производят более 50 млн. т азотных удобрений, расходуя при этом большое количество электроэнергии, нефти и газа. Но только половина этих удобрений усваивается растениями, остальная вымывается из почвы, отравляя окружающую среду. Есть группы растений (бобовые), которые обычно берут азот не из почвы. На корнях бобовых поселяются клубеньковые бактерии, которые усваивают азот прямо из воздуха.

Как и растения, дрожжи - эукариотический организм, и добиться в них работы генов азотфиксации было бы важным этапом на пути к намеченной цели. Но пока гены в дрожжах не заработали, причины этого интенсивно изучают.

Благодаря генетической инженерии неожиданно переплетаются интересы животноводства и медицины.

В случае пересадки корове гена интерферона (лекарственного препарата, очень эффективного в борьбе с гриппом и рядом других заболеваний), из 1 мл сыворотки можно выделить 10 млн. ед. интерферона. Аналогичным способом можно получить целый ряд биологически активных соединений. Таким образом, животноводческая ферма, производящая медицинские препараты, - явление не столь уж фантастическое.

С помощью метода генетической инженерии были получены микроорганизмы производящие гомосерин, триптофан, изолейцин, треонин, которых не хватает в белках растений, идущих на корм животным. Несбалансированное по аминокислотам кормление снижает их Продуктивность и ведет к перерасходу кормов. Таким образом, производство аминокислот - важная народнохозяйственная проблема. Новый сверхпродуцент треонина производит эту аминокислоту в 400-700 раз более эффективно, чем исходный микроорганизм

т лизина сбережет десятки тонн кормового зерна, а 1 т треонина - 100 т. Добавки треонина улучшают аппетит коров и повышают надои молока. Добавка смеси лизина с треонином к кормам в концентрации всего 0,1% позволяет экономить до 25% Кормов.

С помощью генетической инженерии можно осуществлять и мутационный биосинтез антибиотиков. Суть его сводится к тому, что в результате целенаправленных изменений в гене антибиотика получается не законченный продукт, а некий полуфабрикат. Подставляя к нему те или иные физиологически активные компоненты, можно получить целый набор новых антибиотиков. Ряд биотехнологических фирм Дании и СПIА уже выпускают генно-инженерные вакцины против поносов у сельскохозяйственных животных.

Уже производятся, проходят клинические испытания или активно разрабатываются следующие препараты: инсулин, гормон роста, интерферон, фактор VIII, целый ряд противовирусных вакцин, ферменты для борьбы с тромбами (урокиназа и тканевой активатор плазминогена), белки крови и иммунной системы организма. Изучаются молекулярно-генетические механизмы возникновения раковых заболеваний. Кроме того, разрабатываются методы диагностики наследственных заболеваний и пути их лечения, так называемая генотерапия. Так, например, ДНК-диагностика делает возможным раннее выявление наследственных дефектов и позволяет диагностировать не только носителей признака, но и гетерозиготных скрытых носителей, у которых фенотипически данные признаки не проявляются. В настоящее время уже разработана и широко применяется генная диагностика дефицита лейкоцитарной адгезии и дефицит уридинмонофосфатсинтезы у крупного рогатого скота.

Следует обратить внимание на то, что все методы изменения наследственности таят в себе и элемент непредсказуемости. Многое зависит от того, с какими целями проводятся такие исследования. Этика науки требует, чтобы основу эксперимента по направленному преобразованию наследственных структур составляло безусловное стремление сохранить и упрочить наследственное достояние полезных видов живых существ. При конструировании генетически новых органических форм должна быть поставлена цель улучшения продуктивности и резистентности животных, растений и микроорганизмов, являющихся объектами сельского хозяйства. Результаты должны содействовать укреплению биологических связей в биосфере, оздоровлению внешней среды.

Значение и задачи биотехнологии

В исследованиях по биотехнологии разрабатываются методы изучения генома, идентификации генов и способы переноса генетического материала. Одно из главных направлений биотехнологии - генетическая инженерия. Генно-инженерными методами создаются микроорганизмы - продуценты биологически активных веществ, необходимых человеку. Выведены штаммы микроорганизмов, продуцирующих незаменимые аминокислоты, которые необходимы для оптимизации питания сельскохозяйственных животных.

Решается задача по созданию штамма - продуцента гормона роста животных, прежде всего крупного рогатого скота. Применение такого гормона в скотоводстве позволяет увеличить скорость роста молодняка на 10-15%, а удой коров до 40% при его ежедневном введении (или через 2-3 дня) в дозе 44 мг, не изменяя при этом состава молока. В США в результате применения этого гормона предполагается получать около 52% всего прироста продуктивности и довести удой в среднем до 9200 кг. Проводятся работы и по введению гена гормона роста крупному рогатому скоту (Эрнст, 1989, 2004).

В то же время была запрещена к производству аминокислота триптофан, получаемая от генетически трансформированных бактерий. Было установлено, что пациенты с синдромом эозинофилии-миалгии (СЭМ) употребляли триптофан в качестве пищевой добавки. Это заболевание сопровождается тяжелыми изнурительными мышечными болями и может привести к смерти. Этот пример свидетельствует о необходимости тщательных исследований на токсичность всех продуктов, полученных генно-инженерными методами.

Известна огромная роль симбиоза высших животных с микроорганизмами в желудочно-кишечном тракте. Приступают к разработке подходов к контролю и управлению экосистемой рубца жвачных животных путем использования генетически измененной микрофлоры. Таким образом определяется один из путей, который подводит к оптимизации и стабилизации питания, ликвидации дефицита в ряде незаменимых факторов питания сельскохозяйственных животных. Это в конечном итоге будет способствовать реализации генетического потенциала животных по признакам продуктивности. Особый интерес представляет создание форм симбионтов - продуцентов незаменимых аминокислот и целлюлозолитических микроорганизмов с повышенной активностью (Эрнст и др. 1989).

Методы биотехнологии используются и для изучения макроорганизмов и болезнетворных микроорганизмов. Выявлены четкие различия нуклеотидных последовательностей ДНК типичных коринебактерий и ДНК коринеморфных микроорганизмов.

С привлечением методов физико-химической биологии получена потенциально иммуногенная фракция микобактерий, в экспериментах исследуются ее протективные свойства.

Изучается структура генома парвовируса свиней. Предполагается разработать препараты для диагностики и профилактики массового заболевания свиней, вызываемого этим вирусом. Проводятся работы по изучению аденовирусов крупного рогатого скота и птицы. Планируется создание методом генной инженерии эффективных противовирусных вакцин.

Все традиционные приемы, связанные с повышением продуктивности животных (селекционно-племенное дело, рационализация кормления и т. д.), прямо или косвенно направлены на активизацию процессов синтеза белков. Эти воздействия реализуются на организменном или популяционном уровнях. Известно, что коэффициент трансформации белка из корма животными относительно невысок. Поэтому повышение эффективности синтеза белка в животноводстве представляет важную народнохозяйственную задачу.

Важно развернуть исследования внутриклеточного синтеза белка у сельскохозяйственных животных, и, прежде всего, изучить эти процессы в мышечной ткани и молочной железе. Именно здесь сконцентрированы процессы синтеза белка, который составляет более 90% всего белка продукции животноводства. Установлено, что скорость синтеза белка в культурах клеток почти в 10 раз выше, чем в организме сельскохозяйственных животных. Поэтому оптимизация процессов ассимиляции и диссимиляции белка у животных на основе изучения тонких внутриклеточных механизмов синтеза может найти широкое применение в практике животноводства (Эрнст, 1989, 2004).

Многие тесты молекулярной биологии могут быть перенесены в селекционно-племенную работу для более точной генетической и фенотипической оценки животных. Намечаются и другие прикладные выходы всего комплекса биотехнологии в практику сельскохозяйственного производства.

Использование в ветеринарной науке современных методов аналитической препаративной иммунохимии позволило получить иммунохимически чистые иммуноглобулины разных классов у овец и свиней. Подготовлены моноспецифические антисыворотки для точного количественного определения иммуноглобулинов в различных биологических жидкостях животных.

Можно производить вакцины не из целого возбудителя, а из его иммуногенной части (субъединичные вакцины). В США создана субъединичная вакцина против ящура крупного рогатого скота, колибактериоза телят и поросят и др.

Одним из направлений биотехнологии может стать использование сельскохозяйственных животных, измененных путем генно-инженерных манипуляций, в качестве живых объектов по производству ценнейших биологических препаратов.

Весьма перспективна задача введения в геном животных генов, отвечающих за синтез определенных веществ (гормоны, ферменты, антитела и др.) с тем, чтобы насыщать ими путем биосинтеза продукты животноводства. Наиболее подходит для этого молочный скот, который способен синтезировать и выводить из организма с молоком огромное количество синтезированных продуктов.

Зигота - благоприятный объект для введения любого клонированного гена в генетическую структуру млекопитающих. Прямое микроинъецирование фрагментов ДНК в мужской пронуклеус мышей показало, что специфические клонированные гены функционируют нормально, продуцируя специфические белки и изменяя фенотип. Введение гормона роста крысы в оплодотворенную яйцеклетку мыши привело к более быстрому росту мышей.

Селекционеры с использованием традиционных методов (оценка, отбор, подбор) добились выдающихся успехов в создании сотен пород в пределах многих видов животных. Средний удой молока в некоторых странах достиг 10500 кг. Получены кроссы кур с высокой яйценоскостью, лошади с высокой резвостью и т.д. Эти методы во многих случаях дали возможность приблизиться к биологическому плато. Однако далеко не решена проблема повышения устойчивости животных к болезням, эффективности конверсии корма, оптимального белкового состава молока и т.д. Использование трансгенной технологии может существенно увеличить возможность совершенствования животных.

В настоящее время все больше и больше производится генетически модифицированных продуктов питания и пищевых добавок. Но до сих пор идут дискуссии об их влиянии на здоровье человека. Некоторые ученые считают, что действие чужеродного гена в новой генотипической среде Непредсказуемо. Не всегда всесторонне исследуются генетически модифицированные продукты.

Получены сорта кукурузы и хлопка с геном Baccillust huringensis (Вt), кодирующим белок, являющийся токсином для насекомых-вредителей этих культур. Получен трансгенный рапс, у которого изменен состав масла, содержащего до 45% 12-членной лауриновой жирной кислоты. Она используется при производстве шампуней, косметики, стиральных порошков.

Созданы растения риса, в эндосперме которого повышено содержание провитамина А. Испытаны трансгенные растения табака, в которых уровень никотина в десятки раз меньше. В 2004 г. под трансгенными культурами был занят 81 млн., га, в то время как в 1996 г они высевались на площади в 1,7 млн. га.

Достигнуты заметные успехи в использовании растений для продукции белков человека: картофель - лактоферрин, рис - ?1-антитряпсин, и ? -интерферон, табак - эритропоэтин. В 1989 г. А. Хиаггг с соавторами создали трансгенный табак, производящий моноклональные антитела Ig G1. Ведутся работы по созданию трансгенных растений, которые могут быть использованы в качестве "съедобных вакцин" для производства протективных антигенных белков инфекционных агентов.

Таким образом, в будущем возможен перенос в геном сельскохозяйственных животных генов, обусловливающих повышение оплаты корма, его использования и переваривания, скорости роста, молочной продуктивности, настрига шерсти, резистентности к болезням, эмбриональной жизнеспособности, плодовитости и т. д.

Перспективно использование биотехнологии в эмбриогенетике сельскохозяйственных животных. Все более широко используются в стране методы трансплантации ранних эмбрионов, совершенствуются методы стимуляции репродуктивных функций маток.

По мнению Б. Глика и Дж. Пастернака (2002), молекулярная биотехнология в будущем позволит человеку достичь успехов в самых разных направлениях:

Точно диагностировать, профилактировать и лечить многие инфекционные и генетические заболевания.

Увеличить урожайность сельскохозяйственных культур путем создания сортов растений, устойчивых к вредителям, грибковым и вирусным инфекциям и вредным воздействиям факторов окружающей среды.

Создать микроорганизмы, продуцирующие различные химические соединения, антибиотики, полимеры, ферменты.

Вывести высокопродуктивные породы животных, устойчивые к болезням с наследственной предрасположенностью, с низким генетическим грузом.

Перерабатывать отходы, загрязняющие окружающую среду.

Будут ли организмы, полученные методами генной инженерии, оказывать вредное воздействие на человека и другие живые организмы и окружающую среду?

Приведет ли создание и широкое использование модифицированных организмов к уменьшению генетического разнообразия?

Имеем ли мы право изменять генетическую природу человека, используя генно-инженерные методы?

Следует ли патентовать животных, полученных генноинженерными методами?

Не нанесет ли использование молекулярной биотехнологии ущерб традиционному сельскому хозяйству?

Не приведет ли стремление к максимальной прибыли к тому, что преимуществами молекулярной технологии буду пользоваться только состоятельные люди?

Будут ли нарушены права человека на неприкосновенность частной жизни при использовании новых диагностических методов?

Эти и другие проблемы возникают при широком использовании результатов биотехнологии. Тем не менее, оптимизм в среде ученых и населения постоянно растет, поэтому еще в отчете Отдела по оценкам новых технологий США за 1987 г. сказано: "Молекулярная биотехнология ознаменовала собой еще одну революцию в науке, которая могла бы изменить жизнь и будущее... людей так же радикально, как это сделала промышленная революция два века назад и компьютерная революция в наши дни. Возможность целенаправленного манипулирования генетическим материалом обещает великие перемены в нашей жизни".

Заключение

Биотехнология возникла на стыке микробиологии, биохимии и биофизики, генетики и цитологии, биоорганической химии и молекулярной биологии, иммунологии и молекулярной генетики. Методы биотехнологии могут применяться на следующих уровнях: молекулярном (манипуляция с отдельными частями гена), генном, хромосомном, уровне плазмид, клеточном, тканевом, организменном и популяционном.

Биотехнология - наука об использовании живых организмов, биологических процессов и систем в производстве, включая превращение различных видов сырья в продукты.

В настоящее время в мире существует более 3000 биотехнологических компаний. В 2004 г. в мире было произведено биотехнологической продукции более чем на 40 млрд. долларов.

Развитие биотехнологии связано с усовершенствованием техники научных исследований. Сложные современные приборы позволили установить строение нуклеиновых кислот, вскрыть их значение в явлениях наследственности и расшифровать генетический код, выявить этапы биосинтеза белка. Без учета этих достижений в настоящее время немыслима полноценная деятельность человека во многих сферах науки и производства: в биологии, медицине, сельском хозяйстве.

Обнаружение связей между строением генов и белков привело к созданию молекулярной генетики. Интенсивно развивается иммуногенетика, изучающая генетические основы иммунных реакций организма. Выявлена генетическая основа многих заболеваний человека или предрасположенности к ним. Такие сведения помогают специалистам в области медицинской генетики установить точную причину заболевания и разработать меры профилактики и лечения людей.

Список литературы

1)А.А. Жученко, Ю.Л. Гужов, В.А. Пухальский, "Генетика", Москва, "КолосС" 2003

2)В.Л. Петухов, О.С. Короткевич, С.Ж. Стамбеков, "Генетика" Новосибирск, 2007 год.

)А.В. Бакай, И.И. Кочиш, Г.Г. Скрипниченко, "Генетика", Москва "КолосС", 2006 год.

)Е.П. Карманова, А.Е. Болгов, "Практикум по генетике", Петрозаводск 2004

5)В.А. Пухальский "Введение в генетику", Москва "КолосС" 2007

)Е.К. Меркурьева, З.В. Абрамова, А.В. Бакай, И.И. Кочиш, "Генетика" 1991

7)Б.В. Захаров, С.Г. Мамонтов, Н.И. Сонин, "Общая биология" 10-11 класс, Москва 2004 год.

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

История биотехнологии

Впервые термин «биотехнология» применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году

Отдельные элементы биотехнологии появились достаточно давно. По сути, это были попытки использовать в промышленном производстве отдельные клетки (микроорганизмы) и некоторые ферменты , способствующие протеканию ряда химических процессов.

Огромный вклад в дело практического использования достижений биохимии внёс академик А. Н. Бах, создавший важное прикладное направление биохимии - техническую биохимию. А. Н. Бах и его ученики разработали множество рекомендаций по улучшению технологий обработки самого различного биохимического сырья, совершенствованию технологий хлебопечения, пивоварения, виноделия, производства чая и табака и т. п. , а также рекомендации по повышению урожая культурных растений путём управления протекающими в них биохимическими процессами.

Все эти исследования, а также прогресс химической и микробиологической промышленности и создание новых промышленных биохимических производств (чая, табака и т. п. ) были важнейшими предпосылками возникновения современной биотехнологии.

В производственном отношении основой биотехнологии в процессе её формирования стала микробиологическая промышленность. За послевоенные годы микробиологическая промышленность приобрела принципиально новые черты: микроорганизмы стали использовать не только как средство повышения интенсивности биохимических процессов, но и как миниатюрные синтетические фабрики, способные синтезировать внутри своих клеток ценнейшие и сложнейшие химические соединения. Перелом был связан с открытием и началом производства антибиотиков .

Использование ферментов - биологических катализаторов - очень заманчивая вещь. Ведь они по многим своим свойствам, прежде всего активности и избирательности действия (специфичности), намного превосходят катализаторы химические. Ферменты обеспечивают осуществление химических реакций без высоких температур и давлений, а ускоряют их в миллионы и миллиарды раз. При этом каждый фермент катализирует только одну определённую реакцию.

В пищевой и кондитерской промышленности ферменты применяются уже давно: многие из первых патентов ещё начала века касались производства ферментов именно для этих целей. Однако требования к этим препаратам тогда были не очень высокие - по существу, в производстве использовались не чистые ферменты, а различные вытяжки или полуразрушенные и высушенные клетки дрожжей или низших грибов. Ферменты (вернее, содержащие их препараты) использовали и в текстильной промышленности для отбеливания и обработки пряжи и хлопковых нитей.

Возможные способы применения массовой культуры водорослей.

Биологические катализаторы можно использовать также не извлекая их из живых организмов, прямо в бактериальных клетках, например. Этот способ, собственно, есть основа всякого микробиологического производства, и применяется он издавна.

Гораздо заманчивее использовать чистые препараты ферментов и избавиться таким образом от побочных, сопутствующих жизнедеятельности микроорганизмов реакций. Создание производства, в котором используется биологический катализатор в чистом виде как реактив, сулит очень большие выгоды - повышается технологичность, возрастают во много тысяч раз производительность и чистота процессов. Но здесь возникает принципиальное затруднение: многие ферменты после их извлечения из клетки очень быстро инактивируются, разрушаются. Ни о каком многократном их использовании не может быть и речи.

Учёные нашли решение проблемы. Для того чтобы стабилизировать, или, как говорят, иммобилизовать, ферменты, сделать их устойчивыми, пригодными для многократного, длительного промышленного использования, ферменты присоединяют с помощью прочных химических связей к нерастворимым или растворимым носителям - ионообменным полимерам, полиорганосилоксанам, пористому стеклу, полисахаридам и т. п. В результате ферменты становятся устойчивыми и могут быть использованы многократно. (Эта идея была затем перенесена в микробиологию - возникла мысль иммобилизовать живые клетки. Иногда очень нужно, чтобы они в процессе микробиологического синтеза не загрязняли среду, не смешивались с синтезируемыми ими продуктами и вообще были бы больше похожи на химические реактивы. И такие иммобилизованные клетки были созданы; они успешно применяются, например, при синтезе стероидных гормонов - ценных лекарственных препаратов).

Разработка способа повышения устойчивости ферментов значительно расширяет возможности их использования. С помощью ферментов можно, например, получать сахар из растительных отходов, и этот процесс будет экономически рентабельным. Уже создана опытная установка для непрерывного производства сахара из клетчатки.

Иммобилизованные ферменты находят применение и в медицине. Так, в нашей стране для лечения сердечно-сосудистых заболеваний разработан препарат иммобилизованной стрептокиназы (препарат получил название «стрептодеказа»). Этот препарат можно вводить в сосуды для растворения образовавшихся в них тромбов . Растворимая в воде полисахаридная матрица (к классу полисахаридов относятся, как известно, крахмал и целлюлоза , близким к ним по строению был и подобранный полимерный носитель), к которой химически «привязана» стрептокиназа, значительно повышает устойчивость фермента, снижает его токсичность и аллергическое действие и не влияет на активность, способность фермента растворять тромбы.

Субстраты для получения белка одноклеточных для разных классов микроорганизмов.

Создание иммобилизованных ферментов, так называемая инженерная энзимология , - одно из новых направлений биотехнологий. Достигнуты лишь первые успехи. Но они существенно преобразили прикладную микробиологию, техническую биохимию и ферментную промышленность. Во-первых, в микробиологической промышленности сейчас актуальными стали разработки производства ферментов самой различной природы и свойства. Во-вторых, возникли новые области производства, связанные с получением именно иммобилизованных ферментов. В-третьих, создание новых ферментных препаратов открыло возможность организации ряда новых производств для получения нужных веществ с помощью биологические катализаторов.

Плазмиды

Наибольшие успехи были достигнуты в области изменения генетического аппарата бактерий. Вводить новые гены в геном бактерии научились с помощью небольших кольцеобразных молекул ДНК - плазмид , присутствующих в бактериальных клетках. В плазмиды «вклеивают» необходимые гены, а затем такие гибридные плазмиды добавляют к культуре бактерий, например кишечной палочки . Некоторые из этих бактерий поглощают такие плазмиды целиком. После этого плазмида начинает реплицироваться в клетке, воспроизводя в клетке кишечной палочки десятки своих копий, которые обеспечивают синтез новых белков.

Генная инженерия

Сейчас созданы и создаются ещё более остроумные методы введения генов в клетку прокариотов (организмов, не имеющих оформленного ядра и хромосомного аппарата). На очереди разработка методов введения новых генов в клетки эукариотов, прежде всего высших растений и животных организмов.

Но и то, что уже достигнуто, позволяет сделать очень многое в практике народного хозяйства. Возможности микробиологического производства значительно расширились. Благодаря генетической инженерии область микробиологического синтеза различных биологически активных соединений, полупродуктов для синтеза, кормовых белков и добавок и других веществ стала одной из наиболее окупаемых наук: вложение средств в перспективные биотехнологические исследования обещает получение высокого экономического эффекта.

Для селекционной работы, независимо от того, проводится она методами мутагенеза или «индустрии ДНК», учёные должны располагать многочисленными коллекциями микроорганизмов. Но сейчас даже выделение нового штамма природных микроорганизмов, ранее неизвестных науке, обходится на мировом «рынке бактериальных культур» приблизительно в 100 долларов. А для того, чтобы получить хороший промышленный штамм обычными селекционными методами, надо иногда затратить миллионы.

Сейчас уже существуют способы ускорить и удешивить эти процессы. Например,во Всесоюзном научно-исследовательском институте генетики и селекции микроорганизмов Главмикробиопрома был получен промышленный штамм-сверхпродуцент микроорганизма, синтезирующего треонин - незаменимую аминокислоту, которая в кормах сельскохозяйственных животных содержится в недостаточном количестве. Добавка треонина в корм повышает привесы животных на килограммы, что в масштабах страны оборачивается миллионами рублей прибыли, а самое главное - приростом мясной продукции животноводства.

Коллектив учёных института под руководством директора В. Г. Дебабова за основу для получения промышленного штамма взял обыкновенную кишечную палочку - повсеместно распространённый микроорганизм. Сначала были получены мутантные клетки, способные накапливать в среде избыток треонина. Затем в клетке были вызваны генетические изменения, которые привели к усилению биосинтеза аминокислот. Таким путём удалось получить штамм, который производил треонин, но в 10 раз меньше того количества, которое требовалось по соображениям рентабельности производства. Тогда в дело были выпущены методы генетической инженерии. С их помощью была увеличена «доза треонинового гена» в молекуле бактериальной ДНК. Причём количество генов, обусловливающих синтез треонина, было в молекуле ДНК клетки увеличено в несколько раз: одинаковые гены оказались как бы нанизанными один за другим в молекуле ДНК. Естественно, биосинтез треонина пропорционально увеличился и достиг уровня, достаточного для промышленного производства.

Правда, после этого штамм пришлось ещё улучшать, причём снова генетически. Сначала для того, чтобы культуру бактерий очистить от клеток, в которых плазмиды с «треониновым геном» исчезали в процессе размножения культуры. Для этого в клетки был «вшит» ген, содержащий закодированный сигнал к «самоубийству» клеток, в которых плазмид с «треониновым геном» после деления не оказывалось. Таким путём культура клеток самоочищалась от балластных микроорганизмов. Затем в клетки был введён ген, благодаря которому она могла развиваться на сахарозе (а не дорогих глюкозе и фруктозе, как раньше) и производить рекордные количества треонина.

По существу, полученный микроорганизм уже не был кишечной палочкой: манипуляции с его генетическим аппаратом привели к появлению принципиально нового организма, сконструированного вполне сознательно и целенаправленно. И эта сложнейшая многоступенчатая работа, имеющая огромное практическое значение, была проведена с помощью новых оригинальных методов генетической инженерии за очень короткий срок - всего за три года.

К 1981 г. в ряде институтов страны, и прежде всего в Институте биоорганической химии им. М. М. Шемякина АН СССР под руководством академика Ю. А. Овчиникова, были выполнены ещё более впечатляющие работы. Эти исследования приобрели сейчас форму чётких долгосрочных программ, по которым их развивают дальше ряд академических и отраслевых институтов. Эти исследования были направлены на то, чтобы осуществить поистине чудо - ввести в бактериальную клетку ген, выделенный из человеческого организма.

Работа велась сразу с несколькими генами: геном ответственным за синтез гормона инсулина, геном, обеспечивающим образование интерферона, и геном, контролирующим синтез гормона роста.

Прежде всего учёные поставили перед собой задачу «обучения» бактерии синтезу ценнейшего медицинского препарата - гормона инсулина. Инсулин необходим для лечения сахарного диабета. Этот гормон надо вводить больным постоянно, а производство его традиционным способом (из поджелудочных желез убойного скота) сложно и дорого. К тому же молекулы инсулина свиньи или крупного рогатого скота отличаются от молекул инсулина человека, и естественно, что активность их в организме человека ниже, чем активность человеческого инсулина. Кроме того, инсулин - хотя и небольшой по размерам, но всё же белок, и в организме человека со временем накапливаются антитела к нему: организм борется против чужеродных белков, отторгает их. Поэтому введённый бычий или свиной инсулин может начать необратимо инактивироваться, нейтрализовываться этими антителами и в результате может исчезнуть прежде, чем успеет оказать лечебное действие. Чтобы этого не произошло, необходимо вводить в организм вещества, предотвращающие этот процесс, но они сами по себе не безразличны для организма.

Человеческий инсулин можно было бы получать с помощью химического синтеза. Но этот синтез настолько сложен и дорог, что его проводили только в экспериментальных целях, а полученные количества инсулина были недостаточны даже для одной инъекции. Это был, скорее, символической синтез, доказательство того, что химики могут синтезировать в пробирке настоящий белок.

Учитывая всё это, учёные и поставили перед собой такую сложную и очень важную задачу - наладить биохимическое производство человеческого инсулина. Был получен ген, обеспечивающий синтез инсулина. С помощью методов генетической инженерии этот ген был введён в бактериальную клетку, которая в результате приобрела способность синтезировать гормон человека.

Столь же большой интерес и не меньшее (а может быть, и большее) значение имела работа, выполненная в том же институте, по введению методами генетической инженерии в бактериальную клетку гена, ответственного за синтез интерферона человека. (Интерферон - это белок, играющий исключительно важную роль в борьбе организма против вирусных инфекций.) Ген интерферона также был введён в клетку кишечной палочки. Созданные штаммы отличались высоким выходом интерферона, обладающего мощным противовирусным действием. Сейчас уже получены первые промышленные партии человеческого интерферона. Осуществление промышленного производства интерферона - очень важное достижение, так как предполагают, что интерферон обладает также и противоопухолевой активностью.

В институте АН СССР были проведены работы по созданию бактериальных клеток, продуцирующих соматотропин - гормон роста человека. Ген этого гормона был выделен из гипофиза и методами генетической инженерии встроен в более сложную молекулу ДНК, которую затем ввели в генетический аппарат бактерии. В результате бактерия приобрела способность синтезировать человеческий гормон. Эта бактериальная культура, так же как и культура бактерий с введённым геном инсулина, апробируется для промышленного получения человеческих гормонов в микробиологическом производстве.

Это лишь отдельные примеры работ по введению генов высших организмов в клетки бактерий. Есть ещё немало подобных интересных и перспективных работ.

Вот ещё один пример. Английские биохимики из плодов одного африканского кустарника выделили довольно крупный белок (около 200 аминокислотных остатков) - тауматин. Этот белок оказался в 100 тыс. раз слаще сахарозы. Сейчас во всём мире думают над созданием заменителей сахара, который при большом потреблении далеко не безвреден для организма. Поэтому тауматин - природный продукт, не требующий специальных токсикологических испытаний, - привлёк пристальное внимание: ведь ничтожные его добавки в кондитерские изделия позволяют просто исключить использование сахара. Учёные решили, что получать тауматин проще и выгоднее не из естественного источника, а микробиологическим синтезом с помощью бактерий, в которые введён ген тауматина. И эту работу выполнили, введя этот ген во всё ту же кишечную палочку. Сейчас пока заменитель сахара тауматин (под названием «талин») производят из природного источника, но не за горами и его микробиологическое производство.

Пока речь шла о введении генов в клетки бактерий. Но это не означает, что не ведётся работа и по введению искусственных генов в высшие организмы - растения и животных. Здесь не меньше, а гораздо больше привлекательных идей. Практическое воплощение некоторых из них будет иметь для человечества исключительно важное значение. Так, известно, что высшие растения не могут усваивать азот атмосферы: они получают его из почвы в виде неорганических солей или в результате симбиоза с клубеньковыми бактериями. Осуществление идеи - ввести гены этих бактерий в растения - может привести к коренным революционным изменениям в сельском хозяйстве.

Как же обстоят дела с введением генов в генетический аппарат эукариотов? Основная трудность здесь заключается в том, что изменить генотип всех клеток многоклеточного организма невозможно. Поэтому надежды связывают с созданием методов генетической инженерии, предназначенных для работы с культурами клеток растений и с одноклеточными растениями.

Введение синтетических генов в искусственно культивируемые клетки может привести к получению модифицированного растения: при определённых условиях изолированные клетки могут превращаться в целые растения. И в таком растении должны действовать и передаваться по наследству искусственно введённые в исходную клетку гены.

Здесь помимо перспектив успешного использования методов генетической инженерии вырисовывается ещё одно преимущество биотехнологии - методом клеточной биотехнологии из одного растения можно получить миллионы одинаковых растений, а не десятки, как при использовании семян. Клеточная технология не требует больших площадей, не зависит от погодных условий и отличается огромной производительностью.

Советские учёные сейчас исследуют ещё один путь введения генов в клетки растений - создают симбиотическое сообщество, где в протопласты растений (они лишены целлюлозной оболочки) пытаются внедрить цианобактерии, которые способны и к фотосинтезу, и к азотфиксации.

Определённые перспективы имеются и в области использования методов генетической инженерии в работе с животными, во всяком случае существует принципиальная возможность переноса генетического материала в клетки животных. Особенно убедительно это показано на гибридомах. Гибридома - это клетка, образованная из лимфоцита, вырабатывающего антитела, и опухолевой клетки, способной к неограниченному размножению, и сочетающая оба эти свойства. С помощь гибридом можно получать высокоспецифичные антитела. Метод гибридом - это ещё один биотехнологический приём получения ценных белков.

Космическая биотехнология При реализации программ пилотируемых полетов в бывшем СССР сложился научно-технический потенциал в области космической биотехнологии с участием головных организаций Росавиакосмоса, Минмедпрома, РАН и РАМН, которые создали аппаратурно-методическую базу, необходимую для осуществления биотехнологических экспериментов в условиях орбитального полета.За 15 летний период выполнен ряд программ биотехнологических экспериментов, их результаты внедрены в технологии по производству различных биологически активных веществ (антибиотиков, иммунностимуляторов и др.). С использованием методов космической биотехнологии создан целый ряд новейших лечебных и диагностических препаратов. Накопленный опыт позволил определить наиболее перспективные направления развития космической биотехнологии:· получение высококачественных кристаллов биологически значимых веществ в целях определения их пространственной структуры и создания новых препаратов для медицины, фармакологии, ветеринарии, других отраслей народного хозяйства и различных областей науки;· получение и отбор в условиях микрогравитации улучшенных, а также рекомбинантных промышленных штаммов микроорганизмов, продуцентов биологически активных веществ для медицины, фармакологии, сельского хозяйства и экологии; электрофоретическое разделение биологических субстанций, в частности, тонкая высокопроизводительная очистка генно-инженерных и вирусных белков, преимущественно медицинского назначения, а также выделение специфических клеток, характеризующихся требуемыми секреторными функциями;· исследование влияния факторов космического полета на биологические объекты и физико-химические характеристики биотехнологических процессов с целью расширения фундаментальных знаний в области биологии и биотехнологии. В 1989 году РКК "Энергия" им. С.П. Королёва и РАО "Биопрепарат", объединив усилия в исследованиях по одной из перспективных областей космической деятельности, создали лаборатории космической биотехнологии. Научное руководство работами в области биотехнологии в рамках российской национальной программы на орбитальной станции "Мир" и российском сегменте международной космической станции осуществляет председатель секции "Космическая биотехнология" КНТС Росавиакосмоса и РАН, Заслуженный деятель науки Российской Федерации, профессор Юрий Тихонович Калинин. Координация работ, обеспечение создания и предполетной подготовки бортовой научной аппаратуры, биологических материалов при реализации биотехнологических проектов, а также обработка и анализ полученных результатов осуществляются специализированными лабораториями космической биотехнологии в РАО "Биопрепарат" (на базе АООТ "Биохиммаш") и в РКК "Энергия" им. С.П. Королёва. Для непосредственной реализации экспериментов на борту орбитальных станций разработан комплекс мероприятий по их организации, обеспечению и сопровождению на всех стадиях проведения:· подготовка научных экспериментов и аппаратуры, тренировка экипажей совместно с Российским государственным научно-исследовательским и испытательным центром подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина;· доставка научной аппаратуры на орбитальный комплекс; материально-техническое обеспечение экспериментов на борту орбитального комплекса; планирование, подготовка и сопровождение экспериментов в Центре Управления Полетами;· возвращение результатов экспериментов с орбиты и их доставка с места посадки спускаемого аппаратам лабораторию. Вышеупомянутыми лабораториями космической биотехнологии разработаны пакеты документов, необходимых для реализации космических экспериментов, в т. ч. методики предполетной подготовки, паспорта и сертификаты и др. разрешительная документация.Мы готовы, по выбору заказчика, дать необходимые научные консультации в данной области, а также подготовить и провести космические эксперименты с любыми биологическими объектами.Очевидна неоднократно подтвержденная нами в коммерческих проектах с зарубежными фирмами перспективность получения в условиях микрогравитации высококачественных кристаллов биологических веществ. Они позволили с высокой точностью изучить пространственную структуру различных биополимеров и использовать результаты для создания качественно новых лечебных, профилактических и диагностических препаратов.Наш опыт работы с микробиологическими культурами биодеградантов нефти и нефтепродуктов, а также со штаммами, используемыми для препаратов средств защиты растений, культурами клеток высших растений, позволил получить варианты культур после их экспозиции в космосе, значительно превышающие по активности исходные штаммы. Эксперименты по рекомбинации микроорганизмов в условиях орбитального полета показали реальную возможность 100% передачи генетического материала между отдаленными видами, что позволяет получать уникальные гибриды с новыми заданными свойствами.Многочисленные результаты экспериментов, проведенных в условиях микрогравитации по электрофоретической очистке и разделению белковых и клеточных биообъектов, подтвердили возможность и эффективность использования электрофоретических методов в целях наработки опытных и опытно-промышленных партий особо чистых и высокооднородных хозяйственно-ценных биологически-активных веществ.Мы готовы по Вашим заказам на нашем или ином оборудовании обеспечить проведение исследований по кристаллизации биологических объектов в космосе, получению улучшенных или рекомбинантных штаммов, а также электрофорезу и другим направлениям исследований, как по Вашему заказу, так и в кооперации.По нашему мнению весьма перспективным направлением, как в научном так и в коммерческом плане может служить проект по созданию универсальной установки по выращиванию и получению кристаллических белков в условиях космического полета.Описание проекта прилагается.Мы рассмотрим также любые предложения от заинтересованных лиц по подготовке и проведению космических биотехнологических экспериментов, выполним экспертизу их реализуемости и обеспечим осуществление предложенных проектов на коммерческой основе.ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ПРОЕКТАПроект осуществляется усилиями РАО "Биопрепарат" и потенциальными участниками, заинтересованными в разработке перспективной биотехнологической научной аппаратуры и получении в условиях космического полета конкурентноспособной биопродукции.Основной целью проекта по кристаллизации биопрепаратов в условиях орбитального полета является создание и эксплуатация на международной космической станции (МКС) биокристаллизационной аппаратуры нового поколения, способной обеспечить получение крупных однородных кристаллов большого спектра биообъектов, а также оперативное получение на Земле видео и телеметрической информации об основных параметрах процесса и получаемых результатах.При организации работ в рамках проекта ставятся следующие задачи:· отработка механизмов взаимодействия между сторонами участниками проекта по организационно-методическим, техническим, научным и экономическим вопросам;· на базе российских биокристаллизаторов и зарубежной электронной и видео аппаратуры изготовить макетные и летные образцы биокристаллизационной аппаратуры с характеристиками, превышающими известные мировые аналоги по эффективности и надежности;· осуществлять на МКС эксплуатацию созданной аппаратуры; как по индивидуальным национальным программам сторон участников, так и по совместным научным или коммерческим проектам;· поиск путей и способов реализации научных результатов, полученных в ходе полетных экспериментов на основе взаимных интересов сторон участников проекта. КРАТКИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АППАРАТУРЫНиже представлены краткие технические характеристики аппаратуры для кристаллизации биообъектов, создаваемой на базе российских разработок.Универсальный биокристаллизаторФункционально аппаратура представляет собой комплект универсальных кристаллизационных кассет, позволяющих реализовать кристаллизацию белков (или др. биообъектов) различными методами.Аппаратура обеспечивает:· многоуровневую и высоконадежную герметизацию камер с рабочими растворами;· быстрое выполнение операций по раздельной заправке камер кристаллизационных кассет растворами белка (или другого биополимера) и осадителя;· реализацию нескольких методов кристаллизации в одной кассете;· высокую воспроизводимость характеристик процесса в различных кристаллизационных ячейках универсальной кассеты;· высокую степень взаимозаменяемости основных функциональных элементов биокристаллизатора; · удобное и быстрое выполнение операций стерилизации, сборки, проверки герметичности и заправки рабочими растворами;· удобное и неразрушающее извлечение полученных кристаллов;· высокую надежность и ремонтопригодность;· ручную и автоматическую активацию/деактивацию процесса кристаллизации;· измерение и регистрацию температуры кристаллизационных кассет на всех этапах транспортировки и эксплуатации;· высокий коэффициент использования массы полезного груза на этапах выведения на орбиту и возвращения на Землю;· низкая требовательность к средствам доставки и возвращения;· гибкость построения и использования научной программы при минимальных используемых ресурсах МКС;· возможность модульного наращивания кристаллизационных ячеек в зависимости от требований заказчиков. Доставка на борт МКС и возвращение на Землю кассет универсального биокристаллизатора осуществляется в термоизолирующем возвращаемом контейнере (ТВК) с автономным регистратором температуры.СОСТАВ АППАРАТУРЫПолная конфигурация аппаратуры имеет следующий состав:· комплект кассет универсального биокристаллизатора - 12 шт. (конфигурация кассет определяется постановщиком эксперимента);· термоизолирующий возвращаемый контейнер (ТВК) с автономным регистратором температуры;· ручной привод кассет;· термостат биотехнологический универсальный (ТБУ) для активного термостатирования кассет в полуавтоматическом режиме;· блок электропривода активации/деактивации кассет в ТБУ;· блок управления электроприводом;· система видеоконтроля кристаллизационных ячеек в ТБУ;· блок наблюдения и управления системой видеоконтроля и интерфейса (СВИ) с TV-системой МКС;· комплект соединительных кабелей. Каждая из универсальных кристаллизационных кассет конструктивно выполнена моноблочно. Кассета включает в себя 4 автономные кристаллизационные ячейки. Каждая кристаллизационная ячейка, в свою очередь, имеет от одной до трех кристаллизационных (белковых) камер и одну или несколько камер для раствора осадителя.

Биогидрометаллургия

Данное направление было ранее известно как Микробное выщелачивание металлов из руд. Изучает добычу металлов из их руд при помощи микроорганизмов. В 50-е - 60-е годы выяснилось, что существуют микроорганизмы, способные переводить металлы из рудных минералов в раствор. Механизмы такого перевода бывают разные. Например, некоторые выщелачивающие микроорганизмы непосредственно окисляют пирит : 4F e S 2 + 15O 2 + 2H 2 O = 2F e 2 (S O 4) 3 + 2H 2 S O 4

А ион трехвалентного железа служит сильным окисляющим агентом, способным переводить в раствор медь из халькоцинита: C u 2 S + 2F e 2 (S O 4) 3 = 2C u S O 4 + 4F e S O 4 + S или Уран из уранинита: U O 2 + F e 2 (S O 4) 3 = U O 2 S O 4 + 2F e S O 4

Реакции окисления являются экзотермическими, при их протекании выделяется энергия, используемая микроогранизмами в ходе своей жизнедеятельности.

Итак, какова же структура биотехнологии? Учитывая, что биотехнология активно развивается и структура её окончательно не определилась, можно говорить лишь о тех видах биотехнологии, которые существуют в настоящее время. Это клеточная биотехнология - прикладная микробиология , культуры растительных и животных клеток (об этом шла речь, когда мы говорили о микробиологической промышленности, о возможностях клеточных культур, о химическом мутагенезе). Это генетическая биотехнология и молекулярная биотехнология (они обеспечивают «индустрию ДНК»). И наконец, это моделирование сложных биологических процессов и систем, включающее инженерную энзимологию (об этом мы говорили, когда рассказывали об иммобилизованных ферментах).

Очевидно, что биотехнология имеет огромное будущее. И дальнейшее её развитие тесно связано с одновременным развитием всех важнейших отраслей биологической науки, исследующих живые организмы на разных уровнях их организации. Ведь как бы ни дифференцировалась биология, какие бы новые научные направления не возникали, объектом их исследования всегда будут живые организмы, представляющие собой совокупность материальных структур и разнообразнейших процессов составляющих физическое, химическое и биологическое единство. И этим - самой природой живого - предопределяется необходимость комплексного изучения живых организмов. Поэтому естественно и закономерно что биотехнология возникла в результате прогресса комплексного направления - физико-химической биологии и развивается одновременно и параллельно с этим направлением.

Всегда одной из основных практических задач клеточной и тканевой инженерии являлось создание на основе культивированных in vitro клеток живых эквивалентов тканей и органов с целью их использования в заместительной терапии для восстановления повреждённых структур и функций организма. Наибольшие успехи в этом направлении достигнуты при использовании выращенных in vitro кератиноцитов для лечения повреждений кожного покрова, и в первую очередь - при лечении ожоговых ран.

В заключение надо отметить ещё одно важное обстоятельство, которое отличает биотехнологию от других направлений науки и производства. Она исходно ориентирована на проблемы, которые тревожат современное человечество: производство продуктов питания (прежде всего белка), сохранение энергетического равновесия в природе (отход от ориентировки на использование невосполнимых ресурсов в пользу ресурсов восполнимых), охрана окружающей среды (биотехнология - «чистое» производство, требующее, правда, больших затрат воды).

Таким образом, биотехнология - закономерный результат развития человечества, признак достижения им важного, можно сказать поворотного, этапа развития.

Биотехнологическая промышленность

Биотехнологическую промышленность иногда разделяют на четыре направления:

• "«Красная» биотехнология" - производство биофармацевтических препаратов (протеинов, ферментов, антител) для человека, а также коррекция генетического кода.
• "«Зелёная» биотехнология" - разработка и внедрение в культуру генетически модифицированных растений.
• "«Белая» биотехнология" - производство биотоплив, ферментов и биоматериалов для различных отраслей промышленности.
• Академические и правительственные исследования - например, расшифровка генома риса.

"Микробиологическая индустрия" выпускает 150 видов продукции, крайне необходимой народному хозяйству. Её гордость - кормовой белок, получаемый на основе выращивания дрожжей. В год его производят более 1 млн. тонн. Другое важное достижение - выпуск ценнейшей кормовой добавки - незаменимой (то есть не образующейся в организме животного) аминокислоты лизина. Усвояемость белковых веществ, содержащихся в продукции микробиологического синтеза, такова, что 1 т кормового белка экономит 5-8 т зерна. Добавка 1 т биомассы дрожжей в рацион птиц, например, позволяет получить дополнительно 1,5-2 т мяса или 25-35 тыс. яиц, а в свиноводстве - высвободить 5-7 т фуражного зёрна. Дрожжи - не единственный возможный источник белка. Он может быть получен путём выращивания микроскопических зелёных водорослей, различных простейших и других микроорганизмов. Уже разработаны технологии их использования, проектируются и строятся предприятия-гиганты мощностью от 50 до 300 тыс. тонн продукции в год. Их эксплуатация позволит внести весомый вклад в решение народно-хозяйственных задач.

Если ген человека, отвечающий за синтез какого-либо фермента или другого важного для организма вещества, пересадить в клетки микроорганизмов, то в соответствующих условиях микроорганизмы будут продуцировать чуждое им соединение в промышленных масштабах. Учёные разработали и внедрили в производство способ получения интерферона человека эффективного при лечении многих вирусных заболеваний. Из 1 л культуральной жидкости извлекают такое же количество интерферона, какое раньше получали из многих тонн донорской крови. Экономия от внедрения нового способа составляет 200 млн. рублей в год.

Другой пример - получение с помощью микроорганизмов гормона роста человека. Совместные разработки учёных Института молекулярной биологии, Института молекулярной биологии, Института биохимии и физиологии микроорганизмов России и институтов России позволяют производить уже граммы гормона, тогда как прежде этот препарат получали миллиграммами. В настоящее время препарат проходит испытания. Методы генетической инженерии создали возможность получения вакцин против таких опасных инфекций, как гепатит В, ящур крупного рогатого скота, а также разработки способов ранней диагностики ряда наследственных заболеваний и различных вирусных инфекций.

Генетическая инженерия начинает активно воздействовать на развитие не только медицины, но и других сфер народного хозяйства. Успешное развитие методов генетической инженерии открывает широкие возможности для решения ряда задач, стоящих перед сельским хозяйством. Это и создание новых ценных сортов сельскохозяйственных растений, устойчивых к различным заболеваниям и неблагоприятным факторам внешней среды, и ускорение процесса селекции при выведении высокопродуктивных пород животных, и создание для ветеринарии высокоэффективных средств диагностики и вакцин, и разработка методов биологической фиксации азота. Решение этих проблем будет способствовать научно-техническому прогрессу сельского хозяйства, и ключевая роль в этом будет принадлежать методам генетической, а также, очевидно, и клеточной инженерии.

Клеточная инженерия - необычайно перспективное направление современной биотехнологии. Учёные разработали методы выращивания в искусственных условиях (культивирование) клеток растений животных и даже человека. Культивирование клеток позволяет получать различные ценные продукты, ранее добываемые в очень ограниченном количестве из-за отсутствия источников сырья. Особенно успешно развивается клеточная инженерия растений. Используя методы генетики, удаётся отбирать линии таких клеток растений - продуцентов практически важных веществ, которые способны расти на простых питательных средах и в то же время накапливать ценных продуктов в несколько раз больше, чем само растение. Выращивание массы клеток растений уже используется в промышленных масштабах для получения физиологически активных соединений. Налажено, например, производство биомассы женьшеня для нужд парфюмерной и медицинской промышленности. Закладываются основы производства биомассы лекарственных растений - диоскореи и раувольфии. Разрабатываются способы выращивания клеточной массы других редких растений - продуцентов ценных веществ (родиолы розовой и др.). Другое важное направление клеточной инженерии - клональное микроразмножение растений на основе культуры тканей. Основан это метод на удивительном свойстве растений: из отдельной клетки или кусочка ткани в определённых условиях может вырасти целое растение, способное к нормальному росту и размножению. Этим методом из небольшой части растения можно получить до 1 млн. растений в год. Клональное микроразмножение используется для оздоровления и быстрого размножения редких, хозяйственно ценных или вновь созданных сортов сельскохозяйственных культур. Таким путём из клеток, не заражённых вирусами, получают здоровые растения картофеля, винограда, сахарной свёклы, садовой земляники, малины и многих других культур. В настоящее время разработаны методы микроразмножения и более сложных объектов - древесных растений (яблони, ели, сосны). На основе этих методов будут созданы технологии промышленного получения исходного посадочного материала ценных древесных пород. Методы клеточной инженерии позволят значительно ускорить селекционный процесс при выведении новых сортов хлебных злаков и других важных сельскохозяйственных культур: срок их получения сокращается до 3-4 лет (вместо 10-12 лет, необходимых при использовании обычных методов селекции). Перспективных способом выведения новых сортов ценных сельскохозяйственных культур является также разработанный учёными принципиально новый метод слияния клеток. Этот метод позволяет получать гибриды, которые не могут быть созданы обычным путём скрещивания в силу барьера межвидовой несовместимости. Методом слияния клеток получены, например, гибриды различных видов картофеля, томатов, табака; табака и картофеля, рапса и турнепса, табака и белладонны. На основе гибрида культурного и дикого картофеля, который устойчив к вирусам и другим заболеваниям, создаются новые сорта. Аналогичным способом получают ценный селекционный материал томатов и других культур. В перспективе - комплексное использование методов генетической и клеточной инженерии для создания новых сортов растений с заранее заданными свойствами, например, ос сконструированными в них системами фиксации атмосферного азота. Большие успехи достигнуты клеточной инженерией в области иммунологии: разработаны методы получения особых гибридных клеток, производящих индивидуальные, или моноклональные, антитела. Это позволило создать высокочувствительные средства диагностики ряда тяжёлых заболеваний человека, животных и растений. Значительный вклад вносит современная биотехнология в решение такой важной проблемы, как борьба с вирусными заболеваниями сельскохозяйственных культур, наносящими большой ущерб народному хозяйству. Учёные разработали высокоспецифичные сыворотки для выявления более 20 вирусов, вызывающих заболевания различных сельскохозяйственных культур. Разработана и изготовлена система приборов и приспособлений для массовой автоматической экспресс-диагностики вирусных болезней растений в условиях сельскохозяйственного производства. Новые методы диагностики позволяют отбирать для посадки свободный от вирусов исходный материал (семена, клубни и др.), что способствует значительному повышению урожая. Важное практическое значение имеют работы по инженерной энзимологии. Первым важным успехом её была иммобилизация ферментов - закрепление молекул ферментов с помощью прочных химических связей на синтетических полимерах, полисахаридах и других носителях-матрицах. Закреплённые ферменты более стабильны, их можно использовать многократно. Иммобилизация позволяет осуществлять непрерывные каталитические процессы, получать продукцию, не загрязнённую ферментом (что особенно важно в ряде пищевых и фармакологических производств), значительно снизить её себестоимость. Это метод применяют, например, для получения антибиотиков. Так, учёными разработана и внедрена в промышленное производство технология получения антибиотиков на основе иммобилизованного фермента пенициллинамидазы. В результате применения этой технологии в пять раз снизился расход сырья, себестоимость конечного продукта уменьшилась почти вдвое, объём производства возрос в семь раз, а общий экономический эффект составил около 100 млн. рублей. Следующим шагом инженерной энзимологии была разработка методов иммобилизации клеток микроорганизмов, а затем - клеток растений и животных. Иммобилизованные клетки являются наиболее экономичными биокатализаторами, так как обладают высокой активностью и стабильностью, а главное - применение их полностью исключает затраты на выделение и очистку ферментов. В настоящее время на основе иммобилизованных клеток разработаны методы получения органических кислот, аминокислот, антибиотиков, стероидов, спиртов и других ценных продуктов. Иммобилизованные клетки микроорганизмов используются также для очистки сточных вод, переработки сельскохозяйственных и промышленных отходов. Биотехнология находит всё более широкое применение и во многих отраслях промышленного производства: разработаны методы использования микроорганизмов для извлечения цветных благородных металлов из руд и промышленных отходов, для повышения нефтеотдачи пластов, для борьбы с метаном в угольных шахтах. Так, для освобождения шахт от метана учёные предложили бурить скважины в угольных пластах и подавать в них суспензию из метаноокисляющихся бактерий. Таким образом удаётся удалить около 60% метана ещё до начала эксплуатации пласта. А недавно нашли более простой и эффективный способ: суспензией из бактерий опрыскивают породы выработанного пространства, откуда наиболее интенсивно выделяется газ. Разбрызгивание суспензии можно осуществлять с помощью специальных форсунок, устанавливаемых на крепях. Испытания, которые были проведены на шахтах Донбасса, показали, что микроскопические «работники» быстро уничтожают от 50 до 80 % опасного газа в выработках. А вот с помощью других бактерий, которые сами выделяют метан, можно повышать давление в нефтяных пластах и обеспечивать более полное извлечение нефти. Значительный вклад предстоит внести биотехнологии и в решение энергетической проблемы. Ограниченность запасов нефти и газа заставляет искать пути использования нетрадиционных источников энергии. Один из таких путей - биоконверсия растительного сырья, или, другими словами, ферментативная переработка целлюлозосодержащих отходов промышленности и сельского хозяйства. В результате биоконверсии можно получить глюкозу, а из неё - спирт, который и будет служить топливом. Всё шире развёртываются исследования по получению биогаза (в основном метана) путём переработки животноводческих, промышленных и коммунальных отходов с помощью микроорганизмов. При этом остатки после переработки являются высокоэффективным органическим удобрением. Таким образом, этим путём решаются сразу несколько проблем: охрана окружающей среды от загрязнений, получение энергии и производство удобрений. Установки по получению биогаза уже работают в разных странах. Возможности биотехнологии практически безграничны. Она смело вторгается в самые разные сферы народного хозяйства. И в недалёком будущем, несомненно, ещё более возрастёт практическая значимость биотехнологии в решении важнейших задач селекции, медицины, энергетики, охраны окружающей среды от загрязнений.

Трансгенные растения

Трансгенные растения - это те растения, которым пересажены гены.

• 1. Картофель устойчивый к колорадскому жуку, был создан путём введения гена выделенного из ДНК клетки почвенной тюрингской бациллы, вырабатывающий белок, ядовитый для колорадского жука (в желудке жука вырабатывается яд, а в человеке нет). Использовали посредника - клетки кишечной палочки. Листья картофеля стали вырабатывать белок, ядовитый для жуков.
• 2. Использует продукты из трансгенной сои, кукурузы, картофеля и подсолнечника.
• 3. В Америке решили вырастить помидор устойчивый к заморозкам. Взяли ген камбалы, отвечающий за терморегуляцию, и пересадили в клетки томата. Но помидор эту информацию понял по-своему, он не перестал бояться заморозков, а перестал портиться при хранении. Он может полгода лежать в комнате и не гнить.

Трансгенные животные

Трансгенные животные , экспериментально полученные животные, содержащие во всех клетках своего организма дополнительную интегрированную с хромосомами и экспрессирующуюся чужеродную ДНК (трансген), которая передаётся по наследству по законам Менделя.

Изредка трансген может реплицироваться и передаваться по наследству как экстрахромосомный автономно реплицирующийся фрагмент ДНК. Термин «трансгеноз» был предложен в 1973 для обозначения переноса генов одних организмов в клетки организмов других видов, в том числе далёких в эволюционном отношении. Получение трансгенных животных осуществляется с помощью переноса клонированных генов (ДНК) в ядра оплодотворенных яйцеклеток (зигот) или эмбриональных стволовых (плюрипотентных) клеток. Затем в репродуктивные органы реципиентной самки пересаживают модифицированные зиготы или яйцеклетки, у которых собственное ядро заменено на модифицированное ядро эмбриональных стволовых клеток, либо бластоцисты (эмбрионы), содержащие чужеродную ДНК эмбриональных стволовых клеток. Имеются отдельные сообщения об использовании спермиев для создания трансгенных животных, однако этот приём пока не получил широкого распространения.

Первые трансгенные животные были получены в 1974 в Кембридже (США) Рудольфом Янишем (Jaenisch) в результате инъекции в эмбрион мыши ДНК вируса обезьяны SV40. В 1980 американским учёным Жоржем Гордоном (Gordon) с соавторами было предложено использовать для создания трансгенных животных микроинъекцию ДНК в пронуклеус зиготы. Именно этот подход положил начало широкому распространению технологии получения трансгенных животных. Первые трансгенные животные в России появились в 1982. С помощью микроинъекций в пронуклеус зиготы в 1985 в США были получены первые трансгенные сельскохозяйственные животные (кролик, овца, свинья). В настоящее время для создания трансгенных животных, кроме микроинъекций, используются другие экспериментальные приемы: инфицирование клеток рекомбинантными вирусами, электропорация , «обстрел» клеток металлическими частицами с нанесёнными на их поверхности рекомбинантными ДНК.

В последние годы в результате появления технологии клонирования животных возникли дополнительные возможности для создания трансгенных животных. Уже есть трансгенные животные, полученные с помощью микроинъекции генов в ядра дифференциированных клеток.

Все имеющиеся методы переноса генов пока ещё не очень эффективны. Для получения одного трансгенного животного в среднем необходимы микроинъекции ДНК в 40 зигот мышей, 90 зигот козы, 100 зигот свиньи, 110 зигот овцы и в 1600 зигот коровы. Механизмы интеграции экзогенной ДНК или формирования автономных репликонов (единиц репликации, отличных от хромосом) при трансгенозе не известны. Встраивание трансгенов у каждого вновь получаемого трансгенного животного происходит в случайные участки хромосом, причём может происходить встраивание как единичной копии трансгена, так и множества копий, располагающихся, как правило, тандемно в единичном локусе одной из хромосом. Как правило, гомология между сайтом (местом) интеграции трансгена и самим трансгеном отсутствует. При использовании для трансгеноза эмбриональных стволовых клеток возможна предварительная селекция, что позволяет получать трансгенных животных с трансгеном, интегрированным в результате гомологичной рекомбинации с определённым участком генома хозяйского организма. С помощью этого подхода осуществляют, в частности, целенаправленное прекращение экспрессии определённого гена (это называют «нокаутом гена»).

Технология создания трансгенных животных является одной из наиболее бурно развивающихся биотехнологий в последние 10 лет. Трансгенные животные широко используются как для решения большого числа теоретических задач, так и в практических целях для биомедицины и сельского хозяйства. Некоторые научные проблемы не могли бы быть решены без создания трансгенных животных. На модели трансгенных лабораторных животных проводятся широкие исследования по изучению функции различных генов, регуляции их экспрессии, фенотипическому проявлению генов, инсерционному мутагенезу и др. Трансгенные животные важны для различных биомедицинских исследований. Существует множество трансгенных животных, моделирующих различные заболевания человека (рак, атеросклероз, ожирение и др.). Так, получение трансгенных свиней с изменённой экспрессией генов, определяющих отторжение органов, позволит использовать этих животных для ксенотрансплантации (пересадки органов свиньи человеку). В практических целях трансгенные животные используются различными зарубежными фирмами как коммерческие биореакторы, обеспечивающие производство разнообразных медицинских препаратов (антибиотиков, факторов свёртываемости крови и др.). Кроме того, перенос новых генов позволяет получать трансгенных животных, отличающихся повышенными продуктивными свойствами (например, усиление роста шерсти у овец, понижение содержания жировой ткани у свиней, изменение свойств молока) или устойчивостью к различным заболеваниям, вызываемым вирусами и другими патогенами. В настоящее время человечество уже использует множество продуктов, получаемых с помощью трансгенных животных: медицинские препараты, органы, пища.

У этого термина существуют и другие значения, см. Вектор. Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «Вектор» (ГНЦ ВБ «Вектор») Международное название англ. State Research Center of Virology and Biotechnology VECTOR … Википедия

ГНЦ ВБ «Вектор» один из крупнейших научных вирусологических и биотехнологических центров России, расположенный в наукограде Кольцово Новосибирской области, в нескольких километрах от Новосибирска. Полное название центра Федеральное… … Википедия

- (ИББР) Прежнее название Институт физиологии, генетики и биоинженерии растений Директор Жамбакин, Кабыл Жапарович Сотрудников 128 … Википедия

- (МГАВМиБ) Международное название Moscow state academy of veterinary medicine and biotechnology named K.I. Skryabin Год основания 1919 Тип … Википедия

Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии им. К. И. Скрябина (МГАВМиБ) Международное название Moscow state academy of veterinary medicine and biotechnology named K.I. Skryabin Год основания … Википедия

воздушный клапан (в биотехнологии) - входное отверстие (в биотехнологии) — Тематики биотехнологии Синонимы входное отверстие (в биотехнологии) EN vent …

нокдаун (в биотехнологии) - В биотехнологии относится к генам или организмам, в которых молекулярными методами изменена активность отдельных генов Тематики биотехнологии EN knockdown … Справочник технического переводчика

Преобразована в 1995 из Московской ветеринарной академии им. К. И. Скрябина (основана в 1919). Подготовка по ветеринарным, животноводческим, биологическим и другим специальностям. В 1998 свыше 3 тыс. студентов. * * * МОСКОВСКАЯ АКАДЕМИЯ… … Энциклопедический словарь

Федеральное бюджетное учреждение науки Государственный научный центр прикладной микробиологии и биотехнологии (ФБУН ГНЦ ПМБ) научный центр, проводящий исследования в таких областях, как эпидемиология, бактериология и биотехнология в целях… … Википедия

Если век прошедший оставил за собой название космического, то нынешние времена характеризуются стремительным развитием новых технологий, внедрением в повседневную жизнь изобретений, которые еще не так давно считались выдумками писателей-фантастов. Наступает эра новых технологий. Молодые люди на пороге серьезного выбора профессии все чаще обращают внимание на перспективные специальности будущего. Именно к таким относится специальность "биотехнология". Что же именно изучает эта наука и чем предстоит заниматься специалисту, выбравшему такое заманчивое занятие?

Историческая справка

Название этой науки состоит из сложения трех греческих слов: "био" - жизнь, "текне" - искусство, "логос" - наука. Специальность "биотехнология" одновременно является новым перспективным направлением, и вместе с тем ее можно назвать древнейшей отраслью промышленного производства.

В справочниках и словарях биотехнология определяется как наука, изучающая возможность использования природных химико-биологических процессов и объектов в промышленном производстве и повседневной жизнедеятельности человека. Процессы брожения, использованные древними виноделами, хлебопекарями, поварами и лекарями, - не что иное, как применение биотехнологии на практике. Первое научное обоснование этим процессам дал в 19 веке Луи Пастер. Сам термин «биотехнология» впервые употребил в 1917 году инженер из Венгрии Карл Эреки.

Специальности "биотехнология" и "биоинженерия" получили ускорение в развитии после ряда открытий в микробиологии и фармакологии. Ввод в эксплуатацию герметизированного оборудования, биореакторов дал толчок для создания противомикробных и антивирусных препаратов.

Связь наук

Современная химическая технология и биотехнология (специальность) объединяют биологические, химические и технические науки. Основой для новых изысканий в данной области становятся микробиология, генетика, химия, биохимия, молекулярная и клеточная биология, эмбриология. Значительную роль играют инженерные направления: робототехника, информационные технологии.

Специальность - биотехнология: где работать?

Под общими названиями специальности "биотехнология" скрывается более двадцати специализаций и направлений. Выпускников вузов с такой профессией смело можно назвать специалистами широкого профиля. Во время учебы они получают знания в области медицины, химии, общей биологии, экологии, пищевых технологий. Биотехнологов ждут в парфюмерной и фармацевтической промышленности, на предприятиях по производству пищевых продуктов и биодобавок. Современность ждет новых разработок научных работников в сфере генной инженерии, бионики, гибридизации. Место работы инженера - биолога может быть связано с предприятиями по охране окружающей среды, с работой в области космонавтики и робототехники. Инженеры, биохимики, биофизики, экологи, фармацевты, медики - все эти профессии соединяет в себе специальность "биотехнология". Кем работать, каждый выпускник вуза решает в соответствии со своими способностями и по зову сердца. Трудовые обязанности технолога - биолога зависят от особенностей отрасли, в которой он работает.

Промышленная биотехнология

Эта отрасль практикует использование частиц микроорганизмов, растений и животных для производства ценных продуктов, необходимых для жизнедеятельности человека. В эту группу входят специальности "пищевая биотехнологи", "фармацевтика", парфюмерная отрасль. Промышленные биотехнологии работают над созданием новых ферментов, антибиотиков, удобрений, вакцин и т.д. Основное направление деятельности биотехнолога на таких предприятиях - разработка биопрепаратов и соблюдение технологий их производства.

Молекулярная биотехнология

Специальность "биотехнология молекулярная" требует от профессионала углубленных знаний как общебиологического, так и инженерного направлений, современных компьютерных технологий. Специалисты с такой спецификой становятся исследователями в сфере нанотехнологии, клеточной инженерии, медицинской диагностики. Их ждут также сельскохозяйственные, фармацевтические, биотехнологические предприятия и контрольно-аналитические лаборатории, центры сертификации.

Биотехнологи - экологи и энергетики

Население планеты все больше обеспокоено тем фактом, что запасы природных энергоносителей, нефти и газа, имеют свои пределы, масштабы их добычи со временем будут сокращаться. Помочь человечеству решить проблему энергоснабжения помогут люди, чья специальность - биотехнология. Кем работать в этой отрасли? Технологом по переработке отходов различного происхождения, специально выращенной биомассы в энергоносители и веществ, которые могут заменить синтетические вещества нефти и газа. Биотехнологи создают новые методы очищения воды, проектируют очистные сооружения и биореакторы, работают в области генной инженерии.

Перспективы специальности

Кто такой биотехнолог? Профессия биотехнолога - это профессия будущего. За его плечами судьба всего человечества. Это не просто красивый лозунг - это цель биоинженерии. Задача биологов-технологов - создать то, что сейчас кажется сказкой и фантастической мечтой. Некоторые ученые даже называют современную эпоху эрой биологии. Так, за последнюю сотню лет биологи из просто исследователей превратились в создателей. Раскрытие молекулярных секретов организмов, природы наследственности позволило использовать эти процессы в практических хозяйственных целях. Это стало толчком для развития нового направления - биологической инженерии.

Чем могут удивить генетики в скором будущем?

Уже сейчас биоинженерия оказывает значительное влияние на охрану окружающей среды, медицину, сельское хозяйство, пищевую промышленность, а в ближайших планах биотехнологов - новые методы и приемы. Те, кто планирует связать свою судьбу со специальностью "биотехнология", где работать, в каком направлении, могут узнать из представленной ниже информации:

• В первую очередь революционные изменения могут произойти в сельскохозяйственном производстве. Есть возможность искусственно создавать новые растения с повышенным содержанием белка, что сократит, в свою очередь, потребление мяса.
• Растения, которые сами будут выделять яды от насекомых и нитраты, позволят уменьшить загрязнение почвы удобрениями и химикатами.
• Генетическая инженерия позволяет управлять наследственностью и бороться с наследственными заболеваниями.
• Биологи-конструкторы планируют искусственно создавать организмы с заранее обусловленными качествами.

Направления биоинженерии, которые круто изменят мир

Они следующие:

• Энергия и топливо из растений, грибов, бактерий, а также использование в этих целях энергии моря.
• Генно-модифицированные зерновые культуры.
• Безотходный производственный круг - переработка всех видов отходов.
• Использование биоматериалов для регеративной медицины.
• Новые виды биологических лекарств и вакцин.
• Восстановление потенциала плодородных земель и пресной воды.
• Исследования человеческого генома и наследственных болезней.

Издержки профессии

Говоря о преимуществах и перспективах биотехнологии, нельзя не упомянуть о некоторых минусах науки. Речь идет о моральных аспектах, связанных с открытиями генной инженерии. Многие ученые с мировым именем, религиозные деятели предупреждают о том, что использовать возможности нанотехнологий необходимо с умом и под особым контролем. Генно-модифицированные продукты питания могут привести к непоправимым изменениям в генофонде человечества. Клонирование человека, появление людей, рожденных «в пробирке», ведут к новым проблемам и, возможно, к человеческим катастрофам.

Кто может стать биотехнологом?

Прежде всего, это человек, который любит природу, биологию, интересуется тайнами генетики. Кроме того, биотехнологу необходимы умение креативно мыслить, логика, наблюдательность, терпение и любознательность. Пригодятся такие качества, как целеустремленность, умение анализировать и систематизировать, аккуратность и широкая эрудированность.

Так как биоиженерия предполагает тесную связь с другими науками, будущему технологу необходимы в равной мере хорошие знания химии, математики, физики.

Где учат профессии?

Профориентация определена, абитуриент выбрал профессию биотехнолога: где учиться? Особенности специальности предполагают соответствующие факультеты, в зависимости от выбранной отрасли народного хозяйства. Факультеты биотехнологии есть практически во всех государственных университетах в нашей стране и за рубежом. Биотехнологов готовят технические, сельскохозяйственные, пищевые, технологические университеты по различным направлениям и специализациям.

Факультеты биотехнологии специальности предлагают следующие:

• Промышленная биотехнология.
• Экобиотехнология и биоэнергетика.
• Биотехника и инженерия.
• Биоинформатика.
• Молекулярная биотехнология.
• Оборудование для биотехнологических производств.
• Фармацевтическая биотехнология.
• Химические технологии пищевых добавок и косметических средств.
• Химические технологии и инженерия.