Современные биотехнологии

Современные биотехнологии

Введение:

Возможности, которые биотехнология предлагает человечеству, как в области фундаментальной науки, так и во многих других областях, очень велики и зачастую даже революционны.

Таким образом, он позволяет производить в промышленных масштабах необходимые белки, значительно облегчает технологические процессы по производству продуктов брожения - ферментов и аминокислот, в будущем его можно использовать для улучшения растений и животных, а также для обработки наследственных заболеваний человека.

Генная инженерия и биотехнология, являясь одним из основных направлений научно-технического прогресса, активно способствуют ускорению решения многих проблем, таких как продукты питания, сельское хозяйство, энергетика и экология.

Но биотехнология открывает особенно большие возможности для медицины и фармацевтики, поскольку ее использование может привести к фундаментальным изменениям в медицине.

Многие заболевания, для которых в настоящее время отсутствуют адекватные методы диагностики и лечения (рак, сердечно-сосудистые, вирусные и паразитарные инфекции, нервные и психические расстройства), с помощью генной инженерии и биотехнологии станут доступны для диагностики и лечения.

Под влиянием биотехнологии медицина может превратиться в дисциплину с четким пониманием молекулярных и генетических процессов, происходящих в организме.

Понятие и сущность биотехнологии, история ее возникновения

Биотехнология - это промышленное использование биологических агентов или их систем для производства ценных продуктов и осуществления целенаправленных преобразований.

Биологическими агентами в этом случае являются микроорганизмы, клетки растений или животных, клеточные компоненты (клеточные мембраны, рибосомы, митохондрии, хлоропласты), а также биологические макромолекулы (ДНК, РНК, белки - чаще всего ферменты). Биотехнология также использует вирусную ДНК или РНК для переноса чужеродных генов в клетки.

Человек использовал биотехнологии на протяжении многих тысяч лет: люди пекли хлеб, варили пиво, делали сыр из различных микроорганизмов, даже не подозревая об их существовании.

Собственно, сам термин появился в нашем языке не так давно; вместо этого слова «промышленная микробиология», «техническая биохимия» и т. д.

Вероятно, самым старым биотехнологическим процессом была ферментация с использованием микроорганизмов. Это подтверждается описанием процесса приготовления пива, открытого в 1981 году. Во время раскопок Вавилона на тарелке, датируемой 6-м тысячелетием до нашей эры. е.

В 3 тысячелетии до нашей эры. е. Шумеры изготавливали до двух десятков сортов пива. Не менее древними биотехнологическими процессами являются виноделие, выпечка и производство молочнокислых продуктов.

В традиционном, классическом смысле биотехнология - это наука о методах и технологиях производства различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов.

Термин «новая» биотехнология в отличие от «старой» биотехнологии используется для разделения биологических процессов с использованием методов генной инженерии и более традиционных форм биологических процессов.

Таким образом, обычное производство алкоголя во время ферментации - это «старая» биотехнология, но использование дрожжей, улучшенных генной инженерией в этом процессе для увеличения выхода алкоголя, является «новой» биотехнологией.

Биотехнология как наука является важным разделом современной биологии, который, как и физика, стал в конце 20-го века. один из ведущих приоритетов мировой науки и экономики.

Всплеск исследований в области биотехнологии в мировой науке произошел в 80-х годах, но, несмотря на столь короткий период своего существования, биотехнология привлекла пристальное внимание как ученых, так и широкой общественности.

По прогнозам, уже в начале XXI века биотехнологические продукты будут составлять четверть всего мирового производства.

Что касается более современных биотехнологических процессов, то они основаны на методах рекомбинантной ДНК, а также на использовании иммобилизованных ферментов, клеток или клеточных органелл.

Современная биотехнология - это наука о генной инженерии и клеточных методах создания и использования генетически трансформированных биологических объектов для улучшения производства или получения новых видов продуктов для различных целей.

Биотехнология - это междисциплинарная область научно-технического прогресса, возникшая на стыке биологических, химических и технических наук.

Биотехнологический процесс включает в себя ряд этапов: подготовка объекта, его выращивание, выделение, очистка, модификация и использование продуктов. Многоступенчатый процесс требует привлечения широкого круга специалистов: генетиков и молекулярных биологов, биохимиков и биооргаников, вирусологов, микробиологов и клеточных физиологов, инженеров-технологов, разработчиков биотехнологического оборудования и т. д.

В Комплексной программе научно-технического прогресса стран-членов СЭВ создание и широкое экономическое развитие определены в качестве приоритетных задач биотехнологии:

• новые биологически активные вещества и лекарственные препараты для медицины (интерфероны, инсулин, гормоны роста человека, моноклональные антитела и др.), которые позволяют проводить раннюю диагностику и лечение серьезных заболеваний, сердечно-сосудистых, злокачественных, наследственных, инфекционных, в здравоохранении в том числе вирусный;
• микробиологические средства защиты растений от болезней и вредителей, бактериальные удобрения и регуляторы роста растений; новые высокопродуктивные и устойчивые к неблагоприятным факторам окружающей среды сорта и гибриды сельскохозяйственных растений, полученные с помощью генной и клеточной инженерии;
• ценные кормовые добавки и биологически активные вещества (кормовой белок, аминокислоты, ферменты, витамины, ветеринарные препараты и др.) для повышения продуктивности животноводства; новые биоинженерные методы для эффективной профилактики, диагностики и лечения основных заболеваний сельскохозяйственных животных;
• новые технологии получения экономически ценных продуктов для использования в пищевой, химической, микробиологической и других отраслях промышленности;
• технологии глубокой и эффективной переработки отходов сельского, промышленного и бытового назначения, использование сточных вод и газовоздушных выбросов для получения биогаза и высококачественных удобрений.

Основные направления и методы биотехнологии

Условно можно выделить следующие основные области биотехнологии:

• пищевая биотехнология;
• биотехнология лекарств для сельского хозяйства;
• биотехнология лекарств и продуктов промышленного и бытового назначения;
• биотехнология лекарств;
• биотехнология диагностических средств и реагентов.

Биотехнология также включает выщелачивание и концентрирование металлов, защиту окружающей среды от загрязнения, деградацию токсичных отходов и увеличение добычи нефти.

Генная и клеточная инженерия - это наиболее важные методы (инструменты), лежащие в основе современной биотехнологии. Методы клеточной инженерии направлены на создание нового типа клеток. Их можно использовать для воссоздания жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток, для объединения целых клеток, принадлежащих к разным видам, с образованием клетки, несущей генетический материал как исходных клеток, так и других операций.

Методы генной инженерии направлены на создание новых комбинаций генов, которые не существуют в природе. В результате применения методов генной инженерии можно получить рекомбинантные (модифицированные) молекулы РНК и ДНК, для которых отдельные гены (кодирующие желаемый продукт) выделены из клеток любого организма. После проведения определенных манипуляций с этими генами они внедряются в другие организмы (бактерии, дрожжи и млекопитающие), которые, получив новый ген (гены), смогут синтезировать конечные продукты с измененными свойствами, необходимыми человеку. Другими словами, генная инженерия позволяет получить желаемые (желательные) качества изменчивых или генетически модифицированных организмов или так называемых «трансгенных» растений и животных.

Наибольшее применение генная инженерия нашла в сельском хозяйстве и медицине.

Люди всегда думали о том, как научиться управлять природой, и искали способы получить, например, растения с улучшенными качествами: с высокими урожаями, более крупными и вкусными фруктами или с повышенной морозостойкостью. С древних времен основным методом, используемым для этой цели, был отбор. Он широко используется на сегодняшний день и направлен на создание новых и совершенствование существующих сортов культурных растений, пород домашних животных и штаммов микроорганизмов с ценными чертами и свойствами для человека.

Отбор основан на отборе растений (животных) с ярко выраженными благоприятными признаками и дальнейшем скрещивании таких организмов, в то время как генная инженерия позволяет напрямую вмешиваться в генетический аппарат клетки. Важно отметить, что в ходе традиционной селекции очень трудно получить гибриды с желаемой комбинацией полезных признаков, поскольку очень большие фрагменты геномов каждого из родителей передаются потомству, тогда как методы генной инженерии позволяют работать чаще всего с одним или несколькими генами, а модификации не влияют на работу других генов. В результате, не теряя других полезных свойств растения, можно добавить одну или несколько полезных характеристик, что очень ценно для создания новых сортов.

и новые формы растений. Стало возможным изменять растения, например, устойчивость к климату и стрессу, или их чувствительность к насекомым или болезням, распространенным в определенных регионах, к засухе и т. д. ученые даже надеются получить виды деревьев, устойчивые к пожарам. Обширные исследования ведутся для улучшения питательной ценности различных культур, таких как кукуруза, соя, картофель, помидоры, горох и т. д.

Исторически существуют «три волны» в создании генетически модифицированных растений:

1.   Первая волна - конец 1980-х годов - создание растений с новыми свойствами устойчивости к вирусам, паразитам или гербицидам. В растениях «первой волны» дополнительно был введен только один ген, который был вынужден «работать», то есть синтезировать один дополнительный белок. Полезные гены были взяты либо из вирусов растений (для формирования устойчивости к этому вирусу), либо из почвенных бактерий (для формирования устойчивости к насекомым, гербицидам).

2.   Вторая волна - начало 2000-х годов - создание растений с новыми потребительскими свойствами: масличные с высоким содержанием и измененным составом масел, фрукты и овощи с высоким содержанием витаминов, более питательные злаки и т. д.

3.   Сегодня ученые создают заводы «третьей волны», которые появятся на рынке в ближайшие 10 лет: вакцинные установки, биореакторные установки для производства промышленной продукции (компоненты для различных видов пластика, красители, технические масла и т. д.), заводы - лекарственные заводы и т. д.

Генная инженерия в животноводстве имеет другую задачу. Совершенно достижимой целью при современном уровне техники является создание трансгенных животных с определенным целевым геном. Например, ген некоторого ценного животного гормона (например, гормона роста) искусственно вводится в бактерию, которая начинает производить его в больших количествах. Другой пример: трансгенные козы, в результате введения соответствующего гена, могут продуцировать специфический белок, фактор VIII, который предотвращает кровотечение у пациентов с гемофилией, или фермент тромбокиназу, который способствует резорбции тромба в кровеносных сосудах, который важно для профилактики и лечения тромбофлебита у людей. Трансгенные животные производят эти белки гораздо быстрее, а сам метод намного дешевле, чем традиционный.

В конце 90-х годов XX в. Ученые США приблизились к производству сельскохозяйственных животных путем клонирования эмбриональных клеток, хотя эта область требует дальнейших серьезных исследований. Но в ксенотрансплантации - трансплантации органов от одного типа живого организма к другому - были достигнуты несомненные результаты. Наибольшие успехи были получены при использовании свиней с перенесенными генами человека в генотипе в качестве доноров различных органов. В этом случае существует минимальный риск отторжения органа.

В настоящее время идеи экологизации и, в более широком смысле, биологизации всей экономической и промышленной деятельности приобретают все большую популярность.

Под экологизацией, как начальным этапом биологизации, можно понимать снижение вредных выбросов продукции в окружающую среду, создание малоотходных и безотходных промышленных комплексов с замкнутым циклом и т. д.

Биологизация, с другой стороны, должна пониматься более широко как радикальная трансформация производственной деятельности, основанная на биологических законах биотического цикла биосферы.

Целью такой трансформации должна быть интеграция всех видов экономической и производственной деятельности в биотический цикл.

Эта необходимость особенно проявляется в явлении стратегической беспомощности химической защиты растений: Дело в том, что в настоящее время в мире нет ни одного пестицида, к которому вредители растений не приспособились бы.

Более того, закономерность такой адаптации теперь четко прослеживается: если в 1917 году существовал один вид насекомых, адаптировавшийся к ДДТ, то в 1980 году таких видов стало 432.

Применяемые пестициды и гербициды чрезвычайно вредны не только для всего животного мира, но и для человека.

Точно так же в настоящее время становится очевидной стратегическая бесполезность использования химических удобрений. В этих условиях переход к биологической защите растений и биоорганическим технологиям с минимумом химических удобрений является совершенно естественным.

Биотехнология может сыграть решающую роль в биологизации сельского хозяйства.

Можно и нужно говорить о биологизации технологий, промышленного производства и энергетики.

Активно развивающаяся биоэнергетика обещает революционные изменения, поскольку фокусируется на возобновляемых источниках энергии и сырья.

Практические достижения и перспективы биотехнологии

С помощью биотехнологии было получено много продуктов для здравоохранения, сельского хозяйства, пищевой и химической промышленности.

Более того, важно, чтобы многие из них не могли быть получены без использования биотехнологических методов.

Особенно большие надежды связаны с попытками использовать микроорганизмы и клеточные культуры для уменьшения загрязнения окружающей среды и производства энергии.

В молекулярной биологии использование биотехнологических методов позволяет определять структуру генома, понимать механизм экспрессии генов, моделировать клеточные мембраны, изучать их функции и т. д.

Построение необходимых генов методами генной и клеточной инженерии позволяет контролировать наследственность и жизнедеятельность животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми свойствами, полезными для человека и ранее не наблюдавшимися в природе.

В микробиологической промышленности в настоящее время используются тысячи штаммов различных микроорганизмов. В большинстве случаев они улучшаются за счет индуцированного мутагенеза и последующего отбора. Это позволяет в широком масштабе синтезировать различные вещества.

Некоторые белки и вторичные метаболиты могут быть получены только путем культивирования эукариотических клеток. Растительные клетки могут служить источником ряда соединений - атропина, никотина, алкалоидов, сапонинов и др.

В биохимии, микробиологии и цитологии несомненный интерес представляют методы иммобилизации как ферментов, так и целых клеток микроорганизмов, растений и животных.

В ветеринарной медицине широко используются биотехнологические методы, такие как культивирование клеток и микробов, овогенез in vitro и искусственное оплодотворение.

Все это указывает на то, что биотехнология станет источником не только новых продуктов питания и медицинских продуктов, но также энергии и новых химических веществ, а также организмов с желаемыми свойствами.

Если говорить о перспективах развития биотехнологии, то центральной проблемой биотехнологии остается интенсификация биологических процессов как путем увеличения потенциала биологических агентов и их систем, так и путем совершенствования оборудования с использованием биокатализаторов (иммобилизованных ферментов и клеток) в промышленности, аналитическая химия и медицина.

Промышленное использование достижений биологии основано на технике создания молекул рекомбинантных ДНК.

Построение необходимых генов позволяет управлять наследственностью и активностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми свойствами.

В частности, можно контролировать процесс фиксации атмосферного азота и переноса соответствующих генов из клеток микроорганизмов в геном клетки растения.

В качестве источников сырья для биотехнологии все большее значение приобретают воспроизводимые ресурсы непищевых растительных материалов, сельскохозяйственных отходов, которые служат дополнительным источником как кормовых веществ, так и вторичного топлива (биогаза) и органических удобрений.

Одной из быстроразвивающихся отраслей биотехнологии является технология микробного синтеза веществ, ценных для человека. По прогнозам, дальнейшее развитие этой отрасли повлечет за собой перераспределение ролей в формировании продовольственной базы человечества в растениеводстве и животноводстве, с одной стороны, и микробном синтезе - с другой.

Не менее важным аспектом современной микробиологической технологии является изучение участия микроорганизмов в биосферных процессах и направленного регулирования их жизни с целью решения проблемы защиты окружающей среды от промышленного, сельскохозяйственного и бытового загрязнения.

С этой проблемой тесно связаны исследования роли микроорганизмов в плодородии почв (образование гумуса и пополнение биологических запасов азота), борьба с вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур, а также удаление пестицидов и других химических соединений в почве.

Знания, имеющиеся в этой области, указывают на то, что изменение стратегии экономической деятельности человека от химизации к биологизации сельского хозяйства оправдано как с экономической, так и с экологической точек зрения.

В этом направлении биотехнология может поставить цель восстановления ландшафта.

Ведется работа по созданию биополимеров, которые смогут заменить современные пластики. Эти биополимеры имеют значительное преимущество перед традиционными материалами, так как они нетоксичны и подвержены биоразложению, то есть они легко разлагаются после использования, не загрязняя окружающую среду.

Биотехнологии, основанные на достижениях микробиологии, наиболее рентабельны при использовании в сочетании с ними и создании безотходных производств, не нарушающих экологический баланс.

Их разработка позволит заменить многие огромные предприятия химической промышленности экологически чистыми компактными установками.

Важной и перспективной областью биотехнологии является разработка способов производства чистой энергии.

Получение биогаза и этанола было рассмотрено выше, но существуют принципиально новые экспериментальные подходы в этом направлении.

Одним из них является получение фото водорода:

Если мембраны, содержащие фотосистему 2, выбраны из хлоропластов, то фотолиз воды происходит на свету - ее разложение на кислород и водород. Моделирование процессов фотосинтеза, происходящих в хлоропластах, позволило бы нам хранить энергию солнца в ценном топливе - водороде.

Преимущества этого метода генерации энергии очевидны:

• наличие избытка субстрата, воды;
• неограниченный источник энергии - Солнце;
• продукт (водород) может храниться без загрязнения атмосферы;
• водород имеет высокую теплотворную способность (29 ккал / г) по сравнению с углеводородами (3,5 ккал / г);
• процесс протекает при нормальной температуре без образования токсичных интермедиатов;
• процесс циклический, так как при потреблении водорода субстрат регенерируется - вода.

Хочу отметить биотехнологию сельскохозяйственных растений. Итак, начиная с каменного века, люди отбирали растения с их удовлетворительными характеристиками и сохраняли свои семена на следующий год. Отобрав лучшие семена, первые агрономы провели первичную генетическую модификацию растений и таким образом одомашнили их задолго до того, как были обнаружены основные генетические структуры. В течение сотен лет фермеры и селекционеры использовали методы скрещивания, гибридизации и другие подходы для модификации генома, что привело к увеличению урожайности, улучшению качества продукции и повышению устойчивости растений к насекомым-вредителям, патогенам и неблагоприятным условиям окружающей среды.

По мере углубления знаний о генетике растений человек начал проводить целевое скрещивание (скрещивание) сортов растений с желаемыми характеристиками или без нежелательных признаков и межвидовой гибридизации, чтобы получить новые сорта, которые сохранили лучшие качества обеих родительских линий. В настоящее время практически любая культура является результатом скрещивания, гибридизации или обоих подходов. К сожалению, эти методы часто дороги, трудоемки, неэффективны и имеют значительные практические ограничения. Например, чтобы создать сорт кукурузы, устойчивый к определенным насекомым, с использованием традиционного скрещивания, потребуется более десятка лет без гарантированного результата.

Биотехнологические подходы позволяют современным селекционерам выделять отдельные гены, ответственные за желаемые признаки, и перемещать их из генома одного растения в геном другого. Этот процесс гораздо более точный и избирательный, чем традиционное скрещивание, во время которого тысячи генов с неизвестными функциями перемещаются от одного сорта или вида растений к другому.

Биотехнология также допускает то, что находится за пределами силы природы - перемещение генов между растениями, животными и микроорганизмами. Это открывает огромные возможности для улучшения качества урожая. Например, мы можем взять бактериальный ген, токсичный для патогенного гриба, и интегрировать его в геном растения. Растение одновременно начинает синтезировать фунгицидный белок и не нуждается во внешней помощи в борьбе с грибком.

Заключение

Широкое использование микроорганизмов не может не породить новые отношения с дикой природой, что, естественно, приводит к желанию самим понять эти отношения и соотнести их с преобладающими представлениями, с одной стороны, о роли дикой природы в жизни человека и с Другое, о роли человека в биотическом цикле биосферы.

Опыт развития биотехнологии, которая все еще не очень богата, содержит много необычного и в то же время многообещающего для возможной оптимизации человеческой жизни.

И проблема самосохранения, с которой остро столкнулся Homo sapiens, заставляет его лихорадочно искать возможные варианты своей стратегии жизнедеятельности. Это влечение к природе, а именно к миру микроорганизмов, стало началом новой биотехнологии.

Очевидно, можно сказать, что биотехнология в сочетании с другими научными направлениями открывает новую эру взаимодействия человека с окружающей средой и, особенно, с живым веществом биосферы.

«Будучи прямым результатом научных разработок, биотехнология оказывается прямым единством науки и производства, еще одним шагом к единству знаний и действий, еще одним шагом, который приближает человека к преодолению внешней и пониманию внутренней целесообразности».

И все же это только маленький шаг. Потому что, как отметил Б. Шоу, наука всегда ошибается. Она никогда не решает проблему без создания еще десяти новых.

Сама биотехнология оказывается просто крупной отраслью, объединяющей технические и биологические элементы, и, естественно, наследует негативные свойства существующего промышленно-промышленного комплекса.

Их реальное преодоление и решение человеческой проблемы предполагает выход человечества на новые, более продвинутые этапы социокультурного развития, основанные на новых методах познания и действия.

Поэтому проблема выбора стратегии взаимодействия человека и природы становится очень актуальной: либо это самонадеянное управление природой, либо сознательная и целенаправленная адаптация всей жизнедеятельности к существующему биотическому циклу биосферы.

Скачано с www.znanio.ru