Биологические технологии (биотехнологии) обеспечивают управляемое получение полезных продуктов для различных сфер человеческой деятельности, базируясь на использовании каталитического потенциала биологических агентов и систем различной степени организации и сложности - микроорганизмов, вирусов, растительных и животных клеток и тканей, а также внеклеточных веществ и компонентов клеток.
Развитие и преобразование биотехнологии обусловлено глубокими переменами, происшедшими в биологии в течение последних 25-30 лет. Основу этих событий составили новые представления в области молекулярной биологии и молекулярной генетики. В то же время нельзя не отметить, что развитие и достижения биотехнологии теснейшим образом связаны с комплексом знаний не только наук биологического профиля, но также и многих других.
Расширение практической сферы биотехнологии обусловлено также социально-экономическими потребностями общества. Такие актуальные проблемы, стоящие перед человечеством на пороге ХХ1 в., как дефицит чистой воды и пищевых веществ (особенно белковых), загрязнение окружающей среды, недостаток сырьевых и энергетических ресурсов, необходимость получения новых, экологически чистых материалов, развития новых средств диагностики и лечения, не могут быть решены традиционными методами. Поэтому для жизнеобеспечения человека, повышения качества жизни и ее продолжительности становится все более необходимым освоение принципиально новых методов и технологий.
Развитие научно-технического прогресса, сопровождающееся повышением темпов материальных и энергетических ресурсов, к сожалению, приводит к нарушению баланса в биосферных процессах. Загрязняются водные и воздушные бассейны городов, сокращается воспроизводительная функция биосферы, вследствие накопления тупиковых продуктов техносферы нарушаются глобальные круговоротные циклы биосферы.
Стремительность темпов современного научно-технического прогресса человечества образно описал швейцарский инженер и философ Эйхельберг: «Полагают, что возраст человечества равен 600 000 лет. Представим себе движение человечества в виде марафонского бега на 60 км, который где-то начинаясь, идет по направлению к центру одного из наших городов, как к финишу... Большая часть дистанции пролегает по весьма трудному пути -через девственные леса, и мы об этом ничего не знаем, ибо только в самом конце, на 58-59 км бега, мы находим, наряду с первобытным орудием, пещерные рисунки, как первые признаки культуры, и только на последнем километре появляются признаки земледелия.
За 200 м до финиша дорога, покрытая каменными плитами, ведет мимо римских укреплений. За 100 м бегунов обступают средневековые городские строения. До финиша остается 50 м, где стоит человек, умными и понимающими глазами следящий за бегунами, -это Леонардо да Винчи. Осталось 10 м. Они начинаются при свете факелов и скудном освещении масляных ламп. Но при броске на последних 5 м происходит ошеломляющее чудо: свет заливает ночную дорогу, повозки без тяглового скота мчатся мимо, машины шумят в воздухе, и пораженный бегун ослеплен светом прожекторов фото- и телекамер...», т.е. за 1 м человеческий гений совершает ошеломляющий рывок в области научно-технического прогресса. Продолжая этот образ, можно добавить, что в момент приближения бегуна к финишной ленточке оказывается прирученным термоядерный синтез, стартуют космические корабли, расшифрован генетически код.
Биотехнология - основа научно-технического прогресса и повышения качества жизни человека
Биотехнология как область знаний и динамически развиваемая промышленная отрасль призвана решить многие ключевые проблемы современности, обеспечивая при этом сохранение баланса в системе взаимоотношений «человек - природа - общество», ибо биологические технологии (биотехнологии), базирующиеся на использовании потенциала живого по определению нацелены на дружественность и гармонию человека с окружающим его миром. В настоящее время биотехнология подразделяется на несколько наиболее значимых сегментов: это «белая», «зеленая», «красная», «серая» и «синяя» биотехнология.К «белой» биотехнологии относят промышленную биотехнологию, ориентированную на производство продуктов, ранее производимых химической промышленностью, - спирта, витаминов, аминокислот и др. (с учетом требований сохранения ресурсов и охраны окружающей среды).
Зеленая биотехнология охватывает область, значимую для сельского хозяйства. Это исследования и технологии, направленные на создание биотехнологических методов и препаратов для борьбы с вредителями и возбудителями болезней культурных растений и домашних животных, создание биоудобрений, повышение продуктивности растений, в том числе с использованием методов генетической инженерии.
Красная (медицинская) биотехнология - наиболее значимая область современной биотехнологии. Это производство биотехнологическими методами диагностикумов и лекарственных препаратов с использованием технологий клеточной и генетической инженерии (зеленые вакцины, генные диагностикумы, моноклональные антитела, конструкции и продукты тканевой инженерии и др.).
Серая биотехнология занимается разработкой технологий и препаратов для защиты окружающей среды; это рекультивация почв, очистка стоков и газовоздушных выбросов, утилизация промышленных отходов и деградация токсикантов с использованием биологических агентов и биологических процессов.
Синяя биотехнология в основном ориентирована на эффективное использование ресурсов Мирового океана. Прежде всего, это использование морской биоты для получения пищевых, технических, биологически активных и лекарственных веществ.
Современная биотехнология - это одно из приоритетных направлений национальной экономики всех развитых стран. Путь повышения конкурентности биотехнологических продуктов на рынках сбыта является одним из основных в общей стратегии развития биотехнологии промышленно развитых стран. Стимулирующим фактором выступают специально принимаемые правительственные программы по ускоренному развитию новых направлений биотехнологии.
Госпрограммы предусматривают выдачу инвесторам безвозмездных ссуд, долгосрочных кредитов, освобождение от уплаты налогов. В связи с тем что проведение фундаментальных и ориентированных работ становится все более дорогостоящим, многие страны стремятся вывести значительную часть исследований за пределы национальных границ.
Как известно, вероятность успеха осуществления проектов НИОКР в целом не превышает 12-20 %, около 60 % проектов достигают стадии технического завершения, 30 % - коммерческого освоения и только 12 % оказываются прибыльными.
Особенности развития исследований и коммерциализации биологических технологий в США, Японии, странах ЕС и России
США. Лидирующее положение в биотехнологии по промышленному производству биотехнологических продуктов, объемам продаж, внешнеторговому обороту, ассигнованиям и масштабам НИОКР занимают США, где уделяется огромное внимание развитию данного направления. В этом секторе к 2003 г. было занято свыше 198 300 чел.Ассигнования в этот сектор науки и экономики в США значительны и составляют свыше 20 млрд дол. США ежегодно. Доходы биотехнологической индустрии США выросли с 8 млрд дол. в 1992 г. до 39 млрд дол. в 2003 г.
Эта отрасль находится под пристальным вниманием государства. Так, в период становления новейшей биотехнологии и возникновения ее направлений, связанных с манипулированием генетическим материалом, в середине 70-х гг. прошлого столетия конгресс США уделял большое внимание вопросам безопасности генетических исследований. Только в 1977 г. состоялось 25 специальных слушаний и было принято 16 законопроектов.
В начале 90-х гг. акцент сместился на разработку мер по поощрению практического использования биотехнологии для производства новых продуктов. С развитием биотехнологии в США связывают решение многих ключевых проблем: энергетической, сырьевой, продовольственной и экологической.
Среди биотехнологических направлений, близких к практической реализации или находящихся на стадии промышленного освоения, следующие:
- биоконверсия солнечной энергии;
- применение микроорганизмов для повышения выхода нефти и выщелачивания цветных и редких металлов;
- конструирование штаммов, способных заменить дорогостоящие неорганические катализаторы и изменить условия синтеза для получения принципиально новых соединений;
- применение бактериальных стимуляторов роста растений, изменение генотипа злаковых и их приспособление к созреванию в экстремальных условиях (без вспашки, полива и удобрений);
- направленный биосинтез эффективного получения целевых продуктов (аминокислот, ферментов, витаминов, антибиотиков, пищевых добавок, фармакологических препаратов;
- получение новых диагностических и лечебных препаратов на основе методов клеточной и генетической инженерии.
Роль лидера США обусловлена высокими ассигнованиями государства и частного капитала на фундаментальные и прикладные исследования. В финансировании биотехнологии ключевую роль играют Национальный научный фонд (ННФ), министерства здравоохранения и социального обеспечения, сельского хозяйства, энергетики, химической и пищевой промышленности, обороны, Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), внутренних дел. Ассигнования выделяются по программно-целевому принципу, т.е. субсидируются и заключаются контракты на исследовательские проекты.
При этом крупные промышленные компании устанавливают деловые отношения с университетами и научными центрами. Это способствует формированию комплексов в той или иной сфере, начиная от фундаментальных исследований до серийного выпуска продукта и поставки на рынок. Такая «система участия» предусматривает формирование специализированных фондов с соответствующими экспертными советами и привлечение наиболее квалифицированных кадров.
При выборе проектов с высокой коммерческой результативностью стало выгодным использовать так называемый «анализ с учетом заданных ограничений». Это позволяет существенно сократить сроки реализации проекта (в среднем с 7-10 до 2-4 лет) и повысить вероятность успеха до 80 %. Понятие «заданные ограничения» включают потенциальную возможность успешной продажи продукта и получения прибыли, увеличения годового производства, конкурентоспособность продукта, потенциальный риск с позиций сбыта, возможности перестройки производства с учетом новых достижений и т.д.
Ежегодные общие государственные расходы США на генно-инженерные и биотехнологические исследования составляют миллиарды долларов. Инвестиции частных компаний существенно превосходят эти показатели. Только на создание диагностических и противоопухолевых препаратов ежегодно выделяется несколько миллиардов долларов. В основном это следующие направления: методы рекомбинации ДНК, получение гибридов, получение и применение моноклональных антител, культуры тканей и клеток.
В США стало обычным, когда компании, не связанные ранее с биотехнологией, начинают приобретать пакеты акций действующих компаний и строить собственные биотехнологические предприятия (табл. 1.1). Это, например, практика таких химических гигантов, как Philips Petrolium, Monsanto, Dow Chemical. Около 250 химических компаний имеют в настоящее время интересы в области биотехнологии. Так, у гиганта химической индустрии США - компании De Pont есть несколько биотехнологических комплексов стоимостью 85-150 тыс. дол. со штатом 700-1 000 чел.
Подобные комплексы созданы в структуре Monsanto, более того, в настоящее время до 75 % бюджета (свыше 750 млн дол.) направляется в сферу биотехнологии. В сфере внимания этих компаний - производство генно-инженерного гормона роста, а также ряда генно-инженерных препаратов для ветеринарии и фармакологии. Кроме этого, фирмы совместно с университетскими исследовательскими центрами подписывают контракты на проведение совместных НИОКР.
Таблица 1.1. Крупнейшие концерны и фармацевтические фирмы США, производящие медицинские биотехнологические препараты
Существует мнение, что все необходимые условия для становления и развития биотехнологии в США подготовил венчурный бизнес. Для крупных фирм и компаний венчурный бизнес является хорошо отработанным приемом, позволяющим за более короткий срок получить новые разработки, привлекая для этого мелкие фирмы и небольшие коллективы, нежели заниматься этим собственными силами.
Например, в 80-е гг. General Electric с помощью мелких фирм стал осваивать производство биологически активных соединений, только в 1981 г. его рисковые ассигнования в биотехнологии составили 3 млн дол. Риск с участием мелких фирм обеспечивает крупным компаниям и корпорациям механизм отбора экономически оправданных нововведений с большими коммерческими перспективами.
Н.А. Воинов, Т.Г. Волова
Биотехнология - это сознательное производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью живых организмов и биологических процессов .
С незапамятных времен биотехнология применялась преимущественно в пищевой и легкой промышленности: в виноделии, хлебопечении, сбраживании молочных продуктов, при обработке льна и кож, основанных на применении микроорганизмов. В последние десятилетия возможности биотехнологии необычайно расширились. Это связано с тем, что ее методы выгоднее обычных по той простой причине, что в живых организмах биохимические реакции, катализируемые ферментами, идут при оптимальных условиях (температуре и давлении), более производительны, экологически чисты и не требуют химических реактивов, отравляющих среду.
Объектами биотехнологии
являются многочисленные представители групп живых организмов - микроорганизмы (вирусы, бактерии, простейшие, дрожжевые грибы), растения, животные, а также изолированные из них клетки и субклеточные компоненты (органеллы) и даже ферменты. Биотехнология базируется на протекающих в живых системах физиолого-биохимических процессах, в результате которых осуществляются выделение энергии, синтез и расщепление продуктов метаболизма, формирование химических и структурных компонентов клетки.
Главным направлением биотехнологии является производство с помощью микроорганизмов и культивируемых эукариотических клеток биологически активных соединений (ферменты, витамины, гормоны), лекарственных препаратов (антибиотики, вакцины, сыворотки, высокоспецифичные антитела и др.), а также ценных соединений (кормовые добавки, например, незаменимые аминокислоты, кормовые белки и т. д.).
Методы генетической инженерии позволили осуществить синтез в промышленных количествах таких гормонов, как инсулин и соматотропин (гормон роста), которые необходимы для лечения генетических болезней человека.
Одним из важнейших направлений современной биотехнологии является также использование биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка сточных вод, загрязненной почвы и т. п.).
Так, для извлечения металлов из сточных вод могут широко использоваться штаммы бактерий, способные накапливать уран, медь, кобальт. Другие бактерии родов Rhodococcus и Nocardia с успехом применяют для эмульгирования и сорбции углеводородов нефти из водной среды. Они способны разделять водную и нефтяную фазы, концентрировать нефть, очищать сточные воды от примесей нефти. Ассимилируя углеводороды нефти, такие микроорганизмы преобразуют их в белки, витамины из группы В и каротины.
Некоторые из штаммов галобактерий с успехом применяют для удаления мазута с песчаных пляжей. Получены также генно-инженерные штаммы, способные расщеплять октан, камфару, нафталин, ксилол, эффективно утилизировать сырую нефть.
Большое значение имеет использование методов биотехнологии для защиты растений от вредителей и болезней.
Биотехнология проникает в тяжелую промышленность, где микроорганизмы используются для добычи, превращения и переработки природных ископаемых. Уже в древности первые металлурги получали железо из болотных руд, производимых железобактериями, которые способны концентрировать железо. Теперь разработаны способы бактериальной концентрации ряда других ценных металлов: марганца, цинка, меди, хрома и др. Эти методы используются для разработки отвалов старых рудников и бедных месторождений, где традиционные методы добычи экономически невыгодны.
Биотехнология решает не только конкретные задачи науки и производства. У нее есть более глобальная методологическая задача - она расширяет и ускоряет масштабы воздействия человека на живую природу и способствует адаптации живых систем к условиям существования человека, т. е. к ноосфере. Биотехнология, таким образом, выступает в роли мощного фактора антропогенной адаптивной эволюции.
У биотехнологии, генетической и клеточной инженерии многообещающие перспективы. При появлении все новых и новых векторов человек с их помощью будет внедрять нужные гены в клетки растений, животных и человека. Это позволит постепенно избавиться от многих наследственных болезней человека, заставить клетки синтезировать необходимые лекарства и биологически активные соединения, а затем - непосредственно белки и незаменимые аминокислоты, употребляемые в пищу. Используя методы, уже освоенные природой, биотехнологи надеются получать с помощью фотосинтеза водород - самое экологически чистое топливо будущего, электроэнергию, превращать в аммиак атмосферный азот при обычных условиях.
Биотехнология - это наука, изучающая возможность использовать живые организмы или продукты их жизнедеятельности для решения определенных технологических задач.
С помощью биотехнологий, происходит обеспечение определенных человеческих потребностей, например: разработка медицинских препаратов, модификация или создание новых видов растений и животных, что увеличивает качество пищевых продуктов.
Биотехнология в современной медицине
Биотехнология, как наука, зарекомендовала себя в конце ХХ века, а именно в начале 70-х годов. Все началось с генетической инженерия, когда ученые смогли перенести генетический материал из одного организма к другому без осуществления половых процессов. Для этого была использовано рекомбинантная ДНК или рДНК. Такой метод применяется для изменения или улучшения определенного организма.
Чтобы создать молекулу рДНК нужно:
- извлечь молекулу ДНК из клетки животного или растения;
- обработать изолированную клетку и плазмиду, а затем смешать их;
- затем, измененная плазмида переносится в бактерию, а та в свою очередь приумножает копии информации, что были внесены в нее.
Медицинские биотехнологии подразделяются на 2 большие группы:
- Диагностические , которые, в свою очередь, бывают: химическими (определение диагностических веществ и параметров обмена); физическими (определение физических полей организма);
- Лечебные .
К медицинской биотехнологии относят такие производственные процессы, в ходе которых создаются биообъекты или вещества медицинского назначения. Это ферменты, витамины, антибиотики, отдельные микробные полисахариды, которые могут применяться как самостоятельные средства или как вспомогательные вещества при создании различных лекарственных форм, аминокислоты.
Так, методы биотехнологий применяются:
- для производства человеческого инсулина путем использования генно-модифицированных бактерий;
- для создания эритропоэтина (гормона, стимулирующего образование эритроцитов в костном мозге.
Медицинская генетика в будущем сможет не только предотвращать появление на свет неполноценных детей путем диагностирования генетических заболеваний, но и проводить пересадку генов для решения существующей проблемы.
Биотехнология в будущем даст человечеству огромные возможности не только в медицине, но и в других направлениях современных наук.
Биотехнологии в современной науке
Биотехнологии в современной науке несет огромную пользу. За счет открытия генной инженерии стало возможным выведения новых сортов растений и пород животных, которые принесут пользу сельскому хозяйству.
Изучения биотехнологии связано не только лишь с науками биологического направления. В микроэлектронике разработаны ион-селективные транзисторы на основе полевого эффекта (HpaI). Биотехнология необходима для повышения нефтеотдачи нефтяных пластов. Наиболее развитым направлением является использование биотехнологии в экологии для очистки промышленных и бытовых сточных вод. В развитие биотехнологии внесли свой вклад многие другие дисциплины, именно поэтому биотехнологии стоит отнести к комплексной науке.
Еще одной причиной активного изучения и усовершенствования знаний в биотехнологии стал вопрос в недостатке (или будущем дефиците) социально-экономических потребностей.
В мире существуют такие проблемы, как:
- нехватка пресной или очищенной воды (в некоторых странах);
- загрязнение окружающей среды различными химическими веществами;
- дефицит энергетического ресурса;
- необходимость усовершенствования и получения совершенно новые экологически чистых материалов и продуктов;
- повышение уровня медицины.
Ученые уверенны, что решить эти и многие другие проблемы возможно при помощи биотехнологии.
Основные типовые технологические приемы современной биотехнологии
Биотехнологию можно выделить не только как науку, но еще и как сферу практической деятельности человека, которая отвечает за производство разного вида продукции при участии живых организмов или их клеток.
Теоретической основой для биотехнологии в свое время стала такая наука, как генетика, это случилось в ХХ веке. А вот практически биотехнология основывалась на микробиологической промышленности. Микробиологическая промышленность в свою очередь получила сильный толчок в развитии после открытия и активного производства антибиотиков.
Объектами, с которыми работает биотехнология, являются вирусы, бактерии, различные представители флоры и фауны, грибы, а также органоиды и изолированные клетки.
Наглядная биотехнология. Генная и клеточная инженерия
Генетическая и клеточная инженерия в сочетании с биохимией - это основные сферы современной биотехнологии.
Клеточная инженерия - выращивание в специальных условиях клеток различных живых организмов (растений, животных, бактерий), разного рода исследования над ними (комбинация, извлечение или пересадка).
Самой успешной считается клеточная инженерия растений. При помощи клеточной инженерии растений стало возможным ускорение селекционных процессов, что позволяет выводить новые сорта сельхоз культур. Теперь выведение нового сорта сократилось от 11 лет до 3-4.
Генетическая (или генная) инженерия - отдел молекулярной биологии, в котором занимаются изучением и выделением генов из клеток живых организмов, после чего над ними проводятся манипуляции для достижения определенной цели. Главными инструментами, которые используются в генной инженерии, являются ферменты и векторы.
Биотехнологии клонирования
Клонирование - это процесс получения клонов (то есть потомков полностью идентичных прототипу). Первый опыт клонирования был проведен на растениях, которые клонировались вегетативным путем. Каждое отдельное растение, которое получилось вследствие клонирования, называлось клоном.
В процессе развития генетики это термин начали применять не только к растениям, но и к генетическому выведению бактерий.
Уже в конце ХХ века ученые начали активное обсуждение клонирования человека. Таким образом, термин «клон» стал употребляться в СМИ, а позже и в литературе и искусстве.
Что касается бактерий, то у них клонирование - это практически единственный способ размножения. Именно «клонирование бактерий» употребляется в том случаи, когда процесс искусственный и им управляет человек. Этот термин не касается естественного размножения микроорганизмов.
Генетическая инженерия
Генная инженерия - это искусственные изменения в генотипе микроорганизма, вызванное вмешательством человека, для получения культур с необходимыми качествами.
Генная инженерия занимается исследованиями и изучением не только микроорганизмов, но и человека, активно изучает заболевания, связанные с иммунной системой и онкологией.
Клеточная биотехнология растений
Клеточная биотехнология основывается на применении клеток, тканей и протопластов. Чтобы успешно управлять клетками, необходимо отделить их от растения и создать им все необходимые условия для успешного существования и размножения вне организма растения. Такой метод выращивания и размножения клеток носит название «культуры изолированных тканей» и получил особое значение из-за возможности применения в биотехнологии.
Биотехнологии в современном мире и жизни человека
Потенциал, который открывает биотехнология для человека, велик не только в фундаментальной науке, но и в других сферах деятельности и областях знаний. При использовании биотехнологических методов стало возможно массовое производство всех необходимых белков.
Значительно проще стали процессы получения продуктов ферментации. В будущем биотехнологии позволят улучшать животных и растений. Учеными рассматриваются варианты борьбы с наследственными болезнями при помощи генной инженерии.
Генная инженерия, как основное направление в биотехнологии, значительно ускоряет решение проблемы продовольственного, аграрного, энергетического и экологического кризисов.
Самое большее влияние биотехнология оказывает на медицину и фармацевтику. Прогнозируется, что в будущем станет возможным диагностика и лечение тех заболеваний, которые имеют статус «неизлечимых».
Этические аспекты некоторых достижений в биотехнологии
После того, как стало известно, что некоторые научные лаборатории не только проводили опыты на человеческих эмбрионах, но и пытались произвести клонирование людей - пошла волна бурного обсуждения этого вопроса не только среди ученых, но и среди обычных людей.
В биотехнологии можно выделить две этические проблемы, связанные с клонированием человека:
- терапевтическое клонирование (культивация человеческих эмбрионов для применения их клеток с целью лечения);
- репродуктивное клонирование (создание человеческих клонов).
Современные достижения и проблемы биотехнологии
При помощи биотехнологии было и будет получено огромное количество продуктов для здравоохранения, сельского хозяйства продовольственной и химической промышленности. Стоит упомянуть, что многие из продуктов никаким другим способом не могли быть получены.
Что касается проблем, так основным образом - это этические аспекты, связанные с тем, что общество отрицает и считает негативным клонирование человека или человеческого эмбриона.
Современное состояние и перспективы биотехнологии
В биотехнологии активно начала развиваться отрасль микробного синтеза ценных для человечества веществ. Это может повлечь за собой смену распределения роли продовольственной базы, основанной на растениях и животных, в сторону микробного синтеза.
Получение экологически чистой энергии при помощи биотехнологий - еще одно важное и перспективное направление в науке.
Компании, разрабатывающие новые биотехнологии
Журнал «Forbes» представил список самых инновационных компаний мира по разработке биотехнологий, в него вошли такие компании, как: «Genentech», «Novartis International AG», «Merck & Co», «Pfizer», «Sanofi», «Perrigo». Все эти компании напрямую связаны с фармацевтикой и развиваются именно в этом направлении.
Многие из компаний успешно принимают активное участие в развитии российского рынка биотехнологий:
- «Novartis International AG» - компания занимается выведением вакцин и производством препаратов в сфере онкологии, одно из предприятий работает в СПб.
- «Pfizer» - производит безрецептурные препараты в разных отраслях медицины. Pfizer уже несколько лет реализует в России программу «Больше, чем образование» по соглашениям с МГУ им. М.В. Ломоносова и Санкт-Петербургской государственной химико-фармацевтической академией.
- «Sanofi» - компания занимается производством препаратов для лечения сахарного диабета и склероза. В России успешно работает уникальное предприятие компании - завод полного цикла по производству инсулинов «Санофи-Авентис Восток».
В России особая роль отводится Кластеру биомедицинских технологий Инновационного центра «Сколково», ОАО «РВК» и ОАО «Роснано». Фармацевтическими и медицинскими биотехнологиями занимаются компании ОАО «Акрихин», ООО «Герофарм», НПФ «Литех». Центр высоких технологий «Химрар» объединяет высокотехнологичные организации, ведущие разработки и производство инновационных 14 компаний, которые занимаются разработкой лекарственных препаратов на основе новейших «постгеномных» технологий.
Помимо этого, существуют и молодые стартапы, разрабатывающие новые биотехнологии:
- «3Д Биопринтинг Солюшенс» на основе трёхмерной биопечати создает органы из стволовых клеток пациента;
- «БиоМикроГели» предлагает разработки по очистке воды и почвы с помощью микрогелей.
- биомедицинский холдинг «Атлас» проводит анализ микробиоты организма в рамках проекта «OhmyGut».
Учебник соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту среднего (полного) общего образования, рекомендован Министерством образования и науки РФ и включен в Федеральный перечень учебников.
Учебник адресован учащимся 10 класса и рассчитан на преподавание предмета 1 или 2 часа в неделю.
Современное оформление, многоуровневые вопросы и задания, дополнительная информация и возможность параллельной работы с электронным приложением способствуют эффективному усвоению учебного материала.
Какое значение для промышленности и сельского хозяйства имеет селекция микроорганизмов?
Биотехнология – это использование организмов, биологических систем или биологических процессов в промышленном производстве. Термин «биотехнология» получил широкое распространение с середины 70-х гг. XX в., хотя ещё с незапамятных времён человечество использовало микроорганизмы в хлебопечении и виноделии, при производстве пива и в сыроварении. Любое производство, в основе которого лежит биологический процесс, можно рассматривать как биотехнологию. Генная, хромосомная и клеточная инженерия, клонирование сельскохозяйственных растений и животных – это различные аспекты современной биотехнологии.
Биотехнология позволяет не только получать важные для человека продукты, например антибиотики и гормон роста, этиловый спирт и кефир, но и создавать организмы с заранее заданными свойствами гораздо быстрее, чем с помощью традиционных методов селекции. Существуют биотехнологические процессы по очистке сточных вод, переработке отходов, удалению нефтяных разливов в водоёмах, получению топлива. Эти технологии основаны на особенностях жизнедеятельности некоторых микроорганизмов.
Появляющиеся современные биотехнологии изменяют наше общество, открывают новые возможности, но одновременно создают определённые социальные и этические проблемы.
Генная инженерия. Удобными объектами биотехнологии являются микроорганизмы, имеющие сравнительно просто организованный геном, короткий жизненный цикл и обладающие большим разнообразием физиологических и биохимических свойств.
Одной из причин сахарного диабета является недостаток в организме инсулина – гормона поджелудочной железы. Инъекции инсулина, выделенного из поджелудочных желез свиней и крупного рогатого скота, спасают миллионы жизней, однако у некоторых пациентов приводят к развитию аллергических реакций. Оптимальным решением было бы использование человеческого инсулина. Методами генной инженерии ген инсулина человека был встроен в ДНК кишечной палочки. Бактерия начала активно синтезировать инсулин. В 1982 г. инсулин человека стал первым фармацевтическим препаратом, полученным с помощью методов генной инженерии.
Рис. 107. Страны, выращивающие трансгенные растения. Практически всю площадь посевов трансгенных культур занимают генетически модифицированные сорта четырёх растений: сои (62 %), кукурузы (24 %), хлопчатника (9 %) и рапса (4 %). Уже созданы сорта трансгенного картофеля, помидоров, риса, табака, свёклы и других культур
Аналогичным способом в настоящее время получают гормон роста. Человеческий ген, встроенный в геном бактерий, обеспечивает синтез гормона, инъекции которого используются при лечении карликовости и восстанавливают рост больных детей почти до нормального уровня.
Так же как у бактерий, с помощью методов генной инженерии можно изменять и наследственный материал эукариотических организмов. Такие генетически перестроенные организмы называют трансгенными или генетически модифицированными организмами (ГМО).
В природе существует бактерия, которая выделяет токсин, убивающий многих вредных насекомых. Ген, отвечающий за синтез этого токсина, был выделен из генома бактерии и встроен в геном культурных растений. К настоящему времени уже созданы устойчивые к вредителям сорта кукурузы, риса, картофеля и других сельскохозяйственных растений. Выращивание таких трансгенных растений, которые не требуют использования пестицидов, имеет огромные преимущества, потому что, во-первых, пестициды убивают не только вредных, но и полезных насекомых, а во-вторых, многие пестициды накапливаются в окружающей среде и оказывают мутагенное влияние на живые организмы (рис. 107).
Один из первых успешных экспериментов по созданию генетически модифицированных животных был произведён на мышах, в геном которых был встроен ген гормона роста крыс. В результате трансгенные мыши росли гораздо быстрее и в итоге были в два раза больше обычных мышей. Если этот опыт имел исключительно теоретическое значение, то эксперименты в Канаде имели уже явное практическое применение. Канадские учёные ввели в наследственный материал лосося ген другой рыбы, который активировал ген гормона роста. Это привело к тому, что лосось рос в 10 раз быстрее и набирал вес, в несколько раз превышающий норму.
Клонирование. Создание многочисленных генетических копий одного индивидуума с помощью бесполого размножения называют клонированием . У ряда организмов этот процесс может происходить естественным путём, вспомните вегетативное размножение у растений и фрагментацию у некоторых животных (). Если у морской звезды случайно оторвётся кусочек луча, из него образуется новый полноценный организм (рис. 108). У позвоночных животных этот процесс естественным путём не происходит.
Впервые успешный эксперимент по клонированию животных был осуществлён исследователем Гёрдоном в конце 60-х гг. XX в. в Оксфордском университете. Учёный пересадил ядро, взятое из клетки эпителия кишки лягушки-альбиноса, в неоплодотворённую яйцеклетку обычной лягушки, чьё ядро перед этим было разрушено. Из такой яйцеклетки учёному удалось вырастить головастика, превратившегося затем в лягушку, которая была точной копией лягушки-альбиноса. Таким образом, впервые было показано, что информации, содержащейся в ядре любой клетки, достаточно для развития полноценного организма.
Рис. 108. Регенерация морской звезды из одного луча
В дальнейшем исследования, проведённые в Шотландии в 1996 г., привели к успешному клонированию овцы Долли из клетки эпителия молочной железы матери (рис. 109).
Клонирование представляется перспективным методом в животноводстве. Например, при разведении крупного рогатого скота используется следующий приём. На ранней стадии развития, когда клетки эмбриона ещё не специализированы, зародыш разделяют на несколько частей. Из каждого фрагмента, помещённого в приёмную (суррогатную) мать, может развиться полноценный телёнок. Таким способом можно создать множество идентичных копий одного животного, обладающего ценными качествами.
Для специальных целей можно также клонировать отдельные клетки, создавая культуры тканей, которые в подходящих средах способны расти бесконечно долго. Клонированные клетки служат заменой лабораторным животным, так как на них можно изучать воздействие на живые организмы различных химических веществ, например лекарственных препаратов.
При клонировании растений используется уникальная особенность растительных клеток. В начале 60-х гг. XX в. впервые было показано, что клетки растений, даже после достижения зрелости и специализации, в подходящих условиях способны давать начало целому растению (рис. 110). Поэтому современные методы клеточной инженерии позволяют осуществлять селекцию растений на клеточном уровне, т. е. отбирать не взрослые растения, обладающие теми или иными свойствами, а клетки, из которых потом выращивают полноценные растения.
Рис. 109. Клонирование овцы Долли
Этические аспекты развития биотехнологии. Использование современных биотехнологий ставит перед человечеством много серьёзных вопросов. Не может ли ген, встроенный в трансгенные растения томата, при съедании плодов мигрировать и встраиваться в геном, например, бактерий, живущих в кишечнике человека? Не может ли трансгенное культурное растение, устойчивое к гербицидам, болезням, засухе и другим стрессовым факторам, при перекрёстном опылении с родственными дикими растениями передать эти же свойства сорнякам? Не получатся ли при этом «суперсорняки», которые очень быстро заселят сельскохозяйственные земли? Не попадут ли случайно мальки гигантского лосося в открытое море и не нарушит ли это баланс в природной популяции? Способен ли организм трансгенных животных выдержать ту нагрузку, которая возникает в связи с функционированием чужеродных генов? И имеет ли право человек переделывать живые организмы ради собственного блага?
Эти и многие другие вопросы, связанные с созданием генетически модифицированных организмов, широко обсуждаются специалистами и общественностью всего мира. Созданные во всех странах специальные контролирующие органы и комиссии утверждают, что, несмотря на существующие опасения, вредного воздействия ГМО на природу зафиксировано не было.
Рис. 110. Этапы клонирования растений (на примере моркови)
В 1996 г. Совет Европы принял Конвенцию о правах человека при использовании геномных технологий в медицине. Основное внимание в документе уделено этике применения таких технологий. Утверждается, что ни одна личность не может быть подвергнута дискриминации на основе информации об особенностях её генома.
Введение в клетки человека чужеродного генетического материала может иметь отрицательные последствия. Неконтролируемое встраивание чужой ДНК в те или иные участки генома может привести к нарушению работы генов. Риск использования генотерапии при работе с половыми клетками гораздо выше, чем при использовании соматических клеток. При внесении генетических конструкций в половые клетки может возникнуть нежелательное изменение генома будущих поколений. Поэтому в международных документах ЮНЕСКО, Совета Европы, Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) подчёркивается, что всякое изменение генома человека может производиться лишь на соматических клетках.
Но, пожалуй, наиболее серьёзные вопросы возникают в связи с теоретически возможным клонированием человека. Исследования в области человеческого клонирования сегодня запрещены во всех странах в первую очередь по этическим соображениям. Становление человека как личности базируется не только на наследственности. Оно определяется семейной, социальной и культурной средой, поэтому при любом клонировании воссоздать личность невозможно, как невозможно воспроизвести все те условия воспитания и обучения, которые сформировали личность его прототипа (донора ядра). Все крупные религиозные конфессии мира осуждают любое вмешательство в процесс воспроизводства человека, настаивая на том, что зачатие и рождение должны происходить естественным путём.
Эксперименты по клонированию животных поставили перед научной общественностью ряд серьёзных вопросов, от решения которых зависит дальнейшее развитие этой области науки. Овечка Долли не была единственным клоном, полученным шотландскими учёными. Клонов было несколько десятков, а в живых осталась только Долли. В последние годы совершенствование техники клонирования позволило увеличить процент выживших клонов, но их смертность всё ещё очень высока. Однако существует проблема, ещё более серьёзная с научной точки зрения. Несмотря на победное рождение Долли, остался неясным её реальный биологический возраст, связанные с ним проблемы со здоровьем и относительно ранняя смерть. По мнению учёных, использование ядра клетки немолодой шестилетней овцы-донора сказалось на судьбе и здоровье Долли.
Необходимо существенно повысить жизнеспособность клонированных организмов, выяснить, влияет ли использование конкретных методик на продолжительность жизни, здоровье и плодовитость животных. Очень важно свести к минимуму риск дефектного развития реконструированной яйцеклетки.
Активное внедрение биотехнологий в медицину и генетику человека привело к появлению специальной науки – биоэтики. Биоэтика – наука об этичном отношении ко всему живому, в том числе и к человеку. Нормы этики выдвигаются сейчас на первый план. Те нравственные заповеди, которыми человечество пользуется века, к сожалению, не предусматривают новых возможностей, привносимых в жизнь современной наукой. Поэтому людям необходимо обсуждать и принимать новые законы, учитывающие новые реальности жизни.
Вопросы для повторения и задания
1. Что такое биотехнология?
2. Какие проблемы решает генная инженерия? С какими трудностями связаны исследования в этой области?
3. Как вы думаете, почему селекция микроорганизмов приобретает в настоящее время первостепенное значение?
4. Приведите примеры промышленного получения и использования продуктов жизнедеятельности микроорганизмов.
5. Какие организмы называют трансгенными?
6. В чём преимущество клонирования по сравнению с традиционными методами селекции?
Подумайте! Выполните!
1. Какие перспективы в развитии народного хозяйства открывает использование трансгенных животных?
2. Может ли современное человечество обойтись без биотехнологии? Организуйте выставку или сделайте стенную газету «Биотехнология: прошлое, настоящее, будущее».
3. Организуйте и проведите дискуссию на тему «Клонирование: за и против».
4. Приведите примеры продуктов, входящих в ваш рацион, которые были созданы с использованием биотехнологических процессов.
5. Докажите, что биологическая очистка воды является биотехнологическим процессом.
Работа с компьютером
Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.
Клеточная инженерия. В 70-х гг. прошлого века в биотехнологии стала активно развиваться клеточная инженерия. Клеточная инженерия позволяет создавать клетки нового типа на основе различных манипуляций, чаще всего гибридизации, т. е. слияния исходных клеток или их ядер. В одну из исследуемых клеток помещают ядро, принадлежащее клетке другого организма. Создают условия, при которых эти ядра сливаются, а затем происходит митоз , и образуются две одноядерные клетки, каждая из которых содержит смешанный генетический материал. Впервые такой опыт осуществил в 1965 г. английский учёный Г. Харрис, соединив клетки человека и мыши. Впоследствии были получены целые организмы, представляющие собой межвидовые гибриды, полученные методом клеточной инженерии. Такие гибриды отличаются от гибридов, полученных половым путём, тем, что в них находится цитоплазма обоих родителей (вспомним, что при обычном оплодотворении цитоплазма сперматозоида в яйцеклетку не проникает). Слияние клеток используют для получения гибридов с полезными свойствами между отдалёнными видами, которые обычным путём не скрещиваются. Удаётся также получать клеточные гибриды растений, несущие цитоплазматические гены (т. е. гены, находящиеся в митохондриях и пластидах), которые увеличивают устойчивость к различным вредным воздействиям.
Ваша будущая профессия
1. Что является предметом изучения науки геронтологии? Оцените, насколько развита эта наука в нашей стране. Есть ли в вашем регионе специалисты в этой области?
2. Как вы думаете, какими личными качествами должны обладать люди, работающие в медико-генетических консультациях? Объясните свою точку зрения.
3. Что вы знаете о профессиях, связанных с материалом этой главы? Найдите в Интернете названия нескольких профессий и подготовьте небольшое (не более 7–10 предложений) сообщение о той профессии, которая вас наиболее впечатлила. Объясните свой выбор.
4. Используя дополнительные источники информации, выясните, что является предметом изучения эмбриолога. Где можно приобрести такую специальность?
5. Какими знаниями должны обладать специалисты, занимающиеся селекционной работой? Объясните свою точку зрения.
| <<< Назад
|
Вперед >>>
|
Вопрос 1. Что такое биотехнология?
Биотехнология — это использование ор-ганизмов, биологических систем или биологи-ческих процессов в промышленном производ-стве. К отраслям биотехнологии относятся генная, хромосомная и клеточная инженерия, клонирование сельскохозяйственных расте-ний и животных, использование микроорга-низмов в хлебопечении, виноделии, производ-стве лекарств и др.
Вопрос 2. Какие проблемы решает генная ин-женерия? С какими трудностями связаны исследования в этой области?
Методы генной инженерии позволяют ввес-ти в генотип одних организмов (например,бактерий) гены других организмов (напри-мер, человека). Генная инженерия позволила решить проблемы промышленного синтеза микроорганизмами различных человеческих гормонов, например инсулина и гормона рос-та. Путем создания генетически модифициро-ванных растений она обеспечила появление сортов, устойчивых к холодам, заболеваниям и вредителям. Основной трудностью для ген-ной инженерии является наблюдение и конт-роль за деятельностью привнесенной извне ДНК. Важно знать, способны ли трансгенные организмы выдерживать «нагрузку» чужерод-ных генов. Существует также опасность само-произвольного переноса (миграции) чужерод-ных генов в другие организмы, в результате чего они могут приобрести нежелательные для человека и природы свойства. Не на последнем месте стоит и этическая проблема: а имеем ли мы право переделывать живые организмы ра-ди собственного блага?
Вопрос 3. Как вы думаете, почему селекция микроорганизмов приобретает в настоящее время первостепенное значение?
Существует несколько причин повышения интереса к селекции микроорганизмов:
- легкость селекции (по сравнению с рас-тениями и животными), которая обусловлена большой скоростью размножения и простотой культивирования бактерий;
- огромный биохимический потенциал (разнообразие осуществляемых бактериями реакций — от синтеза антибиотиков и витами нов до выделения из руд редких химических элементов);
- простота генно-инженерных манипу-ляций; важно также то, что встроенный в ДНК бактерии ген автоматически начинает рабо-тать, поскольку (в отличие от эукариотических организмов) все гены прокариотов активны.
В результате на сегодняшний день сущест-вует огромное число примеров использования новых штаммов бактерий на практике: произ-водство продуктов питания, гормонов человека, переработка отходов, очистка сточных вод и др.
Вопрос 4. Приведите примеры промышленно-го получения и использования продуктов жизнеде-ятельности микроорганизмов.
С давних времен кисломолочные бактерии обеспечивают приготовление простокваши и сыра; бактерии, для которых характерно спиртовое брожение, — синтез этилового спир-та; дрожжи используют в хлебопечении и ви-ноделии.
С 1982 г. в промышленных масштабах по-лучают инсулин, синтезируемый кишечной палочкой. Это стало возможным после того, как при помощи методов генной инженерии ген инсулина человека был встроен в ДНК бак-терии. В настоящее время налажен синтез трансгенного гормона роста, который исполь-зуется для лечения карликовости у детей.
Микроорганизмы участвуют также в биотех-нологических процессах по очистке сточных мод, переработке отходов, удалению нефтяных разливов в водоемах, получению топлива.
Вопрос 5. Какие организмы называют транс-генными?
Трансгенными (генетически модифициро-ванными) называют организмы, содержащие искусственные дополнения в геноме. Приме-ром (помимо упомянутой выше кишечной па-лочки) могут служить растения, в ДНК кото-рых встроен фрагмент бактериальной хро-мосомы, ответственный за синтез токсина, отпугивающего вредных насекомых. В резуль-тате получены сорта кукурузы, риса, картофе-ля, устойчивые к вредителям и не требующие использования пестицидов. Интересен при-мер лосося, ДНК которого дополнили геном, активирующим выработку гормона роста. В результате лосось рос в несколько раз быст-рее, и вес рыб оказался гораздо больше нормы.
Вопрос 6. В чем преимущество клонирования по сравнению с традиционными методами селекции?
Клонирование направлено на получение точных копий организма с уже известными характеристиками. Оно позволяет добиваться лучших результатов в более короткие сроки, чем традиционные методы селекции. Материал с сайта
Клонирование дает возможность работать с отдельными клетками или небольшими заро-дышами. Например, при разведении крупного рогатого скота зародыш теленка на стадии не-дифференцированных клеток разделяют на фрагменты и помещают их в суррогатных матерей. В результате развиваются несколько идентичных телят с необходимыми признаками и свойствами.
При необходимости можно использовать и клонирование растений. В этом случае селек-ция происходит в клеточной культуре (на ис-кусственно культивируемых изолированных клетках). И лишь затем из клеток, обладаю-щих необходимыми свойствами, выращивают полноценные растения.
Наиболее известный пример клонирова-ния — пересадка ядра соматической клетки в развивающуюся яйцеклетку. Эта технология в будущем позволит создать генетического двойника любого организма (или, что более актуально, его тканей и органов).
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском
На этой странице материал по темам:
- презентация на тему биотехнология достижения и перспективы развития
- биотехнологии клонирование с видео
- как вы думаете почему селекция микроорганизмов приобретает в настоящее время
- в чем приимущество клонирования по сравнению с традиционными методами селекции?
- почему селекция микроорганизмов приобретает в наше время