Биотехнология: достижения и перспективы развития. «Новые Биотехнологии»: попробовать будущее на вкус

Биотехнология – новое бурно развивающееся направление биологии. Этапы развития биотехнологии. Основные направления в биотехнологии

1Биотехнология – новая отрасль науки и производства, основанная на использовании биологических процессов и объектов для производства экономически важных веществ и создания высокопродуктивных сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов. В буквальном смысле биотехнология – это «биология + технология», то есть применение фундаментальных биологических знаний в практической деятельности, направленной на производство лекарственных препаратов, ферментов, белков, красителей, ароматических веществ, витаминов и целого ряда биологически активных соединений. Кроме того, речь идет об использовании биотехнологических методов в селекции и конструировании принципиально новых организмов, ранее не существовавших в природе.

Биотехнология растений является самостоятельной дисциплиной, хотя по своим теоретическим и методологическим принципам может рассматриваться как часть общей биотехнологии. Специфика биотехнологии растений предопределена биологическими особенностями растений как особого царства живого мира.

В историческом аспекте человечество всегда использовало растения для получения жизненно важных продуктов. В этом смысле к биотехнологии можно отнести и традиционное растениеводство, и другие агротехнологии. Однако существуют принципиальные различия между биотехнологией и агротехнологией. Как известно, агротехнология имеет дело с целыми растениями и их популяциями, тогда как биотехнология основана на использовании культуры клеток и их популяций.

Следовательно, основным объектом биотехнологии растений являются отдельные клетки, органы, изолированные из целого растения и выращиваемые вне организма на искусственной питательной среде в асептических условиях.

Такие выращиваемые in vitro клетки, ткани, органы называются культурой клеток, тканей, органов – в зависимости от того, что изолируется из растения и культивируется. Однако все эти способы культивирования в последнее время стали называться одним термином «культура клеток растений», ибо в конечном счете культивируемой единицей является клетка.

Клеточные культуры с каждым годом находят все большее применение в самых разнообразных областях биологии, медицины и сельского хозяйства. Их используют при решении таких общебиологических проблем, как выяснение механизмов дифференцировки и пролиферации, взаимодействия клеток со средой, адаптации, старения, биологической подвижности, злокачественной трансформации и многих других. Важную роль клеточные культуры играют в биотехнологии при производстве вакцин и биологически активных веществ. Они являются исходным материалом для создания клеток-продуцентов, используются в целях повышения продуктивности сельскохозяйственных животных и для выведения новых сортов растений. Культуры клеток применяются для диагностики и лечения наследственных заболеваний, в качестве тест-объектов при испытании новых фармакологических веществ, а также для сохранения генофонда исчезающих видов животных и растений.

Биотехнология – это управляемое получение для народного хозяйства, а также для медицины целевых продуктов с помощью биологических агентов: микроорганизмов, вирусов клеток животных и растений, а также с помощью внеклеточных веществ и компонентов клетки. Биотехнология имеет глубокие исторические корни, а за последние 10-15 лет бурного развития оформилась как отдельная отрасль науки и производства.

Основными компонентами биотехнологического процесса являются: биологический агент, субстрат, целевой продукт, аппаратура и совокупность методов для управления процессом.

Биотехнологическая отрасль является одной из самых бурно развивающихся и является важным критерием для оценки уровня научно-исследовательского потенциала цивилизованной страны. Наглядное свидетельство того, что основой очередной волны экономического развития станут различные отрасли биотехнологии (сельскохозяйственная, пищевая, медицинская), - динамика курса акций соответствующих компаний. До недавнего времени биотехнологический бизнес мало выделялся из общей группы высоких технологий, однако нестабильность компьютерных магнатов и ряда крупных концернов торгующих природными ресурсами изменило мнение экономических аналитиков.

Котировка акций биотехнологических компаний оказались мене подвержены падению, так как продукция полученная на основе клеточных технологий нова и перспективна. Инвестиции в биосектор привели к беспрецендентному технологическому рывку. В Германии и Франции начаты крупномасштабные полевые испытания генетически модифицированных сортов кукурузы. Японские биотехнологии получили генетически модифицированную кукурузу, устойчивую к насекомым-вредителям. Некоторые компании находятся на грани создания революционных препаратов для различных видов рака, в первую очередь лейкемии. Три года назад одной американской компанией было вложено большое количество денег в биотехнологическую лабораторию в Калифорнии и теперь по данным представителей компании они близки к созданию средств извлечения ряда серьезных недугов, например, болезни Альцгеймера.

2Термин биотехнология произошел от греческих слов: «биос» и «техне». «Биос» – жизнь, «техне» - вить прясть, делать что-то своими руками. Значит, биотехнология – это производство с помощью живых существ, совокупность промышленных методов, использующих живые организмы и биологические процессы для производства различных продуктов.

Биотехнология - это интегрированное использование биохимии, микробиологии и инженерных наук с целью достижения промышленного применения способностей микроорганизмов, культур клеток тканей и их частей. Объекты биотехнологии – микробы (грибы, бактерии, вирусы, простейшие) или клетки других организмов (растения, животные), биологически активные вещества специального назначения (иммобилизованные ферменты, катализирующие синтез или распад).

Типичные методы биотехнологии - крупномасштабное глубинное культивирование биообъектов в периодическом или непрерывном режиме, выращивание клеток растительных и животных тканей в особых условиях.

3 Развитие биотехнологии в огромной степени определяется исследованиями в области микробиологии, биохимии, энзимологии и генетики организмов. Современная биотехнология как наука возникла в начале сороковых годов и получила ускоренное развитие с 1953 г., после эпохального открытия Джеймса Уотсона и Френсиса Крика о химической структуре и пространственой организации двойной спирали молекулы ДНК. Новое стратегическое ее направление – генетическая инженерия – родилось к 1972 г., когда в лаборатории Поля Берга впервые была синтезирована рекомбинантная молекула ДНК, что окончательно закрепило за биотехнологией и ее центральным звеном – биоинженерией (ядерной биологией) – важнейшее место в современной науке.

«Межпиковые» работы выдающихся биологов Г. Бойера, С. Коэна, Д. Морра, А.Баева, А.Белозерского, О. Эйвери, Г. Гамова, Ф. Жакоба, Ж.Моно и др. дополнили последовательный ряд важнейших открытий по идентификации генов и ферментов, выделению молекул ДНК из растительных, микробных и животных клеток, расшифровке генетического кода, а также механизмов экспрессии генов и биосинтеза белка у прокариот и эукариот.

В 50-е годы в биотехнологии возникает еще одно важное направление – клеточная инженерия. Основателями его являются П.Ф.Уайт (США) и Р. Готре (Франция). В последующие годы в институте физиологии растений СССР, а затем Российской Академии наук под руководством А.А.Курсанова, Р.Г. Бутенко были развернуты исследования в этой области с привлечением многих молодых ученых страны.

Генетическая и клеточная инженерия определили главные направления современной биотехнологии, методы которой получили широкое развитие в 80-е годы и используются во многих областях науки и производства в нашей стране и за рубежом.

Биотехнология как наука может рассматриваться в двух временных и сущностных измерениях: современном и традиционном, классическом.

Новейшая биотехнология (биоинженерия) – это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных (модифицированных) растений, животных и микроорганизмов в целях интенсификации производства и получения новых видов продуктов различного назначения.

В традиционном, классическом смысле биотехнологию можно определить как науку о методах и технологиях производства, транспортировки, хранения и переработки сельскохозяйственной и другой продукции с использованием обычных, нетрансгенных (природных и селекционных) растений, животных и микроорганизмов, в естественных и искусственных условиях.

Высшим достижением новейшей биотехнологии является генетическая трансформация, перенос чужеродных (природных или искусственно созданных) донорских генов в клетки-реципиенты растений, животных и микроорганизмов, получение трансгенных организмов с новыми или усиленными свойствами и признаками. По своим целям и возможностям в перспективе это направление является стратегическим. Оно позволяет решать принципиально новые задачи по созданию растений, животных и микроорганизмов с повышенной устойчивостью к стрессовым факторам среды, высокой продуктивностью и качеством продукции, по оздоровлению экологической обстановки в природе и всех отраслях производства.

Для достижения этих целей предстоит преодолеть определенные трудности в повышении эффективности генетической трансформации и, прежде всего, в идентификации и клонировании генов, создании их банков, расшифровке механизмов полигенной детерминации признаков и свойств биологических объектов, создании надежных векторных систем и обеспечении высокой устойчивости экспрессии генов. Уже сегодня во многих лабораториях мира с помощью методов генетической инженерии созданы принципиально новые трансгенные растения, животные и микроорганизмы, используемые в коммерческих целях.

Посетители конференции Startup Village, прошедшей на минувшей неделе в Сколково, имели уникальную возможность заглянуть в то недалекое будущее, когда человечество, вынужденное пересмотреть рацион питания, начнет получать значительную долю белков за счет насекомых

На одном из стендов на выставке стартапов расположились производители кормового протеина из личинок мух, представляющие липецкую компанию «Новые Биотехнологии». Пока корм предназначен для животных, но в будущем блюда из насекомых, как следует из многочисленных прогнозов, перестанут быть экзотикой и в человеческом меню. Попробовать продукт с исключительными питательными свойствами на Startup Village отважились пятеро смельчаков. Корреспондент сайт не рискнул последовать их примеру, но зато подробно расспросил дегустаторов, каков он, вкус еды будущего, а заодно узнал, что окруженные теплом и заботой селекционеров мухи из Липецка становятся гораздо плодовитее своих сородичей.

Алексей Истомин с продукцией "Новых Биотехнологий" на Startup Village. Фото: сайт

«Новые Биотехнологии» специализируются на производстве высокобелкового корма из высушенных и измельченных личинок зеленых мясных мух по аналогии с тем механизмом, над выработкой которого природа трудилась миллионы лет. «Животные, рыбы, птицы размножаются, питаются, оставляют после себя навоз и помет, умирают, а природа все это неустанно перерабатывает.. - Мухи откладывают на отходах яйца, из них появляются личинки, которые выделяют ферменты, ускоряющие процесс разложения и минерализации отходов. При этом личинки сами становятся кормом для животных, рыб и птиц. А оставшийся субстрат под воздействием дождей и солнца в виде органического удобрения попадает в почву и способствует бурному росту фитомассы, которая также является кормом для всего живого. Иными словами, происходит рециркуляция питательных веществ, причем безо всяких пестицидов и ядов. Только органика».

Этот природный процесс и заимствовали в компании «Новые Биотехнологии». Получившаяся в результате применения технологии биомасса, личинки мух, обладают высоким содержанием питательных веществ. На 50-70% биомасса состоит из сырого протеина, 20-30% приходятся на сырой жир, 5-7% - это сырая клетчатка.

При описании положительного эффекта применения кормового белка (коммерческое название - «Зоопротеин») в разных отраслях сельского хозяйства Алексей Истомин был весьма убедителен. «В свиноводстве применение в микродозах белково-липидного концентрата в качестве добавки в рацион поросят, свиней, хряков позволяет повысить усвояемость пищи и естественную резистентность организма болезням и вирусам, увеличить привес, активность и приплод, - перечисляет преимущества корма из личинок мух г-н Истомин. - Это происходит за счет содержания в «Зоопротеине» большого количества ферментов, хитина, меланина, иммуномодуляторов. В птицеводстве включение нашего кормового белка в состав рациона для цыплят-бройлеров, индеек, уток и другой птицы позволяет повысить ежедневный привес и снизить кормовой коэффициент. У кур-несушек наблюдается повышение яйценоскости, возрастает резистентность организма к болезням и вирусам, снижается смертность». В звероводстве добавление «Зоопротеина» в корм норок, песцов, лисиц приводит к улучшению качества меха и снижению процента брака. Животные имеют большую длину тела и обхват груди, следовательно, из них можно получить большее количество шкурок.

Слева направо: готовый корм, высушенные и живые личинки. Фото: сайт

Появление корма из мух обрадует и владельцев домашних питомцев. По словам Алексея Истомина, «у кошек и собак легче проходит течка и линька, повышается мышечный тонус и активность, шерсть становится более плотной; животные меньше болеют». Здоровее при добавлении белка из личинок мух в корм становятся и домашние птицы, их окрас становится ярче. Мальки аквариумных рыбок развиваются в два раза быстрее, причем выживаемость мальков приближается к 100%.

Чудодейственная технология возникла не на пустом месте - ее теоретические основы были заложены еще полвека назад во Всесоюзном научно-исследовательском институте животноводства, а также в Новосибирском государственном сельскохозяйственном институте. Там в лабораторных условиях всесторонне изучали кормовые добавки из личинок мух. Сейчас работы в этом направлении продолжаются Новосибирском государственном аграрном университете, ВНИИЖ им. Л.К. Эрнста, Институте проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова. По словам Алексея Истомина, эффективность использования белкового корма, полученного в результате переработки отходов личинками мух, по сравнению с другими животными белками (рыбная и мясо-костная мука) подтверждена исследованиями, проведенными во Всероссийском научно-исследовательском институте животноводства и Всероссийском научно-исследовательском и технологическом институт птицеводства. Примечательно, что со временем актуальность этой технологии лишь растет, ведь мир столкнулся с острым дефицитом белков животного происхождения.

«То, что нам мешает, плохо пахнет и требует больших затрат, может помочь и работать на благо отечественного сельского хозяйства, принося дополнительную прибыль и снижая нагрузку на окружающую среду»

В компании «Новые Биотехнологии» его оценивают в 25 млн тонн; в России аналогичный показатель - 1 млн тонн. С 1961 года население Земли выросло более чем в два раза, а мировое потребление мяса - в 4 раза. По прогнозам, до 2030 года глобальное потребление животного белка увеличится на 50%. Пока в сельском хозяйстве его основными источниками являются рыба (рыбная мука) и мясо-костная мука. «Самая качественная рыбная мука производится в Марокко, Мавритании и Чили, и ее стоимость увеличивается пропорционально издержкам на логистику. Цена рыбной муки за последние 15 лет выросла в 8 раз, - делится статистикой Алексей Истомин. - Многие производители сельскохозяйственной продукции отказываются от качественной импортной рыбной муки в пользу более дешевых и менее качественных аналогов, а также переходят на мясо-костную муку или растительные белки, в частности, сою. Использование растительных белков не позволяет достичь желаемого результата - такой протеин требует большого количества земельных ресурсов и не может в полной мере заменить животный белок по составу».

Проект "Новых Биотехнологий" вызвал интерес у вице-премьера Аркадия Дворковича и губернатора Ростовской области Василия Голубева. Фото: сайт

Кроме экономических, есть и экологические предпосылки смены кормовой парадигмы. Так, для изготовления 1 тонны муки требуется выловить 5 тонн промысловой рыбы. Учитывая, что потребность в животных белках велика, вылов рыбы достиг значительных показателей (170 млн тонн в 2015-м году). Экосистема не успевает воспроизвести рыбные запасы в морях. При изготовлении одной тонны рыбной муки в атмосферу выделяется почти 11 тонн углекислого газа. Дополнительные расходы на экологию в этом случае оценивается в 3,5 тысячи долларов. При производстве одной тонны муки из личинок мух в атмосферу попадает в 5 раз меньше СО2. То есть каждая произведенная тонна белка из личинок мух сохраняет 5 тонн рыбы в море.

«Вкус необычный, не похож ни на что. Зато этот белок укрепляет иммунитет и способствует росту мышечной массы»

Задумавшись об альтернативных источниках животного белка, исследователи обратили внимание на насекомых. На планете - более 90 тысяч видов мух, и каждый из них питается определенными отходами: растительными, навозом/пометом, пищевые отходы и т.д. «То, что нам мешает, плохо пахнет и требует больших затрат, - экологических, финансовых, энергетических - может помочь и работать на благо отечественного сельского хозяйства, принося дополнительную прибыль и снижая нагрузку на окружающую среду», - говорит Алексей Истомин. По крайне мере, опытное производство компании «Новые Биотехнологии» в Липецке доказывает перспективность использования технологии в промышленных условиях.

Фарш из Люси

Известные многим металлически-зелёные яркие мухи Lucilia caesar (в компании этот вид насекомым ласково именуют Люсей) на производстве в Липецке содержатся в специальных инсектариях. Там живет несколько десятков миллионов мух. Это во многом уникальные насекомые. Чтобы улучшить их репродукционные способности, ученые более двух лет вели кропотливую селекционную работу, по определенной методике скрещивая насекомых. Если в природе одна муха делает кладку в 60 яиц, то у липецких насекомых кладка (и, следовательно, количество личинок и получившегося из них корма) - в среднем в три раза больше. Никаких генетических манипуляций над мухами специалисты «Новых Биотехнологий» не производят, речь идет о «традиционной» селекции, уверяет г-н Истомин.Показывая на затянутую мелкой сеткой клетку-садок с роящимися насекомыми на стенде, он продолжает: «Еще вчера здесь было всего 6 мух; всего за сутки их количество достигло несколько сотен. Это стало возможным благодаря правильному подбору цикла развития кукол, называемых еще пупариями. Мы подгадали цикл таким образом, чтобы сегодня их стало намного больше. Завтра их количество еще подрастет». Отчасти этот процесс сдерживался не слишком подходящей погодой: оптимальная температура для превращения куколки в муху - около 30-ти градусов. Несмотря на то, что на Startup Village по ночам насекомых заносили в помещение, температура там была ниже.

На производстве в Липецке мухам - полное раздолье. Фото: "Новые Биотехнологии".

На производстве в Липецке мухам - полное раздолье, там их оберегают и от неблагоприятных условий, и от стресса. Мухи содержатся в специальных клетках-садках, в которых есть вода, сахар, сухое молоко и боксы с мясным фаршем, где мухи делают кладки яиц. Кладки вынимают ежесуточно. Контроль качества и чистоты популяции осуществляет главный технолог. Для этого отбирают личинки, которые в специальных условиях окукливаются и в виде куколок хранятся в холодильной камере. При необходимости куколки помещают в клетки инсектария, и через некоторое время из них появляются мухи.

Как только из яиц появились личинки, их перемещают в выростной цех. В специальных лотках на подстилке из опилок размещают кормовой субстрат и кладки яиц. Личинки очень прожорливы и быстро растут, увеличиваясь в размере до 350 раз за сутки. Период откармливания и активного роста составляет 3-4 суток. Затем выросшие личинки оказываются на выгонке. Так называют процесс отделения личинок от органического субстрата. После биомассу высушивают и отправляют на хранение.

Мухи растут на мясе с птицефабрики, которая находится недалеко от опытного производства компании «Новые биотехнологии». Личинки, выращенные на мясе птицы, обладают более высокими показателями содержания питательных веществ, чем те, которые культивировались на навозе и помёте. При этом запасов мяса должно быть много - чтобы произвести 1 кг «Зоопротеина», необходимо вырастить 3,5 кг живых личинок, для чего требуется 10 кг мясных отходов.

С 1961 года население Земли выросло более чем в два раза, а мировое потребление мяса - в 4 раза. По прогнозам, до 2030 года глобальное потребление животного белка увеличится на 50%

«Среднестатистический падеж на птицефабриках составляет 5% от общего поголовья. Такой вид отходов доставляет большое количество хлопот птицеводческим хозяйствам. Это и экологические вопросы (надо утилизировать), и финансовые (за утилизацию надо платить), и организационные (собирать, хранить, доставлять, учитывать). Поэтому применение нашего метода наиболее эффективно непосредственно на птицефабрике, что позволяет делать производство птицы безотходным, - пояснил Алексей Истомин. - В целом, рост объемов сельскохозяйственного производства неминуемо влечёт за собой увеличение негативного влияния на окружающую среду. По данным Минсельхоза, в России общая площадь земель, загрязненных сельскохозяйственными отходами, превышает 2,4 млн гектаров. В 2015-м году суммарное количество таких отходов превысило 380 млн тонн. В стране практически отсутствует культура переработки отходов сельского хозяйства. Счет таким производствам идет на единицы».

Опытное производство в Липецке. Фото: "Новые Биотехнологии"

Сложность промышленного внедрения технологии обусловлена, прежде всего, административными и экологическими факторами. «За границей, в частности, в Китае и Индонезии используется бассейновый («открытый») метод, поясняет Истомин. - Он неприемлем в наших условиях, поскольку личинки в процессе жизнедеятельности вырабатывают большое количество аммиака. В нашем проекте предложен «закрытый» метод с использованием выростных шкафов для мух, оборудованных локальной вытяжной вентиляцией, микробиологическим фильтром для очистки воздуха, особыми системами приготовления сырья, инфракрасной сушки. Все это позволяет максимально выполнить требования, предъявляемые к экологической безопасности».

Личинки очень прожорливы и быстро растут, увеличиваясь в размере до 350 раз за сутки. Фото: "Новые Биотехнологии"

Сейчас компания «Новые Биотехнологии» находится в процессе получения статуса резидента «Сколково». Команда рассчитывает на помощь Фонда главным образом в сертификации продукции. В России отсутствует нормативная база, связанная с регламентацией использования технологии переработки отходов личинками мух, поэтому, рассказывает Алексей Истомин, «приходится изощряться». При этом контролирующие инстанции констатируют безопасность продукции: «Липецкая облветлаборатория» производит исследования живой биомассы на наличие сальмонелл, генома возбудителей орнитоза и гриппа у птиц, яиц и личинок гельминтов. У высушенной биомассы личинок мух определяется массовая доля сырого протеина, массовая доля сырого жира, влажность и токсичность. «Тульская межобластная ветеринарная лаборатория» проводит исследования органического удобрения зоогумуса на наличие патогенной флоры. Результаты каждого исследования оформлены протоколом».

Собеседник сайт убежден: в обозримом будущем со вкусом белка из насекомых познакомятся на только животные, но и люди. Эту точку зрения разделяет все больше специалистов. Так, три года назад Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН выпустила исследование, в котором говорилось, что в рационе 2 миллиардов человек в той или иной степени насекомые присутствуют уже сейчас. Чтобы справиться с голодом и загрязнением окружающей среды, человечеству следует есть больше насекомых, призвали составители отчета.

Тем более что, как свидетельствует личный опыт Алексея Истомина, это не так страшно. Вот уже несколько месяцев он добавляет столовую ложку белка из насекомых в утренний шейк из молока, банана и прочих традиционных ингредиентов. «Вкус необычный, не похож ни на что. Зато укрепляет иммунитет и способствует росту мышечной массы», - рассказывает Алексей.

Baklanov Mikhail and 8 others like this" data-format="people who like this" data-configuration="Format=%3Ca%20class%3D%27who-likes%27%3Epeople%20who%20like%20this%3C%2Fa%3E" >

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

Биотехноло́гия - дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии.

Биотехнологией часто называют применение генной инженерии в XX-XXI веках, но термин относится и к более широкому комплексу процессов модификации биологических организмов для обеспечения потребностей человека, начиная с модификации растений и одомашненных животных путем искусственного отбора и гибридизации. С помощью современных методов традиционные биотехнологические производства получили возможность улучшить качество пищевых продуктов и увеличить продуктивность живых организмов.

Биотехнология основана на генетике, молекулярной биологии, биохимии, эмбриологии и клеточной биологии, а также прикладных дисциплинах - химической и информационной технологиях и робототехнике.

История биотехнологии.

Корни биотехнологии уходят в далёкое прошлое и связаны с хлебопечением, виноделием и другими способами приготовления пищи, известными человеку еще в древности. Например, такой биотехнологический процесс, как брожение с участием микроорганизмов, был известен и широко применялся еще в древнем Вавилоне, о чем свидетельствует описание приготовления пива, дошедшее до нас виде записи на дощечке, обнаруженной в 1981 г. при раскопках Вавилона. Наукой биотехнология стала благодаря исследованиям и работам французского ученого, основоположника современной микробиологии и иммунологии Луи Пастера (1822-1895). Впервые термин «биотехнология» применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году.

В ХХ веке происходило бурное развитие молекулярной биологии и генетики с применением достижений химии и физики. Важнейшим направлением исследований явилась разработка методов культивирования клеток растений и животных. И если еще совсем недавно для промышленных целей выращивали только бактерии и грибы, то сейчас появилась возможность не только выращивать любые клетки для производства биомассы, но и управлять их развитием, особенно у растений. Таким образом, новые научно-технологические подходы воплотились в разработку биотехнологических методов, позволяющих манипулировать непосредственно генами, создавать новые продукты, организмы и изменять свойства уже существующих. Главная цель применения этих методов – более полное использование потенциала живых организмов в интересах хозяйственной деятельности человека.
В 70-е годы появились и активно развивались такие важнейшие области биотехнологии, как генетическая (или генная) и клеточная инженерия, положившие начало «новой» биотехнологии, в отличие от «старой» биотехнологии, основанной на традиционных микробиологических процессах. Так, обычное производство спирта в процессе брожения – это “старая” биотехнология, но использование в этом процессе дрожжей, улучшенных методами генной инженерии с целью увеличения выхода спирта, – “новая” биотехнология.

Так, в 1814 году петербургский академик К. С. Кирхгоф (биография) 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 наладить производство антибиотиков, пищевых концентратов, полученных из дрожжей, осуществить контроль ферментации продуктов растительного и животного происхождения.

Первый антибиотик - пенициллин - удалось выделить и очистить до приемлемого уровня в 1940 году, что дало новые задачи: поиск и налаживание промышленного производства лекарственных веществ, продуцируемых микроорганизмами, работа над удешевлением и повышением уровня биобезопасности новых лекарственных препаратов.

Помимо широкого применения в сельском хозяйстве, на основе генной инженерии возникла целая отрасль фармацевтической промышленности, называемая “индустрией ДНК” и представляющая собой одну из современных ветвей биотехнологии. Более четверти всех лекарств, используемых сейчас в мире, содержат ингредиенты из растений. Генно-модифицированные растения являются дешевым и безопасным источником для получения полностью функциональных лекарственных белков (антител, вакцин, ферментов и др.) как для человека, так и для животных. Примерами применения генной инженерии в медицине являются также производство человеческого инсулина путем использования генно-модифицированных бактерий, производство эритропоэтина (гормона, стимулирующего образование эритроцитов в костном мозге. Физиологическая роль данного гормона состоит в регуляции продукции эритроцитов в зависимости от потребности организма в кислороде) в культуре клеток (т.е. вне организма человека) или новых пород экспериментальных мышей для научных исследований.

В XX веке в большинстве стран мира основные усилия медицины были направлены на борьбу с инфекционными заболеваниями, снижение младенческой смертности и увеличение средней продолжительности жизни. Страны с более развитой системой здравоохранения настолько преуспели на этом пути, что сочли возможным сместить акцент на лечение хронических заболеваний, болезней сердечно-сосудистой системы и онкологических заболеваний, поскольку именно эти группы болезней давали наибольший процент прироста смертности.

В настоящее время уже появились практические возможности значительно снизить или скорректировать негативное воздействие наследственных факторов. Медицинская генетика объяснила, что причиной многих генных мутаций является взаимодействие с неблагоприятными условиями среды, а, следовательно, решая экологические проблемы можно добиться снижения заболеваемости раком, аллергией, сердечно-сосудистыми заболеваниями, сахарным диабетом, психическими болезнями и даже некоторыми инфекционными заболеваниями. Вместе с тем, ученым удалось выявить гены, ответственные за проявление различных патологий и способствующие увеличению продолжительности жизни. При использовании методов медицинской генетики хорошие результаты получены при лечении 15% болезней, в отношении почти 50% заболеваний наблюдается существенное улучшение.

Таким образом, значительные достижения генетики позволили не только выйти на молекулярный уровень изучения генетических структур организма, но и вскрыть сущность многих серьезных болезней человека, вплотную подойти к генной терапии.

Клонирование – это один из методов, применяемых в биотехнологии для получения идентичных потомков при помощи бесполого размножения. Иначе клонирование можно определить как процесс изготовления генетически идентичных копий отдельной клетки или организма. То есть полученные в результате клонирования организмы похожи не только внешне, но и генетическая информация, заложенная в них, абсолютно одинакова.

Первым искусственно клонированным многоклеточным организмом стала в 1997 г. овца Долли. В 2007 году одного из создателей клонированной овцы Елизавета II наградила за это научное достижение рыцарским званием.

Достижения биотехнологии.

Уже получены трансгенные мыши, кролики, свиньи, овцы, в геноме которых работают чужеродные гены различного происхождения, в том числе гены бактерий, дрожжей, млекопитающих, человека, а также трансгенные растения с генами других, неродственных видов. Например, в последние годы получено новое поколение трансгенных растений, для которых характерны такие ценные признаки, как устойчивость к гербицидам, к насекомым и др.

На сегодняшний день методы генной инженерии позволили осуществить синтез в промышленных количествах таких гормонов, как инсулин, интерферон и соматотропин (гормон роста), которые необходимы для лечения ряда генетических болезней человека - сахарного диабета, некоторых видов злокачественных образований, карликовости,

С помощью генетических методов были получены также штаммы микроогранизмов (Ashbya gossypii, Pseudomonas denitrificans и др.), которые производят в десятки тысяч раз больше витаминов (С, В 3 , В 13 , и др.), чем исходные формы.

Очень важное направление клеточной инженерии связано с ранними стадиями эмбриогенеза. Например, оплодотворение яйцеклеток в пробирке уже сейчас позволяет преодолевать некоторые распространенные формы бесплодия у человека.

Культуру растительных клеток выгодно использовать для быстрого размножения медленно растущих растений - женьшеня, маслинной пальмы, малины, персиков и др.

Уже многие годы для решения проблемы загрязнения окружающей среды используются биологические методы, разработанные биотехнологами. Так, 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.

Список литературы.

1) Н.А. Лемеза, Л.В.Камлюк Н.Д. Лисов “Пособие по биологии для поступающих в ВУЗы”

Несмотря на то что в настоящее время препараты и продукты, получаемые в процессах промышленной («белой») биотехнологии, главенствуют на рынке биотехнологических продуктов, наиболее впечатляющие успехи и прорывы в этой области связаны с использованием достижений клеточной и генетической инженерии.

Геномика - это направление биотехнологии, занимающееся изучением геномов и ролей, которые играют различные гены, индивидуально и в комплексе, в определении структуры, направлении роста и развития и регуляции биологических функций. Различают структурную и функциональную геномику.

Предмет структурной геномики - создание и сравнение различных типов геномных карт и крупномасштабное секвенирование ДНК. Проект по изучению человеческого генома (Human Genome Project) и менее известная Программа по изучению растительных геномов (Plant Genome Research Program) являются самыми масштабными исследованиями структурной геномики. В задачи структурной геномики входят также идентификация, локализация и составление характеристик генов.

В результате осуществления частных и государственных проектов по структурной геномике созданы карты геномов и расшифрованы последовательности ДНК большого количества организмов, в том числе сельскохозяйственных растений, болезнетворных бактерий и вирусов, дрожжей, необходимых для приготовления некоторых продуктов питания и производства пива, азотфиксирующих бактерий, малярийного плазмодия и переносящих его комаров, а также микроорганизмов, используемых человеком в самых разнообразных промышленных процессах. В 2003 г. завершен Проект по изучению генома человека.

Предмет и область функциональной геномики - секвенирование геномов, идентификация и картирование генов, выявление функций генов и механизмов регуляции. Для понимания различий между видами основную роль играет не знание количества генов, а понимание того, как они различаются по составу и функциям, знание химических и структурных различий в генах, которые и лежат в основе различий организмов. Эволюционный анализ постепенно становится главным приемом выяснения функций и взаимодействий генов в пределах генома.

Благодаря тому, что генетический код универсален и все живые организмы способны расшифровывать генетическую информацию других организмов и осуществлять заложенные в ней биологические функции, любой ген, идентифицированный в ходе того или иного геномного проекта, может быть использован в широком спектре практических приложений:
- для целенаправленного изменения свойств растений и придания им желаемых признаков;
- выделения специфических рекомбинантных молекул или микроорганизмов;
- идентификации генов, участвующих в осуществлении сложных процессов, контролируемых множеством генов, а также зависящих от влияния окружающей среды;
- обнаружения микробных заражений клеточных культур и др.

Протеомика - это наука, занимающаяся изучением структуры, функций, локализации и взаимодействия белков внутри клетки и между клетками. Набор белков клетки называется ее протеомом. По сравнению с геномикой, протеомика ставит перед исследователями гораздо более многочисленные и трудные задачи. Структура белковых молекул гораздо сложнее, чем структура молекул ДНК, которые представляют собой линейные молекулы, состоящие из четырех нерегулярно повторяющихся элементов (нуклеотидов).

Форма, которую принимает белковая молекула, зависит от последовательности аминокислот, однако все механизмы скручивания и складывания аминокислотной цепочки до конца не изучены. Задачей исследователей, работавших над программой Human Genome Project, была разработка методов, которые позволили бы добиться поставленных целей.

Ученые, занимающиеся протеомикой, и сейчас находятся в подобном положении: им необходимо разработать достаточное количество методов и приемов, которые могли бы обеспечить эффективную работу над огромным количеством вопросов:
- каталогизацию всех белков, синтезируемых различными типами клеток;
- выяснение характера влияния возраста, условий окружающей среды и заболеваний на синтезируемые клеткой протеины;
- выяснение функций идентифицированных белков;
- изучение взаимодействий различных белков с другими белками внутри клетки и во внеклеточном пространстве.

Потенциал белковой инженерии позволяет улучшать свойства используемых в биотехнологии белков (ферментов, антител, клеточных рецепторов) и создавать принципиально новые протеины, пригодные в качестве лекарственных препаратов, для обработки и улучшения питательных и вкусовых качеств пищевых продуктов. Наиболее значительны успехи белковой инженерии в биокатализе. Разработаны новые типы катализаторов, в том числе с применением техники иммобилизации ферментов, способные функционировать в неводной среде, при значительных сдвигах рН и температуры среды, а также растворимые в воде и катализирующие биологические реакции при нейтральном рН и при сравнительно низких температурах.

Технологии белковой инженерии позволяют получать новые типы белков биомедицинского назначения, например способных связываться с вирусами и мутантными онкогенами и обезвреживать их; создавать высокоэффективные вакцины и белки-рецепторы клеточной поверхности, выполняющие функцию мишени для фармацевтических препаратов, а также связывания вещества, и биологические агенты, которые могут быть использованы для химических и биологических атак. Так, ферменты гидролазы способны обезвреживать как нервно-паралитические газы, так и используемые в сельском хозяйстве пестициды, а их производство, хранение и применение не опасно для окружающей среды и здоровья людей.

Новейшие биотехнологические методы позволяют диагностировать многие заболевания и патологические состояния экспрессно и с высокой точностью. Так, для постановки стандартного теста определения присутствия в крови липопротеидов низкой плотности («плохого» холестерина) требуется провести три отдельных дорогостоящих анализа: выявление содержания общего холестерина, триглицеридов и липопротеидов высокой плотности. Кроме этого, в течение 12 ч до проведения теста пациенту рекомендуется воздержаться от приема пищи.

Новый биотехнологический тест состоит из одного этапа и не требует предварительного голодания. Эти тесты, помимо быстродействия, существенно снижают стоимость диагностики. К настоящему моменту разработаны и применяются биотехнологические тесты для диагностики некоторых видов опухолевых процессов, требующих для реализации небольшое количество крови, что исключает тотальную биопсию на начальных стадиях диагностики.

Кроме снижения стоимости, повышения точности и скорости диагностики, биотехнология позволяет диагностировать заболевания на гораздо более ранних этапах, чем это было возможно ранее. Это, в свою очередь, обеспечивает гораздо более высокие шансы пациентов на излечение. Новейшие биотехнологические методы протеомики дают возможность идентифицировать молекулярные маркеры, сигнализирующие о приближающейся болезни, еще до появления регистрируемых клеточных изменений и симптомов заболевания.

Огромное количество информации, ставшее доступным в результате успешного завершения проекта «Геном человека», должно сыграть особую роль в разработке методов диагностики наследственных заболеваний, таких как диабет I типа, муковисцидоз, болезни Альцгеймера и Паркинсона. Ранее заболевания этого класса диагностировали только после появления клинических симптомов; новейшие методы позволяют до появления клинических признаков определить группы риска, предрасположенные к заболеваниям такого рода.

Разработанные с помощью биотехнологии диагностические тесты не только повышают уровень диагностики заболеваний, но и улучшают качество медицинского обслуживания. Большинство из биотехнологических тестов портативны, что позволяет врачам проводить тестирование, интерпретировать результаты и назначать соответствующее лечение буквально у постели больного. Биотехнологические методы выявления патогенов важны не только для диагностики заболеваний.

Один из самых наглядных примеров их использования - скрининг донорской крови на наличие ВИЧ-инфекции и вирусов гепатита В и С. Возможно, со временем биотехнологические подходы дадут возможность врачам определять характер инфекционного агента и в каждом конкретном случае подбирать наиболее эффективные антибактериальные препараты не за неделю, как это делается современными методами, а за считанные часы.

Внедрение биотехнологических подходов со временем позволит врачам не только улучшить существующие методы терапии, но и разработать принципиально новые, полностью основанные на новых технологиях. На настоящий момент целый ряд биотехнологических методов лечения одобрен Управлением США по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA). В список заболеваний, подлежащих таким методам терапии, входят: анемия, муковисцидоз, задержка роста, ревматоидный артрит, гемофилия, гепатит, остроконечные кондиломы, отторжение трансплантата, а также лейкемия и ряд других злокачественных заболеваний.

Использование биотехнологических методов позволяет создавать так называемые «съедобные вакцины», синтезируемые генетически модифицированными растениями и животными. Так, созданы генетически модифицированные козы, молоко которых содержит вакцину от малярии. Получены обнадеживающие результаты в клинических испытаниях бананов, содержащих вакцину от гепатита, и картофеля, содержащего вакцины против холеры и патогенных штаммов кишечной палочки. Такие вакцины (например, в виде сублимированного порошка для изготовления напитков), не требующие замораживания, стерилизации оборудования или закупки одноразовых шприцов, особенно перспективны для применения в развивающихся странах.

В процессе разработки также находятся вакцины-пластыри против столбняка, сибирской язвы, гриппа и кишечной палочки. Уже получены трансгенные растения, синтезирующие терапевтические белки (антитела, антигены, факторы роста, гормоны, ферменты, белки крови и коллаген). Эти белки, производимые с помощью различных сортов растений, в том числе люцерны, кукурузы, ряски, картофеля, риса, подсолнечника, сои и табака, являются основными компонентами инновационных методов терапии ряда онкологических заболеваний, СПИДа, болезней сердца и почек, диабета, болезни Альцгеймера, болезни Крона, муковисцидоза, рассеянного склероз, повреждения спинного мозга, гепатита С, хронических обструктивных заболеваний легких, ожирения, онкологических заболеваний и др.

Клеточные технологии находят все более широкое применение для селекции, размножения и повышения продуктивности полезных растений, а также получения биологически активных веществ и лекарственных препаратов.

Н.А. Воинов, Т.Г. Волова