Роль биотехнологии в современном мире. История развития, достижения в биотехнологиях

Современные достижения биотехнологий

Выполнил:

Проверил:

2011г.

Биотехнология – это область человеческой деятельности, которая характеризуется широким использованием биологических систем всех уровней в самых разнообразных отраслях науки, промышленного производства, медицины, сельского хозяйства и других сферах.

Революционизирующим этапом в развитии биотехнологии стало использование генных и клеточных биотехнологий, которые бурно развивались в последние десятилетия и уже существенно повлияли на разные аспекты жизни человека: здоровье, медицину, питание, демографию, экологию.

Первыми продуктами генных биотехнологий стали биологически активные белки, широко используемые сегодня в медицине в качестве лекарственных средств. Раньше с помощью традиционной биотехнологии различные биологические соединения получали путём переработки больших количеств микробного, животного или растительного материала, используя природную способность организмов синтезировать эти соединения. Так, для лечения диабета ранее использовали инсулин, который выделяли из поджелудочных желез свиней. Такой инсулин был дорогим и, кроме того, малоэффективным. Ситуация сильно изменилась с момента получения в 1982 году в США первого генно- инженерного инсулина человека, синтезируемого клетками кишечной палочки.

В настоящее время в практической медицине используются многие биофармацевтические препараты, полученные с помощью генно-клеточной биотехнологии. Наряду с инсулином уже производят разные интерфероны, интерлейкины, лекарства от гемофилии, противораковые и обезболивающие средства, незаменимые аминокислоты, гормон роста, моноклональные антитела и многое другое. И этот список ежегодно пополняется десятками наименований. В лабораториях и клиниках всего мира постоянно идет интенсивный поиск и испытание новых препаратов, в том числе от таких опаснейших болезней, как сердечные заболевания, различные формы рака, СПИД и разнообразные вирусные инфекции. По оценкам специалистов, сегодня с помощью генных биотехнологий выпускается около 25% всех лекарственных средств в мире.

Важным этапом развития современной генно-клеточной биотехнологии стало разработка методов получения трансгенных животных и растений (их также называют генетически модифицированными организмами, сокращенно ГМО). Трансгенный организм – это организм во всех отношениях подобный нетрансгенному, обычному, но содержащий во всех клетках среди десятков тысяч своих собственных генов 1 (редко 2) дополнительный ген (его называют трансген), несвойственный ему в природе.

Технология создания трансгенных растений привела к революции в области растениеводства. Она позволила получать растения, устойчивые к ряду высоко патогенных вирусов, грибковым и бактериальным инфекциям, насекомым-вредителям, созданию растений с высоким содержанием витамина А, устойчивых к холоду, засоленности почв, засухе, растений с улучшенным содержанием и составом белков и т.д. Так, вмешиваясь в генетические программы растений, можно придавать им функции устойчивости к различным неблагоприятным стрессовым факторам окружающей среды. Использование ГМО существенно повысило эффективность сельского хозяйства, и потому эта технология оказалась востребованной рынком, где другие возможности повышения продуктивности (удобрения, ядохимикаты и т. п.) во многом уже исчерпали себя.

В 1994 г. после тщательных всесторонних полевых испытаний в США была разрешена коммерческая продажа первого трансгенного пищевого растения – помидора с уникальным свойством: он может месяцами лежать в недоспелом виде при температуре 12 °С, но как только попадет в тепло, он дозревает буквально за несколько часов. С тех пор на рынок было выпущено много других трансгенных растений; уже удалось получить множество различных форм сои, картофеля, томатов, табака, рапса, устойчивых к разнообразным сельскохозяйственным вредителям. Например, получен трансгенный картофель недоступный для пожирания колорадским жуком. В этом картофеле происходит синтез одного из белков почвенных бактерий, который токсичен для жука, но совершенно безвреден для человека. Имеются трансгенные растения, способные самостоятельно, без помощи микроорганизмов, фиксировать азот, соддан «золотой» рис с повышенным содержанием витамина А и др.

В мире уже существуют стада трансгенных коз и коров, у которых в молочной железе синтезируются полезные с медицинской точки зрения вещества, которые потом выделяются с молоком этих животных. Сегодня лекарством служит молоко трансгенных животных, которое содержит такие белки, как инсулин, гормон роста человека, антитромбин, интерферон. В России, например, генными технологами создана порода овец, вырабатывающих вместе с молоком и фермент, необходимый в производстве сыра; российские ученые совместно с коллегами из Бразилии успешно работают над созданием трансгенных коз, молоко которых будет содержать фармацевтический продукт под названием гранулоцит- колониестимулирующий фактор, необходимый для лечения различных заболеваний крови, потребности в котором в мире огромны.

Во многих научных центрах ведутся работы по созданию трансгенных животных, используемых в качестве моделей разнообразных наследственных заболеваний человека. Уже получены трансгенные лабораторные животные с повышенной частотой возникновения опухолей, выведены линии животных, в организме которых воспроизводятся такие заболевания человека, как серповидно-клеточная анемия, диабет, нейрологические заболевания, артрит, желтуха, сердечно-сосудистые и ряд наследственных болезней. Такие животные-модели позволяют глубже понять природу различных патологий человека и осуществить на их основе поиск эффективных лекарственных средств.

Технология трансгеноза в перспективе может быть применена также для создания трансгенных животных, которые могут быть использованы в качестве источников органов и тканей для трансплантологии (у них, в частности, инактивированы антигены, ответственные за тканесовместимость). Уже начаты исследования в этой области на свиньях, которые рассматриваются в качестве возможных кандидатов для трансплантации их органов человеку. Трансгенные растения также планируются использовать в медицинских целях. Например, на их основе разрабатываются вакцины, которые получили название «съедобных». Для этого в растение вводят тот или иной вирусный ген, который обеспечивает синтез соответствующего белка, обладающего свойством антигена. Употребление этого растения в пищу позволяет человеку постепенно приобретать иммунитет к тому или иному вирусу. Другой пример: в Японии создан сорт риса, который позволит больным сахарным диабетом обходиться без лекарств, так как его употребление стимулирует синтез поджелудочной железой собственного инсулина.

Вероятно, именно заметные успехи в области создания ГМО послужили толчком для возникновения в 1990 году еще одного важного направления генно- клеточной биотехнологии – генной терапии. С помощью генной терапии в клетки, которые страдают от нарушения работы гена, можно доставить «хороший» ген, способный компенсировать работу «плохого». Правда, иногда болезнь вызывается избыточной работой отдельных генов, несвойственных нормальной клетке (например, при вирусной инфекции). В таких случаях следует наоборот подавить работу «вредного» гена. Один из наиболее перспективных подходов к этому – РНК-интерференция – процесс подавления работы гена с помощью фрагментов молекул РНК, механизм которого раскрыт А. Файром и К. Мелло (и снова Нобелевская премия по физиологии и медицине за 2006 год). Все это и пытаются делать сегодня с помощью генной терапии. Мишенью для генной терапии могут быть как клетки тела (соматические клетки), так и зародышевые клетки (яйцеклетки, сперма). В случае наследственных заболеваний более подходящими для генной терапии могли бы стать зародышевые клетки, исправление которых должно сохраняться и у потомства. Однако в практическом плане сейчас больший интерес представляет соматическая терапия, а генная терапия зародышевых клеток - это проблема отдаленного будущего, хотя в действительности наследственные болезни можно было бы вылечить раз и навсегда, воздействуя именно на половые клетки или клетки эмбрионов на ранних стадиях развития. Введенный ген, попадая в результате искусственного переноса во множество интенсивно делящихся клеток эмбриона, способен предотвратить развитие заболевания. Но этот вид генной терапии связан с целым рядом проблем как технических, так и, главным образом, этических. В частности, высказываются опасения, что такой подход можно будет использовать для производства нового поколения «детей на заказ».

Реальностью в настоящее время представляется только генная терапия, направленная на соматические клетки взрослого организма. Из общего числа известных заболеваний человека около 30-40% составляют так называемые генетические или наследственные болезни. Многие из этих патологий связаны с нарушением работы одного единственного гена. Генная терапия применима в первую очередь к таким заболеваниям, поскольку в этих случаях процесс лечения существенно облегчается. В настоящее время, используя информацию о структуре генома человека и его отдельных генов, ученые осуществляют широкомасштабный поиск средств лечения многих традиционно считавшихся фатальными для человека наследственных и приобретенных болезней, для которых известен «плохой» ген и/или его продукт. В первую очередь это такие заболевания как гемофилия, муковисцидоз, дефицит аденозиндезаминазы, миодистрофия Дюшенна, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, различные кардио-васкулярные патологии и др. Так, в США и Великобритании были проведены испытания на пациентах с дефектом гена, который кодирует белок, необходимый для нормальной работы сетчатки. В ходе операций этим пациентам вводили «здоровые» копии поврежденного гена в заднюю часть одного глаза. Через полгода пациенты, которые до генной терапии могли различать лишь движения рук, стали способны видеть все линии на таблице проверки зрения. Имеются определенные успехи и при использовании генной терапии для лечения ряда ненаследственных патологий (отдельные формы рака, ишемия) и инфекционных заболеваний (СПИД, гепатит). В настоящее время в разных странах мира уже одобрено свыше 600 протоколов клинических испытаний с использование генной и генно-клеточной терапии.

Технология генной терапии претерпела за прошедшие годы значительные изменения. На первых этапах для перенесения генов в организм полагались в основном на природную способность вирусов, несущих терапевтический ген, проникать и размножаться в клетках. Сейчас пришла пора принять в этом участие нанобиотехнологии. Уже начаты разработки подходов к направленному переносу генов в определенные виды клеток с помощью наночастиц, содержащих на своей поверхности антитела к специфическим антигенам этих клеток. Такие «нагруженные» генами и антителами наночастицы целенаправленно движутся в организме к пораженным местам и оказывают целевой терапевтический эффект. Однако при всех положительных результатах, полученных с помощью генной терапии, она пока остается малоэффективной. Остаются нерешенными такие ключевые проблемы, как целевая доставка генов, длительное и эффективное их функционирование в пораженных тканях. Будущее генной терапии во многом зависит от решения этих проблем.

Успеху генных биотехнологий в значительной мере способствовало параллельное развитие с ними клеточных биотехнологий. Одним из важных достижений стало получение и культивирование стволовых клеток. В конце 70-х прошлого века были получены убедительные данные о возможности применения трансплантации стволовых клеток костного мозга при лечении острых лейкозов. С этого времени началась новая эра в медицине. Сначала из эмбрионов мышей, а потом из эмбрионов человека были получены так называемые эмбриональные стволовые клетки. Последнее событие было признано одним из трех наиболее значимых достижений в биологии за XX век (наряду с открытием двойной спирали ДНК и полной расшифровкой генома человека).

Существенный прогресс в современной биотехнология произошел в связи с разработкой технологии репродуктивного клонирования животных организмов, т.е. получения искусственным путем идентичных копий таких организмов. Около 10 лет назад был поднят неимоверный шум вокруг рождения овцы Долли, о которой теперь знают все.

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.

Биоинженерия – одно из перспективнейших научных направлений, при помощи которой можно создать новые органы или даже части тела для их дальнейшей пересадки живому человеку. В отдаленной перспективе биоинженерия позволит больному человеку получить новый глаз, сердце и другие жизненно необходимые органы.

Многие считают, что биоинженеры пытаются «играть в Бога», а их достижения могут быть использованы не для спасения жизней, а для совершенствования человеческого тела вопреки законам природы. Сейчас это кажется фантастикой, но последние достижения биоинженерии говорят об обратном.

Ухо

Человеческое ухо является достаточно сложным по своему строению органом. Однако биоинженерия, как оказалось, способна на многое. Так, ученым Принстонского университета во главе с доцентом Майклом МакАлпайном удалось-таки создать искусственное человеческое ухо, которое они представили в мае 2013 года. Для этого биоинженеры использовали технологию трехмерной печати, при помощи которой создали ухо из животных клеток с применением электронных приборов. Если его пересадить человеку, то он сможет улавливать ранее недоступные ему радиочастоты.

Кровеносные сосуды

Кровеносная система человека представляет собой очень сложный механизм, сбой в которой грозит диабетом, сердечно-сосудистыми и почечными заболеваниями. Но биоинженерия творит чудеса. В 2011 году специалистам компании Cytograft Tissue Engineering удалось создать искусственные кровеносные сосуды. Они были вживлены трем пациентам, страдающим почечными заболеваниями. Результаты эксперимента поразили ученых: через 8 месяцев после операции созданные при помощи биоинженерии кровеносные сосуды по-прежнему исправно работали.

Сердце

В 1980-х годах кардиохирурги совершили настоящий прорыв, пересадив человеку искусственное сердце. Конечно, живое сердце трудно заменить, но с развитием науки достижения биоинженерии позволили усовершенствовать искусственное сердце использованием биологических материалов, а специалистам Массачусетского технологического института и вовсе удалось напечатать сердце на 3D-принтере из клеток грызунов. Будем надеяться, что уже скоро достижения биоинженерии позволят «напечатать» искусственное человеческое сердце, не уступающее настоящему.

Печень

Биоинженерия уже близка к созданию искусственной человеческой печени. Так, миниатюрные образцы этого органа были созданы в 2010 году специалистами Балтийского медицинского центра при Университете Уэйк Форест с применением животных и человеческих клеток. Кроме того, в Йокогамском университете был проведен эксперимент, в результате которого были созданы «зародыши» печени. Но для создания функционирующего органа потребуются тысячи таких элементов.

Трахея

Пусть биоинженерия пока и не может дать человечеству искусственную печень, но создать трахею она в состоянии. Так, в американском штате Иллинойс 2,5-летней Ханне Уоррен была пересажена искусственно выращенная трахея. Операция прошла удачно, но 7 июля 2013 года девочка скончалась в результате сделанной ранее операции на пищевод.

Межпозвоночные диски

Даже небольшое смещение межпозвоночных дисков приводит, в лучшем случае, к сильнейшим болям в спине, а в худшем – без хирургического вмешательства не обойтись. Но в результате операции врачи просто соединяют позвонки между собой, лишая человека подвижности. В редких случаях используются искусственные диски, которые быстро изнашиваются. К счастью, и здесь биоинженерия оправдала все ожидания. В этом году специалисты Университета Дьюка создали диск, который при вживлении в междисковое пространство способен восстанавливать соответствующие ткани, фактически выращивая межпозвоночный диск в теле пациента.

Кишечник

Использование коллагена и стволовых клеток позволило биоинженерии создать небольшой искусственный кишечник. Однако для создания полноценного органа ученым еще далеко.

Почка

Почка – один из самых востребованных органов. Только в США около 60 тысяч пациентов, страдающих от почечной недостаточности, стоят в очереди на пересадку почки. Возможно, эту проблему удастся решить специалистам Калифорнийского университета. Используя последние достижения биоинженерии, они работают над созданием искусственной почки, сделанной на основе силиконовых нанофильтров и клеток человеческой почки. Уже в 2017 году ученые надеются провести испытания этого устройства.

Лекция по биотехнологии №1

Введение в биотехнологию. Экологическая, сельскохозяйственная, промышленная биотехнология.

Биотехнологическое получение белков, ферментов, антибиотиков витаминов, интерферона.

Вопрос №1

Человек с древнейших времен использовал биотехнологии в виноделии, пивоварении или хлебопечении. Но процессы, лежащие в основе этих производств, долго оставались загадочными. Их природа прояснилась лишь в конце XIX - начале ХХ века, когда были разработаны методы культивирования микроорганизов, пастеризации, выделены чистые линии бактерий и ферменты. Для обозначения наиболее тесно связанных с биологией разнообразных технологий раньше использовали такие наименования, как «прикладная микробиология», «прикладная биохимия», «технология ферментов», «биоинженерия», «прикладная генетика», «прикладная биология». Это привело к возникновению новой отрасли - биотехнологической.

Французский химик Луи Пастер в 1867 году доказал, что брожение - это результат жизнедеятельности микроорганизмов. Немецкий биохимик Эдуард Бухнер уточнил, что оно вызывается и бесклеточным экстрактом, содержащим ферменты, катализирующие химические реакции. Использование чистых ферментов для переработки сырья послужило толчком к развитию зимологии. Например, альфа-амилаза требуется для расщепления крахмала.

В это же время сделаны важные открытия в области нарождавшейся генетики, без которой была бы немыслима биотехнология современного уровня. В 1865 году австрийский монах Грегор Мендель ознакомил Брюннское общество естествоиспытателей со своими «Опытами над растительными гибридами», в которых он описал законы передачи наследственности. В 1902 году биологи Уолтер Саттон и Теодор Бовери предположили, что передача наследственности связана с материальными носителями - хромосомами. Уже тогда было известно, что живой организм состоит из клеток. Немецкий патолог Рудольф Вирхов дополняет клеточную теорию принципом «каждая клетка - из клетки». А опыты ботаника Готлиба Хаберландта продемонстрировали, что клетка может существовать в искусственной среде и отдельно от организма. Эксперименты последнего привели к открытию роли витаминов, минеральных добавок и гормонов.

Потом было слово

Годом рождения самого термина «биотехнология» принято считать 1919-й, когда был опубликован манифест «Биотехнология переработки мяса, жиров и молока на больших сельскохозяйственных фермах». Его автор - венгерский агроэкономист, в то время министр продовольствия Карл Эреки. Манифест описывал переработку сельскохозяйственного сырья в другие пищевые продукты с помощью биологических организмов. Эреки предсказывал новую эпоху в истории человечества, сравнивая открытие этого метода с величайшими технологическими революциями прошлого: появлением производящего хозяйства в эпоху неолита и металлургии в бронзовом веке. Но до конца 1920-х годов под биотехнологией подразумевалось лишь использование микроорганизмов для ферментации. В 1930-е развивается медицинская биотехнология. Открытый в 1928 году Александером Флемингом пенициллин, производимый из грибков Penicillium notatum, уже в 1940-х годах начал выпускаться в промышленных масштабах. А в конце 1960-х - начале 1970-х годов была сделана попытка объединить пищевую промышленность с нефтеперерабатывающей. Компания British Petroleum разработала технологию бактериального синтеза кормового белка из отходов нефтепромышленности.

В 1953 году было совершено открытие, которое вызвало впоследствии переворот в биотехнологии: Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик расшифровали структуру ДНК. И в 1970-х годах к биотехнологическим приемам добавилось манипулирование наследственным материалом. Буквально за два десятилетия были открыты все необходимые для этого инструменты: выделена обратная транскриптаза - фермент, который позволяет «переписывать» генетический код из РНК обратно в ДНК, открыты ферменты для разрезания ДНК, а также полимеразная цепная реакция для многократного воспроизводства отдельных фрагментов ДНК.

В 1973 году создан первый генетически рекомбинантный организм: в бактерию был перенесен генетический элемент от лягушки. Началась эра генетической инженерии, которая едва сразу же не закончилась: в 1975 году в городе Асиломар (США) на Международном конгрессе, посвященном изучению рекомбинантных ДНК-молекул, впервые были высказаны опасения относительно применения новых технологий.

«Тревогу забили не политики, не религиозные группы и не журналисты, как можно было бы ожидать. Это были сами ученые, - вспоминал Пол Берг, один из организаторов конференции и пионер создания рекомбинантных молекул ДНК. - Многие ученые опасались, что общественные дебаты приведут к неоправданным ограничениям на молекулярную биологию, но они поощряли ответственную дискуссию, приведшую к консенсусу». Участники конгресса выступили за мораторий на ряд потенциально опасных исследований.

Тем временем от биотехнологии и генетической инженерии отпочковалась синтетическая биология, которая занимается дизайном новых биологических компонентов и систем и редизайном уже существующих. Первой ласточкой синтетической биологии стал искусственный синтез транспортной РНК в 1970 году, а сегодня возможен уже синтез целых геномов из элементарных структур. В 1978 году фирма Genentech сконструировала в лаборатории бактерию Е.coli, синтезирующую человеческий инсулин. С этого момента генетическая рекомбинация окончательно входит в арсенал биотехнологии и считается едва ли не ее синонимом. Одновременно был осуществлен первый перенос новых генов в геномы животной и растительной клетки. Нобелевский лауреат 1980 года Уолтер Гилберт заявил: «Мы можем получить для медицинских целей или для коммерческого применения фактически любой человеческий белок, способный влиять на важные функции человеческого тела».

В 1985 году проходят первые полевые испытания трансгенных растений, устойчивых к гербицидам, насекомым, вирусам и бактериям. Появляются патенты на растения. Начинается расцвет молекулярной генетики, бурно развиваются аналитические методы, такие как секвенирование, то есть определение первичной последовательности белков и нуклеиновых кислот.

В 1995 году на рынок было выпущено первое трансгенное растение (томат Flavr Savr), а уже к 2010 году трансгенные сельскохозяйственные культуры выращивали в 29 странах на 148 миллионах гектаров (10% от общей площади возделываемых земель). В 1996 году на свет появляется первое клонированное животное - овца Долли. К 2010 году было клонировано больше 20 видов животных: коты, собаки, волки, лошади, свиньи, муфлоны.

Направления биотехнологии и получаемые с ее помощью продукты

Технологии и биотехнологии

Технология - это способы и приемы, используемые для получения из исходного материала (сырья) некоторого продукта. Очень часто для получения одного продукта требуется не один, а несколько источников сырья, не один способ или прием, а последовательность нескольких. Все многообразие технологий можно подразделить на три основных класса:

Физико-механические технологии;

Химические технологии;

Биотехнологии.

В физико-механических технологиях исходный материал (сырье) в процессе получения продукта меняет форму или агрегатное состояние без изменения своего химического состава (например, технология переработки древесины для производства деревянной мебели, различные методы получения металлических изделий: гвоздей, деталей машин и др.).

В химических технологиях в процессе получения продукта сырье претерпевает изменения химического состава (например, получение полиэтилена из природного газа, спирта - из природного газа или древесины, синтетического каучука - из природного газа).

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.

Цель биотехнологических исследований - повышение эффективности производства и поиск биологических систем, с помощью которых можно получить целевой продукт.

Биотехнология дает возможность воспроизводить нужные продукты в неограниченных количествах, применяя новые технологии, позволяющие переносить гены в клетки-продуценты или в целый организм (трансгенные животные и растения), синтезировать пептиды, создавать искусственные вакцины.

Основные направления развития биотехнологии

Расширение сфер применения биотехнологии существенно влияет на повышение уровня жизни человека (рис. 1.2). Быстрее всего внедрение биотехнологических процессов дает результаты в медицине, но, по мнению многих специалистов, основной экономический эффект будет получен в сельском хозяйстве и химической промышленности.

Микрочипы, клеточные культуры, моноклональные антитела и белковая инженерия - это лишь небольшая часть современных биотехнологических приемов, используемых на разных стадиях разработки многих видов продукции. Понимание молекулярных основ биологических процессов дает возможность значительно сократить затраты на разработку и подготовку производства определенного продукта, а так-же повысить его качество. Например, сельскохозяйственныебиотехнологические компании, создающие устойчивые к насекомым сорта растений, могут измерять количество защитного белка в клеточной культуре и не тратить ресурсы на выращивание самих растений; фармакологические компании могут использовать клеточные культуры и микрочипы для проверки безопасности и эффективности препаратов, а также для выявления возможных побочных эффектов на ранних стадиях получения лекарственных средств.

Генетически модифицированные животные, в организмах которых происходят процессы, отражающие физиологию различных человеческих заболеваний, обеспечивают ученых вполне адекватными моделями для проверки действия того или иного вещества на организм. Это также позволяет компаниям выявлять наиболее безопасные и эффективные препараты на более ранних стадиях разработки.

Все это свидетельствует о важном значении биотехнологии и широких возможностях ее применения в различных отраслях народного хозяйства. Какие же направления являются наиболее приоритетными в этой области? Рассмотрим их.

1. Повышение безопасности биотехнологического производства для человека и окружающей среды . Требуется создание таких рабочих систем, которые будут функционировать только в строго контролируемых условиях. Например, штаммы кишечной палочки, используемые в биотехнологии, лишены надмембранных структур (оболочек); такие бактерии просто не могут существовать вне лабораторий или вне специальных технологических установок. Повышенной безопасностью обладают и многокомпонентные системы, каждая из которых не способна к самостоятельному существованию.

2. Снижение доли отходов производственной деятельности человека . Отходами производства называются его побочные продукты, которые не могут использоваться человеком или другими компонентами биосферы и применение которых нерентабельно или сопряжено с каким-то риском. Такие отходы накапливаются в пределах производственных помещений (территорий) или выбрасываются в окружающую среду. Следует стремиться к изменению соотношения «полезный продукт/отходы» в пользу полезного продукта. Этого достигают различными способами. Во-первых, отходам необходимо найти полезное применение. Во-вторых, их можно направить на вторичную переработку, создав замкнутый технологический цикл. И наконец, можно изменить саму рабочую систему так, чтобы уменьшить долю отходов.

3. Снижение энергетических затрат на производство продукта, т. е. внедрение энергосберегающих технологий. Принципиальное решение этой проблемы возможно в первую очередь за счет использования возобновляемых источников энергии. Например, годовое потребление энергии ископаемого топлива соизмеримо с объемом чистой валовой продукции всех фотосинтезирующих организмов на Земле. Для трансформации солнечной энергии в формы, доступные для современных силовых установок, создаются (в том числе методами клеточной инженерии) энергетические плантации быстрорастущих растений. Полученная биомасса используется для производства целлюлозы, биотоплива, а также биогумуса. Всесторонние выгоды подобных технологий очевидны. Использование методов клеточной инженерии для постоянного обновления посадочного материала обеспечивает получение в кратчайшие сроки большого количества растений, свободных от вирусов и микоплазм; при этом отпадает необходимость создания маточных плантаций. Снижается нагрузка на естественные насаждения древесных растений (в значительной мере они вырубаются для получения целлюлозы и топлива), уменьшаются потребнотси в ископаемом топливе (в общем-то, оно является экологически неблагоприятным, поскольку при его сжигании образуются недоокисленные вещества). При использовании биотоплива образуются углекислый газ и водяные пары, которые поступают в атмосферу, а затем вновь связываются растениями на энергетических плантациях.

4. Создание многокомпонентных растительных систем. Качество сельскохозяйственной продукции значительно ухудшается при применении минеральных удобрений и ядохимикатов, которые наносят колоссальный ущерб природным экосистемам. Преодолеть негативные последствия химизации сельскохозяйственного производства можно различными способами. Прежде всего необходимо отказаться от монокультур, т. е. от использования ограниченного набора биотипов (сортов, пород, штаммов). Недостатки монокультуры были выявлены еще в конце XIX столетия; они очевидны. Во-первых, в монокультуре возрастают конкурентные отношения между выращиваемыми организмами; в то же время монокультура оказывает лишь одностороннее воздействие на конкурирующие организмы (сорняки). Во-вторых, происходит избирательный вынос элементов минерального питания, что ведет к деградации почв. И наконец, монокультура неустойчива к патогенам и вредителям. Поэтому в течение XX в. она поддерживалась за счет исключительно высокой интенсивности производства. Разумеется, использование монокультур интенсивных сортов (пород, штаммов) упрощает разработку технологии производства продукции. Например, с помощью высоких технологий созданы сорта растений, устойчивые к определенному пестициду, который при возделывании именно данных сортов можно применять в высоких дозах. Однако в этом случае возникает вопрос безопасности такой рабочей системы для человека и окружающей среды. Кроме того, рано или поздно появятся расы патогенов (вредителей), устойчивые к данному пестициду.

Следовательно, необходим планомерный переход от монокультуры к многокомпонентным (поликлональным) композициям, включающим разные биотипы культивируемых организмов. Многокомпонентные композиции должны включать организмы с разным ритмом развития, с различным отношением к динамике физико-химических факторов среды, к конкурентам, патогенам и вредителям. В генетически гетерогенных системах возникают компенсаторные взаимодействия особей с различными генотипами, снижающие уровень внутривидовой конкуренции и автоматически увеличивающие давление культивируемых организмов на конкурирующие организмы других видов (сорняки). По отношению к патогенам и вредителям такая гетерогенная экосистема характеризуется коллективным групповым иммунитетом, который определяется взаимодействием множества структурных и функциональных особенностей отдельных био-типов.

5. Разработка новых препаратов для медицины . В настоящее время ведутся активные исследования в области медицины: создаются различные типы новых препаратов - целевые и индивидуальные.

Целевые препараты . Основными причинами онкологических заболеваний являются неконтролируемое деление клеток и нарушение процессов апоптоза. Действие препаратов, предназначенных для их устранения, может быть направлено на любую из молекул или клеточных структур, участвующих в этих процессах. Исследования, проведенные в области функциональной геномики, уже предоставили нам информацию о молекулярных изменениях, происходящих в предраковых клетках. На основе полученных данных можно создавать диагностические тесты для выявления молекулярных маркеров, сигнализирующих о начале онкологического процесса до того, как появляются первые видимые нарушения клеток или проявляются симптомы заболевания.

Большинство химиотерапевтических препаратов воздействует на белки, участвующие в процессе деления клетки. К сожалению, при этом погибают не только злокачественные клетки, но часто и нормальные делящиеся клетки организма, такие, как клетки системы кроветворения и волосяных фолликул. Чтобы предупредить появление этого побочного эффекта, некоторые компании начали разработку препаратов, которые останавливали бы клеточные циклы здоровых клеток непосредственно перед введением дозы химиотерапевтического агента.

Индивидуальные препараты . На сегодняшнем этапе развития науки начинается эпоха индивидуализированной медицины, в которой генетические различия пациентов будут учитываться для наиболее эффективного применения лекарств. Используя данные функциональной геномики, можно выявлять генетические варианты, отвечающие за предрасположенность конкретных пациентов к отрицательным побочным эффектам одних препаратов и за восприимчивость - к другим. Такой индивидуальный терапевтический подход, базирующийся на знании генома пациента, получил название фармакогеномики.

Основные достижения и перспективы развития сельскохозяйственной биотехнологии

Биотехнологические подходы позволяют современным селекционерам выделять отдельные гены, отвечающие за желаемые признаки, и перемещать их из генома одного растения в геном другого – трансгенез.

Благодаря биотехнологии были получены растения с улучшенными питательными свойствами, устойчивые к гербицидам и со встроенной защитой против вирусов и вредителей (соя, помидоры,хлопок, папайа,). ГМ растения, используемые в животноводстве, – кукуруза, соевые бобы, канола и хлопок

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.

Перспективы:

1. Специалисты биотехнологий разрабатывают возможности увеличения количества белка в растениях, что позволит в будущем отказаться от мяса.

2. Для агрокомплекса ведутся разработки в направлении усовершенствования функций самозащиты растений от насекомых-вредителей, посредством выделения яда.

3. Одной из бурно развивающихся отраслей биотехнологии считается технология микробного синтеза ценных для человека веществ. Дальнейшее развитие этой отрасли повлечет за собой перераспределение ролей растениеводства и животноводства с одной стороны, и микробного синтеза - с другой, в формировании продовольственной базы человечества.

4. В основе промышленного использования достижений биотехнологии лежит техника создания рекомбинантных молекул ДНК. Конструирование нужных генов позволяет управлять наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми свойствами.

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

6. Биодеградация (переработка) целлюлозы. Полное расщепление целлюлозы до глюкозы может решить множество проблем - получение большого количества углеводов и очистку среды от отбросов лесов и сельскохозяйственного производства. В настоящее время гены целлюлолитических ферментов уже выделены из некоторых микроорганизмов. Разрабатываются методы их переноса в дрожжи, которые могли бы сначала гидролизовать целлюлозу до глюкозы и затем превращать ее в спирт.

Новейшие достижения в области медицинской биотехнологии

В области медицинской биотехнологии были разработаны интерфероны ~ белки, способные подавлять размножение вирусов.

Производство человеческого инсулина путем использования генно-модифицированных бактерий, производство эритропоэтина (гормона, стимулирующего образование эритроцитов в костном мозге.

Стало возможным производить полимеры, заменяющие органы и ткани человека (почки, кровеносные сосуды, клапаны, аппарат сердце - легкие и т.д.).

Массовая иммунизация (вакцинация) стала самым доступным и экономически эффективным способом профилактики инфекционных болезней. Так, за 30 лет вакцинирования российских детей от кори, заболеваемость снизилась ей в 620 раз.

Разработаны методы получения антибиотиков. Открытие антибио­тиков произвело переворот в лечении инфекционных заболева­ний. Ушли в прошлое представления о неизлечимости многих бак­териальных инфекций (чума, туберкулез, сепсис, сифилис и др.).

Одно из последних достижений биотехнологической диагностики – метод биосенсоров, которые «отлавливают» связанные с болезнями молекулы и подают сигналы на датчики. Биосенсорную диагностику используют для определения глюкозы в крови больных диабетом. Предполагается, что со временем можно будет имплантировать датчики биосенсоров в кровеносные сосуды больных, чтобы более точно контролировать их потребность в инсулине.

Стало возможным не только создание «биологических реакторов», трансгенных животных, генно-модифицированных растений, но и проведение генетической паспортизации (полного исследования и анализа генотипа человека, проводимого, как правило, сразу после рождения, для определения предрасположенности к различным заболеваниям, возможную неадекватную (аллергическую) реакцию на те или иные лекарства, а также склонность к определенным видам деятельности). Генетическая паспортизация позволяет прогнозировать и уменьшать риски сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний, исследовать и предотвращать нейродегенеративные заболевания и процессы старения и т.д.

Ученым удалось выявить гены, ответственные за проявление различных патологий и способствующие увеличению продолжительности жизни.

Появились возможности для ранней диагностики наследственных болезней и своевременной профилактики наследственной патологии.

Важнейшей областью для медицинской биотехнологии стала клеточная инженерия, в частности технология получения моноклональных антител, которые продуцируются в культуре или в организме животного гибридными лимфоидными клетками - гибридомами. Технология получения моноклональных антител оказала большое влияние на фундаментальные и прикладные исследования в области медицины и на медицинскую практику. На их основе разработаны и применяются новые системы иммунологического анализа - радиоиммунологический и иммуноферментативный анализ. Они позволяют определять в организме исчезающе малые концентрации специфических антигенов и антител.

Самой передовой технологией в диагностике заболеваний ныне считают микрочипы. Их применяют для ранней диагностики инфекционных, онко- и генетических заболеваний, аллергенов, а также при исследовании новых лекарств.

Похожая информация.