Высшим достижением новейшей биотехнологии является. Биотехнология – новое бурно развивающееся направление биологии. Этапы развития биотехнологии. Основные направления в биотехнологии. Перспективы развития биотехнологии
Государственный университет управления
Институт государственного и муниципального управления
Специальность государственное и муниципальное управление
Курсовая работа
«Достижения генной инженерии и биотехнологии»
Выполнена студенткой
Дата выполнения работы 15.12.2000г.
Руководитель Миронченко В.И.
План
Введение |
|
Строение ДНК |
|
I Биотехнология | |
Возникновение биотехнологии | |
Специфика биотехнологии | |
Разделы биотехнологии | |
А) Биоэнергетика | |
Б) Биологизация и экологизация | |
Практические достижения биотехнологии | |
II Генная инженерия | |
Генная инженерия | |
Методы генной инженерии | |
Генетическая рекомбинация in vitro | |
Методы введения ДНК в бактериальные клетки | |
Достижения генной инженерии | |
Молекулярная геномика |
|
Генная терапия | |
Биотехнологические и генно-инженерные компании и их разработки. | |
А) Компании США | |
Б) Компании СССР | |
В) Компании Западной Европы | |
Г) Международное сотрудничество | |
Заключение |
|
Список терминов |
|
Список литературы |
|
Приложение 1 |
|
Приложение 2 |
Введение
В своей работе я раскрываю тему достижений генной инженерии и биотехнологии. Возможности, открываемые генетической инженерией перед человечеством как в области фундаментальной науки, так и во многих других областях, весьма велики и нередко даже революционны. Так, она позволяет осуществлять индустриальное массовое производство нужных белков, значительно облегчает технологические процессы для получения продуктов ферментации - энзимов и аминокислот, в будущем может применяться для улучшения растений и животных, а также для лечения наследственных болезней человека. Таким образом, генная инженерия, будучи одним из магистральных направлений научно-технического прогресса, активно способствует ускорению решения многих задач, таких, как продовольственная, сельскохозяйственная, энергетическая, экологическая.
Еще в прошлом веке биологи изучили процесс клеточного деления, которому предшествует расхождение хромосом, благодаря чему в каждый сперматозоид и в каждую яйцеклетку попадает половина хромосом из исходной клетки. Тогда уже было показано, что носителями генетической информации являются хромосомы.
С точки зрения химиков хромосомы состоят из белка и дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Белки - сложная группа веществ, состоящая из 20 мономерных звеньев (аминокислот), которые соединены в самых разных комбинациях. В ДНК - всего четыре вида аминокислот. Сначала предположили, что ДНК строится сочетанием этих четырех единиц в однообразном порядке. В качестве носителей генетической информации предполагались белки, как более сложные структуры. Только в 40-с годы было установлено, что именно ДНК, несмотря на простоту своей структуры, являются носителями информации, и, более того, обеспечивают образование своих точных копий для передачи последующим поколениям.
Гены - это участки молекулы ДНК, которая "размножается" путем комплиментарного пристраивания друг к другу четырех нуклеотидов (оснований), и при ошибках в этом процессе происходят мутации. Гены управляют синтезом белков, составляющих протоплазму, переключаясь время от времени с построения собственных клеток на построение иных молекул. В клетках высших организмов количество ДНК сильно различается, отсюда отличия между организмами и в наборе синтезируемых белков, и в сложности строения организмов.
В начале 50-х годов выяснилось, что химический состав ДНК (а не белков) у одного вида почти одинаков, весьма различаясь у разных видов. Любая ДНК состоит из четырех типов нуклеотидов: А, Т, Г, Ц (начальные буквы четырех азотистых оснований- аденин, тимин, гуанин и цитозин), которые присутствуют в ДНК в разных пропорциях у разных видов и имеют близкие пропорции у одного вида. В 1938 г. Уильям Астбери (автор термина молекулярная биология) получил вместе со своим сотрудником Флорином Беллом рентгенограммы ДНК, которые показали, что азотистые основания располагаются одно за другим, построенные как пластинки. Вскоре американский биохимик Эрвин Чаргафф (р. 1905) установил, что отношения А/Т и Г/Ц приблизительно равны единице. Эти результаты были важны для понимания структуры ДНК.
Интерес к ДНК как носителю генетической информации резко возрос к началу 50-х годов, и структура ДНК была вскоре установлена. Химики понимали, что ДНК собрана из нуклеотидов, каждый из которых имеет фосфатную группу, связанную ковалентно с пяти-углеродным сахаром. Каждый такой сахар связан с одним из четырех азотистых оснований. История открытия структуры ДНК описана американским биохимиком Джеймсом Уотсоном (р.1928) в его книге «Двойная спираль»(1968). Кембридже Уотсон познакомился с Криком, физиком, который переквалифицировался в биохимика. Из общения с химиками Уотсон узнал, что структурные формулы, которыми они пользовались далеки от совершенства. Разобравшись в структуре пуринов (А, Г) и пиримидинов (Т, Ц), Уотсон и Крик решили, что они должны быть тесно связаны между собой. Если это так, то ДНК должна состоять из двух цепей. Цепи должны закручиваться между собой так, чтобы сохранялись определенные углы между группами атомов. Так возникла двойная спираль, в которой пурины и пиримидины выстроены по типу ступенек лестницы: роль "перекладин" играют основания, "веревок" - сахарофосфатные остовы. Каждая перекладинка образована из двух оснований, присоединенных к двум противоположным цепям, причем у одного из оснований одно кольцо, у другого - два. Следовательно, это может быть А и Т или Г и Ц. Поскольку в каждой паре есть одно основание с одним кольцом и одно - с двумя, величина перекладин одинаковая, и остовы цепей находятся на одном расстоянии. Две цепи удерживаются вместе водородными связями между основаниями. Статья Уотсона и Крика, в которой сообщалось о расшифровке структуры ДНК, заняла всего две странички в научном журнале, но она открыла новую эпоху в раскрытии тайны жизни. В первой же публикации (1953) Крик и Уотсон отметили, что такая структура хорошо объясняет и процесс "воспроизводства" этой молекулы. При рассоединении цепей возможно присоединение новых нуклеотидов к каждой из них, тогда около каждой старой возникнет новая цепь, точно ей соответствующая. Так впервые пришли к структуре, которая была способна к самовоспроизведению. Физики Крик и Уилкинс вместе с биохимиком Уотсоном стали лауреатами Нобелевской премии по физиологии и медицине за 1962 год.
Исследования показали, что ДНК может существовать в двух формах: А (при низкой влажности) и В (при высокой). Для обеих форм построили молекулярные модели. Из дифракционных картин волокон ДНК информацию получить было достаточно трудно, поскольку цепи ДНК расположены вдоль оси волокна беспорядочно, но была подтверждена ее спиральная структура. К настоящему времени исследователи научились синтезировать в необходимом количестве и получать в достаточно чистом виде короткие участки ДНК заданной последовательности.
Строение рекомбинантной ДНК.
Гибридная ДНК имеет вид кольца. Она содержит ген (или гены) и вектор. Вектор - это фрагмент ДНК, обеспечивающий размножение гибридной ДНК и синтез конечных продуктов деятельности генетической системы - белков. Большая часть векторов получена на основе фага лямбда, из плазмид, вирусов SV40, полиомы, дрожжей и др. бактерий. Синтез белков происходит в клетке-хозяине. Наиболее часто в качестве клетки-хозяина используют кишечную палочку, однако применяют и др. бактерии, дрожжи, животные или растительные клетки. Система вектор-хозяин не может быть произвольной: вектор подгоняется к клетке-хозяину. Выбор вектора зависит от видовой специфичности и целей исследования. Ключевое значение в конструировании гибридной ДНК несут два фермента. Первый - рестриктаза - рассекает молекулу ДНК на фрагменты по строго определенным местам. И второй - ДНК-лигазы - сшивают фрагменты ДНК в единое целое. Только после выделения таких ферментов создание искусственных генетических структур стало технически выполнимой задачей.
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
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.
БИОХИМИЯ МИКРОБИОЛОГИЯ ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ГЕНЕТИКА МЕХАНИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ БИОХИМИЧЕСКАЯ МЕХАНИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОНИКА ТЕХНОЛОГИЯ ПИЩЕВЫХ ДРУГИЕ ДИСЦИПЛИНЫ ПРОДУКТОВ Рисунок 1. Междисциплинарная природа биотехнологии |
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.
ВВЕДЕНИЕ
1.1. Общие положения
Законом Российской Федерации «О ветеринарии» определены основные задачи ветеринарной медицины «в области научных знаний и практической деятельности, направленные на предупреждение болезней животных и их лечение, выпуск полноценных и безопасных в ветеринарном отношении продуктов животноводства и защиту населения от болезней, общих для человека и животных».
Решение целого ряда этих задач осуществляется методами биотехнологии.
Определение биотехнологии в довольно полном объеме дано Европейской биотехнологической федерацией, основанной в 1978 г. По этому определению биотехнология - это наука, которая на основе применения знаний в области микробиологии, биохимии, генетики, генной инженерии, иммунологии, химической технологии, приборо- и машиностроения использует биологические объекты (микроорганизмы, клетки тканей животных и растений) или молекулы (нуклеиновые кислоты, белки, ферменты, углеводы и др.) для промышленного производства полезных для человека и животных веществ и продуктов.
До тех пор, пока всеобъемлющий термин «биотехнология» не стал общепринятым, для обозначения наиболее тесно связанных с биологией разнообразных технологий использовали такие названия, как прикладная микробиология, прикладная биохимия, технология ферментов, биоинженерия, прикладная генетика и прикладная биология.
Использование научных достижений в биотехнологии осуществляется на самом высоком уровне современной науки. Только биотехнология создает возможность получения разнообразных веществ и соединений из сравнительно дешевых, доступных и возобновляемых материалов.
В отличие от природных веществ и соединений, искусственно синтезируемые требуют больших капиталовложений, плохо усваиваются организмами животных и человека, имеют высокую стоимость.
Биотехнология использует микроорганизмы и вирусы, которые в процессе своей жизнедеятельности вырабатывают естественным путем необходимые нам вещества - витамины, ферменты, аминокислоты, органические кислоты, спирты, антибиотики и др. биологически активные соединения.
Живая клетка по своей организационной структуре, слаженности процессов, точности результатов, экономичности и рациональности превосходит любой завод.
В настоящее время микроорганизмы используются, в основном, в трех видах биотехнологических процессов:
Для производства биомассы;
Для получения продуктов метаболизма (например, этанола, антибиотиков, органических кислот и др.);
Для переработки органических и неорганических соединений как природного, так и антропогенного происхождения.
Главная задача первого вида процессов, которую сегодня призвано решать биотехнологическое производство - ликвидация белкового дефицита в кормах сельскохозяйственных животных и птиц, т.к. в белках растительного происхождения имеется дефицит аминокислот и, прежде всего, особо ценных, так называемых незаменимых.
Основным направлением второй группы биотехнологических процессов в настоящее время является получение продуктов микробного синтеза с использованием отходов различных производств, включая пищевую, нефте- и деревоперерабатывающую промышленности и т.д.
Биотехнологическая переработка различных химических соединений направлена, главным образом, на обеспечение экологического равновесия в природе, переработку отходов деятельности человечества и максимальное снижение негативного антропогенного воздействия на природу.
В промышленном масштабе биотехнология представляет индустрию, в которой можно выделить следующие отрасли:
Производство полимеров и сырья для текстильной промышленности;
Получение метанола, этанола, биогаза, водорода и использование их в энергетике и химической промышленности;
Производство белка, аминокислот, витаминов, ферментов и т.д. путем крупномасштабного выращивания дрожжей, водорослей, бактерий;
Увеличение продуктивности сельскохозяйственных растений и животных;
Получение гербицидов и биоинсектицидов;
Широкое внедрение методов генной инженерии при получении новых пород животных, сортов растений и выращивания тканевых клеточных культур растительного и животного происхождения;
Переработка производственных и хозяйственных отходов, сточных вод, изготовление компостов с применением микроорганизмов;
Утилизация вредных выбросов нефти, химикатов, загрязняющих почву и воду;
Производство лечебно-профилактических и диагностических препаратов (вакцин, сывороток, антигенов, аллергенов, интерферонов, антибиотиков и др.).
Практически все биотехнологические процессы тесно связаны с жизнедеятельностью различных групп микроорганизмов - бактерий, вирусов, дрожжей, микроскопических грибов и т.п., и имеют ряд характерных особенностей:
1. Процесс микробного синтеза, как правило, является частью многостадийного производства, причем целевой продукт стадии биосинтеза часто не является товарным и подлежит дальнейшей переработке.
2. При культивировании микроорганизмов обычно необходимо поддерживать асептические условия, что требует стерилизации оборудования, коммуникаций, сырья и др.
3. Культивирование микроорганизмов осуществляют в гетерогенных системах, физико-химические свойства которых в ходе процесса могут существенно изменяться.
4. Технологический процесс характеризуется высокой вариабельностью из-за наличия в системе биологического объекта, т.е. популяции микроорганизмов.
5. Сложность и многофакторность механизмов регуляции роста микроорганизмов и биосинтеза продуктов метаболизма.
6. Сложность и в большинстве случаев отсутствие информации о качественном и количественном составе производственных питательных сред.
7. Относительно низкие концентрации целевых продуктов.
8. Способность процесса к саморегулированию.
9. Условия, оптимальные для роста микроорганизмов и для биосинтеза целевых продуктов, не всегда совпадают.
Микроорганизмы потребляют из окружающей среды вещества, растут, размножаются, выделяют жидкие и газообразные продукты метаболизма, тем самым реализуя те изменения в системе (накопление биомассы или продуктов метаболизма, потребление загрязняющих веществ), ради которых проводят процесс культивирования. Следовательно, микроорганизм можно рассматривать как центральный элемент биотехнологической системы, определяющий эффективность ее функционирования.
1.2. История развития биотехнологии
За последние 20 лет биотехнология, благодаря своим специфическим преимуществам перед другими науками, совершила решительный прорыв на промышленный уровень, что в немалой степени обязано также развитию новых методов исследований и интенсификации процессов, открывших ранее неизвестные возможности в получении биопрепаратов, способов выделения, идентификации и очистки биологически активных веществ.
Биотехнология формировалась и эволюционировала по мере формирования и развития человеческого общества. Ее возникновение, становление и развитие условно можно подразделить на 4 периода.
1. Эмпирический период или доисторический - самый длительный, охватывающий примерно 8000 лет, из которых более 6000 лет до н.э. и около 2000 лет н.э. Древние народы того времени интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и некоторых других продуктов, которые теперь мы относим к разряду биотехнологических.
Известно, что шумеры - первые жители Месопотамии (на территории современного Ирака) создали цветущую в те времена цивилизацию. Они выпекали хлеб из кислого теста, владели искусством готовить пиво. Приобретенный опыт передавался из поколения в поколение, распространялся среди соседних народов (ассирийцев, вавилонян, египтян и древние индусов). В течение нескольких тысячелетий известен уксус, издревле приготавливавшийся в домашних условиях. Первая дистилляция в виноделии осуществлена в XII в.; водку из хлебных злаков впервые получили в XVI в.; шампанское известно с XVIII в.
К эмпирическому периоду относятся получение кисломолочных продуктов, квашеной капусты, медовых алкогольных напитков, силосование кормов.
Таким образом, народы исстари пользовались на практике биотехнологическими процессами, ничего не зная о микроорганизмах. Эмпиризм также был характерен и в практике использования полезных растений и животных.
В 1796 г. произошло важнейшее событие в биологии - Э. Дженнером были проведены первые в истории прививки человеку коровьей оспы.
2. Этиологический период в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX в. и первую треть XX в. (1856 - 1933 гг.). Он связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Л. Пастера (1822 - 95) - основоположника научной микробиологии.
Пастер установил микробную природу брожения, доказал возможность жизни в бескислородных условиях, создал научные основы вакцинопрофилактики и др.
В этот же период творили его выдающиеся ученики, сотрудники и коллеги: Э. Дюкло, Э. Ру, Ш.Э. Шамберлан, И.И. Мечников; Р. Кох, Д. Листер, Г. Риккетс, Д. Ивановский и др.
В 1859 г. Л. Пастер приготовил жидкую питательную среду, Р. Кох в 1881 г. предложил метод культивирования бактерий на стерильных ломтиках картофеля и на агаризованных питательных средах. И, как следствие этого, удалось доказать индивидуальность микробов и получить их в чистых культурах. Более того, каждый вид мог быть размножен на питательных средах и использован в целях воспроизведения соответствующих процессов (бродильных, окислительных и др.).
Среди достижений 2-й периода особо стоит отметить следующие:
1856 - чешский монах Г. Мендель открыл законы доминирования признаков и ввел понятие единицы наследственности в виде дискретного фактора, который передается от родителей потомкам;
1869 - Ф. Милер выделил «нуклеин» (ДНК) из лейкоцитов;
1883 - И. Мечников разработал теорию клеточного иммунитета;
1984 - Ф. Леффлер изолировал и культивировал возбудителя дифтерии;
1892 - Д.Ивановский открыл вирусы;
1893 - В. Оствальд установил каталитическую функцию ферментов;
1902 - Г. Хаберланд показал возможность культивирования клеток растений в питательных растворах;
1912 - Ц. Нейберг раскрыл механизм процессов брожения;
1913 - Л. Михаэлис и М. Ментен разработали кинетику ферментативных реакций;
1926 - X. Морган сформулировал хромосомную теорию наследственности;
1928 - Ф. Гриффит описал явление «трансформации» у бактерий;
1932 - М. Кнолль и Э. Руска изобрели электронный
микроскоп.
В этот период было начато изготовление прессованных пищевых
дрожжей, а также продуктов их метаболизма - ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот, во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод.
Тем не менее, накопление большой массы клеток одного возраста оставалось исключительно трудоемким процессом. Вот почему требовался принципиально иной подход для решения многих задач в области биотехнологии.
3. Биотехнический период - начался в 1933 г. и длился до 1972 г.
В 1933 г. А. Клюйвер и А.Х. Перкин опубликовали работу «Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов», в которой изложили основные технические приемы, а также подходы к оценке получаемых результатов при глубинном культивировании грибов. Началось внедрение в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечивающего проведение процессов в стерильных условиях.
Особенно мощный толчок в развитии промышленного биотехнологического оборудования был отмечен в период становления и развития производства антибиотиков (время второй мировой войны 1939-1945 гг., когда возникла острая необходимость в противомикробных препаратах для лечения больных с инфицированными ранами).
Все прогрессивное в области биотехнологических и технических дисциплин, достигнутое к тому времени, нашло свое отражение в биотехнологии:
1936 - были решены основные задачи по конструированию, созданию и внедрению в практику необходимого оборудования, в том числе главного из них - биореактора (ферментера, аппарата-культиватора);
1942 - М. Дельбрюк и Т. Андерсон впервые увидели вирусы с помощью электронного микроскопа;
1943 - пенициллин произведен в промышленных масштабах;
1949 - Дж. Ледерберг открыл процесс конъюгации у Е. colly ;
1950 - Ж. Моно
разработал теоретические основы непрерывного управляемого культивирования микробов,
которые развили в своих исследованиях М.
Стефенсон, И. Молек, М. Иерусалимский,
И. Работнова, И. Помозгова, И.
Баснакьян, В. Бирюков;
1951 - М. Тейлер разработал вакцину против желтой лихорадки;
1952 - У. Хейс описал плазмиду как внехромосомный фактор наследственности;
1953 - Ф. Крик и Дж. Уотсон расшифровали структуру ДНК. Это стало побудительным мотивом для разработки способов крупномасштабного культивирования клеток различного происхождения для получения клеточных продуктов и самих клеток;
1959 - японские ученые открыли плазмиды антибиотикоустойчивости (К-фактор) у дизентерийной бактерии;
1960 - С. Очоа и А. Корнберг выделили белки, которые могут «сшивать» или «склеивать» нуклеотиды в полимерные цепочки, синтезируя тем самым макромолекулы ДНК. Один из таких ферментов был выделен из кишечной палочки и назван ДНК-полимераза;
1961 - М. Ниренберг
прочитал первые три буквы генетического
кода
для аминокислоты фенилаланина;
1962 - X. Корана синтезировал химическим способом функциональный ген;
1969 - М. Беквит и С. Шапиро выделили ген 1ас-оперона у Е. colly ;
- 1970 - выделен фермент рестриктаза (рестриктирующая эндонуклеаза).
4. Геннотехнический период начался с 1972 г., когда П. Берг создал первую рекомбинацию молекулы ДНК, тем самым показав возможность направленных манипуляцией с генетическим материалом бактерий.
Естественно, что без фундаментальной работы Ф. Крика и Дж. Уотсона по установлению структуры ДНК было бы невозможно достигнуть современных результатов в области биотехнологии. Выяснение механизмов функционирования и репликации ДНК, выделение и изучение специфичных ферментов привело к формированию строго научного подхода к разработке биотехнических процессов на основе генноинженерных манипуляций.
Создание новых методов исследований явилось необходимой предпосылкой развития биотехнологии в 4-ом периоде:
1977 - М. Максам и
У. Гилберт разработали метод анализа первичной структуры ДНК путем химической
деградации, а Дж. Сэнгер
-
путем полимеразного копирования с использованием терминирующих аналогов
нуклеотидов;
1981 - разрешен к применению в США первый диагностический набор моноклональных антител;
1982 - поступил в продажу человеческий
инсулин, продуцируемый клетками кишечной палочки; разрешена к применению в
Европейских странах вакцина для животных, полученная по технологии
рекомбинантных ДНК; разработаны генно-инженерные интерфероны, фактор
некротизации опухоли, интер-лейкин-2, соматотропный гормон человека и др;
1986 - К. Мюллис разработал метод полимеразной цепной реакции (ПЦР);
1988 - началось широкомасштабное производство оборудования и диагностических наборов для ПЦР;
1997 - клонировано первое млекопитающее (овечка Долли) из дифференцированной соматической клетки.
Такие выдающиеся отечественные ученые как Л.С. Ценковский, С.Н. Вышелесский, М.В. Лихачев, Н.Н. Гинзбург, С.Г. Колесов, Я.Р. Коляков, Р.В. Петров, В.В. Кафаров и др. внесли неоценимый вклад в развитие биотехнологии.
Наиболее важные достижения биотехнологии в 4-ом периоде:
1. Разработка интенсивных процессов (вместо экстенсивных) на основе направленных, фундаментальных исследований (с продуцентами антибиотиков, ферментов, аминокислот, витаминов).
2. Получение суперпродуцентов.
3. Создание различных продуктов, необходимых человеку, на основе генноинженерных технологий.
4. Создание необычных организмов, ранее не существовавших в природе.
5. Разработка и внедрение в практику специальной аппаратуры биотехнологических систем.
6. Автоматизация и компьютеризация биотехнологических производственных процессов при максимальном использовании сырья и минимальном потреблении энергии.
Вышеперечисленные достижения биотехнологии реализуются в настоящее время в народное хозяйство и будут внедряться в практику в последующие 10-15 лет. В обозримом будущем будут определены новые краеугольные камни биотехнологии и нас ждут новые открытия и достижения.
1.3. Биосистемы, объекты и методы в биотехнологии
Одним из терминов в биотехнологии является понятие «биосистемы». Обобщенные характеристики биологической (живой) системы могут быть сведены к трём присущим им основным признаками:
1. Живые системы являются гетерогенными открытыми системами, которые обмениваются с окружающей средой веществами и энергией.
2. Эти системы являются самоуправляемыми, саморегулирующими, идактивными, т.е. способными к обмену информацией с окружающей средой для поддержания своей структуры и управления процессами метаболизма.
3. Живые системы являются самовоспроизводящимися (клетки, организмы).
По структуре биосистемы делятся на элементы (подсистемы), связанные между собой, и характеризуются сложной организацией (атомы, молекулы, органеллы, клетки, организмы, популяции, сообщества).
Управление в клетке представляет собой сочетание процессов синтеза молекул белков-ферментов, необходимых для осуществления той или иной функции, и непрерывных процессов изменения активности в ходе взаимодействия триплетных кодов ДНК в ядре и макромолекул в рибосомах. Усиление и торможение ферментативной активности происходит в зависимости от количества начальных и конечных продуктов соответствующих биохимических реакций. Благодаря этой сложной организации биосистемы отличаются от всех неживых объектов.
Поведение биосистемы является совокупностью ее реакций в ответ на внешние воздействия, т.е. наиболее общей задачей управляющих систем живых организмов является сохранение его энергетической основы при изменяющихся условиях внешней среды.
Н.М. Амосов делит все биосистемы на пять иерархических уровней сложности: одноклеточные организмы, многоклеточные организмы, популяции, биогеоценоз и биосферу.
Одноклеточные организмы - это вирусы, бактерии и простейшие. Функции одноклеточных - обмен веществом и энергией со средой, рост и деление, реакции на внешние раздражители в виде изменения обмена и формы движения. Все функции одноклеточных поддерживаются за счет биохимических процессов ферментативной природы и за счет энергетического обмена - начиная от способа получения энергии и до синтеза новых структур или расщепления существующих. Единственным механизмом одноклеточных, обеспечивающим их приспособление к окружающей среде, является механизм изменений в отдельных генах ДНК и, как следствие, изменение белков-ферментов и изменение биохимических реакций.
Основой системного подхода к анализу структур биосистем является ее представление в виде двух компонентов - энергетической и управляющей.
На рис. 1. показана обобщенная принципиальная схема потоков энергии и информации в любой биосистеме. Основным, элементом является энергетическая составляющая, обозначенная через МС (метаболическая система), и управляющая, обозначенная через Р (генетическое и физиологическое управление) и передающая сигналы управления на эффекторы (Э). Одной из главных функций метаболической системы является снабжение биосистем энергией.
Рис. 1. Потоки энергии и информации в биосистеме.
Структура биосистем поддерживается механизмами генетического управления. Получая от остальных систем энергию и информацию в виде продуктов обмена веществ (матаболитов), а в период формирования - в виде гормонов, генетическая система управляет процессом синтеза необходимых веществ и поддерживает жизнедеятельность остальных систем организма, причем процессы в этой системе протекают достаточно медленно.
Несмотря на многообразие биосистем, отношения между их биологическими свойствами остаются инвариантными для всех организмов. В сложной системе возможности к адаптации значительно больше, чем в простой. В простой системе эти функции обеспечиваются малым количеством механизмов, при этом они более чувствительны к изменениям во внешней среде.
Для биосистем характерна качественная неоднородность, проявляющаяся в том, что в рамках одной и той же функциональной биосистемы совместно и слаженно работают подсистемы с качественно различными адекватными управляющими сигналами (химическими, физическими, информационными).
Иерархичность биосистем проявляется в постепенном усложнении функции на одном уровне иерархии и скачкообразном переходе к качественно другой функции на следующем уровне иерархии, а также в специфическом построении различных биосистем, их анализа и управления в такой последовательности, что итоговая выходная функция нижележащего уровня иерархии входит в качестве элемента в вышележащий уровень.
Постоянное приспособление к среде и эволюция невозможны без единства двух противоположных свойств: структурно-функциональной организованности и структурно-функциональной вероятности, стохастичности и изменчивости.
Структурно-функциональная организованность проявляется на всех уровнях биосистем и характеризуется высокой устойчивостью биологического вида и его формы. На уровне макромолекул это свойство обеспечивается репликацией макромолекул, на уровне клетки -делением, на уровне особи и популяции - воспроизведением особей путем размножения.
В качестве биологических объектов или систем, которые использует биотехнология, прежде всего необходимо назвать одноклеточные микроорганизмы, а также животные и растительные клетки. Выбор этих объектов обусловлен следующими моментами:
1. Клетки
являются своего рода «биофабриками», вырабатывающими в процессе жизнедеятельности
разнообразные ценные продукты: белки, жиры, углеводы, витамины,
нуклеиновые кислоты, аминокислоты, антибиотики, гормоны, антитела,
антигены, ферменты, спирты и пр. Многие из этих продуктов, крайне необходимые
в жизни человека, пока недоступны для получения «небиотехнологическими»
способами из-за дефицитности или высокой стоимости сырья
или
же сложности технологических процессов;
2. Клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся. Так, бактериальная клетка делится через каждые 20 - 60 мин, дрожжевая – через каждые 1,5 - 2 ч, животная - через 24 ч, что позволяет за относительно короткое время искусственно нарастить на сравнительно дешёвых и недефицитных питательных средах в промышленных масштабах огромные количества биомассы микробных, животных или растительных клеток. Например, в биореакторе ёмкостью 100 м 3 за 2 – 3 сут можно вырастить 10" 6 - 10 18 микробных клеток. В процессе жизнедеятельности клеток при их выращивании в среду поступает большое количество ценных продуктов, а сами клетки представляют собой кладовые этих продуктов;
3. Биосинтез сложных веществ, таких как белки,
антибиотики, антигены, антитела и др. значительно экономичнее и
технологически доступнее, чем химический синтез. При этом исходное
сырьё для биосинтеза, как правило, проще и доступнее, чем сырьё для других
видов
синтеза. Для биосинтеза используют отходы сельскохозяйственной, рыбной
продукции, пищевой промышленности, растительное сырьё (молочная сыворотка,
дрожжи, древесина, меласса и др.)
4. Возможность проведения биотехнологического процесса в промышленных масштабах, т.е. наличие соответствующего технологического оборудования, доступность сырья, технологии переработки и т.д.
Таким образом, природа дала в руки исследователям живую систему, содержащую и синтезирующую уникальные компоненты, и, в первую очередь, нуклеиновые кислоты, с открытием которых и начала бурно развиваться биотехнология и мировая наука в целом.
Объектами биотехнологии являются вирусы, бактерии, грибы, протозойные организмы, клетки (ткани) растений, животных и человека, вещества биологического происхождения (например, ферменты, простагландины, лектины, нуклеиновые кислоты), молекулы.
В этой связи можно сказать, что объекты биотехнологии относятся либо к микроорганизмам, либо к растительным и животным клеткам. В свою очередь организм можно охарактеризовать как систему экономного, сложнейшего, компактного, целенаправленного синтеза, устойчиво и активно протекающего при оптимальном поддержании всех необходимых параметров.
Методы, применяемые в биотехнологии, определяются двумя уровнями: клеточным и молекулярным. Тот и другой определяются биобъектами.
В первом случае дело имеют с бактериальными клетками (для получения вакцинных препаратов), актиномицетов (при получении антибиотиков), микромицетов (при получении лимонной кислоты), животных клеток (при изготовлении противовирусных вакцин), клеток человека (при изготовлении интерферона) и др.
Во втором случае дело имеют с молекулами, например с нуклеиновыми кислотами. Однако в конечной стадии молекулярный уровень трансформируется в клеточный. Клетки животных и растений, микробные клетки в процессе жизнедеятельности (ассимиляции и диссимиляции) образуют новые продукты и выделяют метаболиты разнообразного физико-химического состава и биологического действия.
При росте клетки в ней осуществляется огромное число катализируемых ферментами реакций, в результате которых образуются промежуточные соединения, которые в свою очередь превращаются в структуры клетки. К промежуточным соединениям, к строительным «кирпичикам» относятся 20 аминокислот, 4 рибонуклеотида, 4 дезоксирибонуклеотида, 10 витаминов, моносахара, жирные кислоты, гексозамины. Из этих «кирпичиков» строятся «блоки»: примерно 2000 белков, ДНК, три типа РНК, полисахариды, липиды, ферменты. Образующиеся «блоки» идут на строительство клеточных структур: ядро, рибосомы, мембрана, клеточная стенка, митохондрии, жгутики и пр., из которых состоит клетка.
На каждой стадии «биологического синтеза» клетки можно определить те продукты, которые могут быть использованы в биотехнологии.
Обычно продукты одноклеточных делят на 4 категории:
а) сами клетки как источник целевого продукта. Например, выращенные бактерии или вирусы используют для получения живой или убитой корпускулярной вакцины; дрожжи, как кормовой белок или основу для получения гидролизатов питательных сред и т.д.;
б) крупные молекулы, которые синтезируются клетками в процессе выращивания: ферменты, токсины, антигены, антитела, пептидогликаны и др.;
в) первичные метаболиты - низкомолекулярные вещества (менее 1500 дальтон), необходимые для роста клеток, такие как аминокислоты, витамины, нуклеотиды, органические кислоты;
г) вторичные метаболиты (идиолиты) - низкомолекулярные соединения, не требующиеся для роста клеток: антибиотики, алкалоиды, токсины, гормоны.
Все микрообъекты, используемые в биотехнологии, относят к акариотам, про- или к эукариотам. Из группы эукариот, например, оперирует в качестве биообъектов клетками простейших, водорослей и грибов, из группы прокариот - клетками сине-зеленых водорослей и бактерий, акариот – вирусами.
Биообъекты из микромира варьируют в размерах от нанометров (вирусы, бактериофаги) до миллиметров и сантиметров (гигантские водоросли) и характеризуются относительно быстрым темпом размножения. В современной Фарминдустрии используется гигантская гамма биообъектов, группировка которых весьма сложна и лучше всего может быть выполнена на основе принципа их соразмерности.
Огромная совокупность биобъектов не исчерпывает всей элементной базы, которой оперирует биотехнология. Последние успехи биологии и генной инженерии привели к появлению совершенно новых биообъектов – трансгенных (генетически-модифицированных) бактерий, вирусов, грибов, клеток растений, животных, человека и химер.
Несмотря на то, что представители всех надцарств содержат генетический материал, различные акариоты лишены какого-либо одного типа нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК). Они не способны функционировать (в том числе - реплицироваться) вне живой клетки, и, следовательно, правомочно именовать их безъядерными. Паразитизм вирусов развивается на генетическом уровне.
При целенаправленном обследовании различных экологических ниш выявляются все новые группы микроорганизмов-продуцентов полезных веществ, которые могут быть использованы в биотехнологии. Количество видов микроорганизмов, используемых в биотехнологии, постоянно растет.
При выборе биологического объекта во всех случаях нужно соблюдать принцип технологичности. Так, если в течение многочисленных циклов культивирования свойства биологического объекта не сохраняются или претерпевают существенные изменения, то данный биологический объект следует признать нетехнологичным, т.е. неприемлемым для следующих после стадии лабораторных исследований технологических разработок.
С развитием биотехнологии огромное значение приобретают специализированные банки биологических объектов, в частности коллекции микроорганизмов с изученными свойствами, а также криобанки клеток животных и растений, которые уже сейчас с помощью специальных методов могут быть с успехом использованы для конструирования новых, полезных для биотехнологии организмов. По сути дела, такие специализированные банки культур ответственны за сохранение чрезвычайно ценного генофонда.
Коллекции культур играют важную роль в процедуре правовой защиты новых культур и в стандартизации биотехнологических процессов. В коллекциях проводится сохранение, поддержание и обеспечение микроорганизмов штаммами, плазмидами, фагами, линиями клеток как для научных и прикладных исследований, так для и соответствующих производств. Коллекции культур кроме основной задачи - обеспечения жизнеспособности и сохранения генетических свойств штаммов - содействуют развитию научных исследований (в области таксономии, цитологии, физиологии), а также служат целям обучения. Они выполняют незаменимую функцию в качестве депозитариев патентуемых штаммов. Согласно международным правилам, патентоваться и депозитироваться могут не только эффективные продуценты, но и культуры, используемые в генетической инженерии.
Большое внимание ученые уделяют целенаправленному созданию новых, не существующих в природе биологических объектов. В первую очередь, следует отметить создание новых клеток микроорганизмов, растений, животных методами генетической инженерии. Созданию новых биологических объектов, безусловно, способствует совершенствование правовой охраны изобретений в области генетической инженерии и биотехнологии в целом. Сформировалось направление, занимающееся конструированием искусственных клеток. В настоящее время существуют методы, позволяющие получить искусственные клетки с использованием различных синтетических и биологических материалов, например искусственной клеточной мембраны с заданной проницаемостью и поверхностными свойствами. Некоторые материалы могут быть заключены внутри таких клеток: ферментные системы, клеточные экстракты, биологические клетки, магнитные материалы, изотопы, антитела, антигены, гормоны и др. Применение искусственных клеток дало положительные результаты в производстве интерферонов и моноклональных антител, при создании иммуносорбентов и др.
Разрабатываются подходы к созданию искусственных ферментов и аналогов ферментов, обладающих повышенной стабильностью и активностью. Например, проводится синтез полипептидов желаемой стереоконфигурации, ведутся поиски методов направленного мутагенеза с целью замены одной аминокислоты на другую в молекуле фермента. Делаются попытки построения неферментных каталитических моделей.
Как наиболее перспективные следует выделить следующие группы биологических объектов:
Рекомбинанты, т.е. организмы, полученные методами генетической инженерии;
Растительные и животные тканевые клетки;
Термофильные микроорганизмы и ферменты;
Анаэробные организмы;
Ассоциации для превращения сложных субстратов;
Иммобилизованные биологические объекты.
Процесс искусственного создания биологического объекта (микроорганизма, или тканевой клетки) состоит в изменении его генетической информации с целью исключить нежелательные и усилить нужные свойства или придать ему совершенно новые качества. Наиболее целенаправленные изменения можно выполнить путем рекомбинаций - перераспределяя гены или части генов и объединяя в одном организме генетическую информацию от двух и более организмов. Получение рекомбинантных организмов, в частности, можно осуществить методом слияния протопластов, путем переноса природных плазмид и методами генной инженерии.
К нетрадиционным биологическим агентам на данном этапе развития биотехнологии относятся растительные и животные тканевые клетки, в том числе гибридомы, трансплантаты. Культуры клеток млекопитающих уже сейчас являются продуцентами интерферона и вирусных вакцин, в недалеком будущем осуществится крупномасштабное получение моноклональных антител, поверхностных антигенов клеток человека, ангиогенных факторов.
С развитием методов биотехнологии все большее внимание будет уделяться использованию термофильных микроорганизмов и их ферментов.
Ферменты, продуцируемые термофильными микроорганизмами, характеризуются термостабильностью и более высокой устойчивостью к денатурации по сравнению с ферментами из мезофилов. Проведение биотехнологических процессов при повышенной температуре с использованием ферментов термофильных микроорганизмов обладает рядом достоинств:
1) увеличивается скорость реакции;
2) повышается растворимость реактивов и за счет этого - продуктивность процесса;
3) уменьшается возможность микробного заражения реакционной среды.
Наблюдается возрождение биотехнологических процессов с использованием анаэробных микроорганизмов, которые нередко являются также термофильными. Анаэробные процессы привлекают внимание исследователей в связи с недостатком энергии и возможностью получения биогаза. Так как при анаэробном культивировании не нужна аэрация среды и биохимические процессы менее интенсивны, упрощается система теплоотвода, анаэробные процессы можно рассматривать как энергосберегающие.
Анаэробные микроорганизмы успешно используются для переработки отходов (биомассы растений, отходов пищевой промышленности, бытовых отходов и др.) и стоков (бытовые и промышленные стоки, навоз) в биогаз.
В последние годы расширяется применение смешанных культур микроорганизмов и их природных ассоциаций. В реальной биологической ситуации в природе микроорганизмы существуют в виде сообществ различных популяций, тесно связанных между собой и осуществляющих круговорот веществ в природе.
Основные преимущества смешанных культур по сравнению с монокультурами следующие:
Способность утилизировать сложные, неоднородные по составу субстраты, зачастую непригодные для монокультур;
Способность к минерализации сложных органических соединений;
Повышенная способность к биотрансформации органических веществ;
Повышенная устойчивость к токсичным веществам, в том числе тяжелым металлам;
Повышенная устойчивость к воздействию окружающей среды;
Повышенная продуктивность;
Возможный обмен генетической информацией между отдельными видами сообщества.
Следует особо выделить такую группу биологических объектов, как ферменты-катализаторы биологического происхождения, изучением которых в прикладном аспекте занимается инженерная энзимология. Основная ее задача - разработка биотехнологических процессов, в которых используется каталитическое действие энзимов, как правило, выделенных из состава биологических систем или находящихся внутри клеток, искусственно лишенных способности роста. Благодаря ферментам скорость реакций по сравнению с реакциями, протекающими в отсутствие этих катализаторов, возрастает в 10 б - 10 12 раз.
Как отдельную отрасль создания и использования биологических объектов следует выделить иммобилизованные биологические объекты. Иммобилизованный объект представляет собой гармоничную систему, действие которой в целом определяется правильным подбором трех основных компонентов: биологического объекта, носителя и способа связывания объекта с носителем.
В основном используются следующие группы методов мобилизации биологических объектов:
Включение в гели, микрокапсулы;
Адсорбция на нерастворимых носителях;
Ковалентное связывание с носителем;
Сшивка бифункциональными реагентами без использования носителя;
- «самоагрегация» в случае интактных клеток.
Основными преимуществами использования иммобилизованных биологических объектов являются:
Высокая активность;
Возможность контроля за микроокружением агента;
возможность полного и быстрого отделения целевых продуктов;
Возможность организации непрерывных процессов с многократным использованием объекта.
Как следует из вышеизложенного, в биотехнологичиеских процессах возможно использование ряда биологических объектов, характеризующихся различными уровнями сложности биологической регуляции, например клеточным, субклеточным, молекулярным. От особенностей конкретного биологического объекта самым непосредственным образом зависит подход к созданию всей биотехнологической системы в целом.
В результате фундаментальных биологических исследований углубляются и расширяются знания о природе и, тем самым, о возможностях прикладного использования той или иной биологической системы в качестве активного начала биотехнологического процесса. Набор биологических объектов непрерывно пополняется.
1.4. Основные направления развития методов биотехнологии в ветеринарии
За последние 40 - 50 лет произошло скачкообразное развитие большинства наук, что привело к форменной революции в производстве ветеринарных и медицинских биопрепаратов, созданию трансгенных растений и животных с заданными уникальными свойствами. Подобные исследования являются приоритетными направлениями научно-технического прогресса и в XXI в. займут ведущее место среди всех наук.
Даже простое перечисление товарных форм биопрепаратов указывает на неограниченные возможности биотехнологии. Однако этот важный вопрос заслуживает некоторой детализации.
На наш взгляд, возможности биотехнологии особенно впечатляющи в трех основных направлениях.
Первое - это крупнотоннажное производство микробного белка для кормовых целей (вначале - на основе гидролизатов древесины, а затем - на основе углеводородов нефти).
Важную роль играет производство незаменимых аминокислот, необходимых для сбалансированности по аминокислотному составу кормовых добавок.
Кроме кормового белка, аминокислот, витаминов и других кормовых добавок, увеличивающих питательную ценность кормов, быстро расширяются возможности массового производства и применения вирусных и бактериальных препаратов для профилактики болезней птиц и сельскохозяйственных животных, для эффективной борьбы с вредителями сельскохозяйственных растений. Микробиологические препараты, в отличие от многих химических, обладают высокой специфичностью действия на вредных насекомых и фитопатогенные микроорганизмы, они безвредны для человека и животных, птиц и полезных насекомых. Наряду с прямым уничтожением вредителей в период обработки они действуют на потомство, снижая его плодовитость, не вызывают образования устойчивых форм вредных организмов.
Огромны возможности биотехнологии в области производства ферментных препаратов для переработки сельскохозяйственного сырья, создания новых кормов для животноводства.
Второе направление - разработки в интересах развития биологической науки, здравоохранения и ветеринарии. На основе достижений генной инженерии и молекулярной биологии биотехнология может обеспечить здравоохранение высокоэффективными вакцинами и антибиотиками, моноклональными антителами, интерфероном, витаминами, аминокислотами, а также ферментами и другими биопрепаратами для исследовательских и лечебных целей. Некоторые из этих препаратов уже сегодня с успехом применяются не только в научных экспериментах, но и в практической медицине и ветеринарии.
Наконец, третье направление - разработки для промышленности. Уже сегодня продукцию биотехнологических производств потребляют или применяют пищевая и легкая промышленность (ферменты), металлургия (использование некоторых веществ в процессах флотации, точного литья, прецизионного проката), нефтегазовая промышленность (использование ряда препаратов комплексной переработки растительных и микробных биомасс при бурении скважин, при селективной очистке и др.), резиновая и лакокрасочная промышленность (улучшение качества синтетического каучука за счет некоторых белковых добавок), а также ряд других производств.
К числу активно разрабатываемых направлений биотехнологии относятся биоэлектроника и биоэлектрохимия, бионика, нанотехнология, в которых используются либо биологические системы, либо принципы действия таких систем.
Широко в научных исследованиях применяются ферментсодержащие датчики. На их основе разработан ряд устройств, например, дешевые, точные и надежные приборы для проведения анализов. Появляются и биоэлектронные иммуносенсоры, причем в некоторых из них используется полевой эффект транзисторов. На их основе предполагается создавать относительно дешевые приборы, способные определять и поддерживать на заданном уровне концентрацию широкого круга веществ в жидкостях тела, что может вызвать переворот в биологической диагностике.
Достижения ветеринарной биотехнологии. В России биотехнология как наука начала развиваться с 1896 г. Толчком послужила необходимость создавать профилактические и терапевтические средства против таких болезней как сибирская язва, чума крупного рогатого скота, бешенство, ящур, трихинеллез. В конце XIX в. ежегодно от сибирской язвы гибло более 50 тыс. животных и 20 тыс. людей. За 1881 - 1906 гг. от чумы пало 3,5 млн коров. Значительный ущерб наносил сап, от которого гибло конское поголовье и люди.
Успехи отечественной ветеринарной науки и практики в проведении специфической профилактики инфекционных болезней связаны с крупными научными открытиями, сделанными в конце XIX и начале XX столетий. Это касалось разработки и внедрения в ветеринарную практику профилактических и диагностических препаратов при карантинных и особо опасных болезнях животных (вакцины против сибирской язвы, чумы, бешенства, аллергенов для диагностики туберкулеза, сапа и др). Была научно доказана возможность приготовления лечебных и диагностических гипериммунных сывороток.
На этот период приходится фактическая организация в России самостоятельной биологической промышленности.
С 1930 г. существующие в России ветеринарные бактериологические лаборатории и институты стали существенно расширяться, и на их базе было начато строительство крупных биологических фабрик и биокомбинатов по производству вакцин, сывороток, диагностикумов для ветеринарных целей. В этот период разрабатываются технологические процессы, научно-технологическая документация, а также единые методы (стандарты) изготовления, контроля и применения препаратов в животноводстве и ветеринарии.
В 30-е годы были построены первые заводы по получению кормовых дрожжей на гидролизатах древесины, сельскохозяйственных отходах и сульфитных щелоках под руководством В.Н.Шапошникова. Успешно внедрена технология микробиологического производства ацетона и бутанола (рис. 2).
Большую роль в создание основ отечественной биотехнологии внесло его учение двухфазном характере брожения. В 1926 г. в СССР были исследованы биоэнергетические закономерности окисления углеводородов микроорганизмами. В последующие годы биотехнологические разработки широко использовались в нашей стране для расширения «ассортимента» антибиотиков для медицины и животноводства, ферментов, витаминов, ростовых веществ, пестицидов.
С момента создания в 1963 г. Всесоюзного научно-исследовательского института биосинтеза белковых веществ в нашей стране налаживается крупнотоннажное производство богатой белками биомассы микроорганизмов как корма.
В 1966 г. микробиологическая промышленность была выделена в отдельную отрасль и создано Главное управление микробиологической промышленности при Совете Министров СССР - Главмикробиопром.
С 1970 г. в нашей стране ведутся интенсивные исследования по селекции культур микроорганизмов для непрерывного культивирования в промышленных целях.
В разработку генно-инженерных методов советские исследователи включились в 1972 г. Следует указать на успешное осуществление в СССР проекта «Ревертаза» - получение в промышленных масштабах фермента «обратной транскриптазы».
Развитие методов изучения структуры белков, выяснение механизмов функционирования и регуляции активности ферментов открыли путь к направленной модификации белков и привели к рождению инженерной энзимологии. Иммобилизованные ферменты, обладающие высокой стабильностью, становятся мощным инструментом для осуществления каталитических реакций в различных отраслях промышленности.
Все эти достижения поставили биотехнологию на новый уровень, качественно отличающийся от прежнего возможностью сознательно управлять клеточными процессами биосинтеза.
За годы становления промышленного производства биологических препаратов в нашей стране произошли существенные качественные изменения биотехнологических приемов их получения:
Проведены исследования по получению стойких, с наследственно закрепленными свойствами, авирулентных штаммов микроорганизмов, из которых готовят живые вакцины;
Разработаны новые питательные среды для культивирования микроорганизмов, в том числе и на основе гидролизатов и экстрактов из сырья непищевого назначения;
Получены высококачественные сывороточные питательные среды для лептоспир и других трудно культивируемых микроорганизмов;
Разработан глубинный реакторный способ культивирования многих видов бактерий, грибов и некоторых вирусов;
Получены новые штаммы и линии клеток, чувствительных ко многим вирусам, что обеспечило приготовление и получение стандартных и более активных противовирусных вакцин;
Механизированы и автоматизированы все процессы производства;
Разработаны и внедрены в производство современные методы концентрирования культур микроорганизмов и сублимационной сушки биопрепаратов;
Снижены энергозатраты на получение единицы продукции, стандартизировано и улучшено качество биопрепаратов;
Повышена культура производства биопрепаратов.
Уделяя большое внимание разработкам ветеринарных биопрепаратов дня профилактики, диагностики инфекционных болезней и лечения больных животных, в нашей стране постоянно ведется работа по совершенствованию промышленной технологии, освоению производства более эффективных, дешевых и стандартных препаратов. При этом основными требованиями являются:
Использование мирового опыта;
Экономия ресурсов;
Сохранение производственных площадей;
Приобретение и монтаж современного оборудования и технологических линий;
Проведение научных исследований по разработке и изысканию новых видов биопродуктов, новых и дешевых рецептов приготовления питательных сред;
Изыскание более активных штаммов микроорганизмов в отношении их антигенных, иммуногенных и продуктивных свойств.
Федеральное государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологий им. К.И.Скрябиан»
Реферат по биотехнологии
«Лекция № 1»
Работу выполнила
Студентка ФВМ
4 курса, 11 группы
Гордон Мария