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

Знаете ли вы, что такое биотехнология? Наверняка вы кое-что о ней слышали. Это важный раздел современной биологии. Она стала, как и физика, одним из основных приоритетов в мировой экономике и науке в конце 20 века. Еще полвека назад никто не знал, что такое биотехнология. Однако основы ее заложил ученый, живший еще в 19 веке. Биотехнология получила мощный толчок к развитию благодаря работам исследователя из Франции Луи Пастера (годы жизни - 1822-1895). Он является основоположником современной иммунологии и микробиологии.

В 20 веке бурно развивалась генетика и молекулярная биология с использованием достижений физики и химии. В это время важнейшим направлением была разработка методов, с помощью которых можно было бы культивировать клетки животных и растений.

Всплеск исследований

В 1980 годах произошел всплеск исследований в области биотехнологии. К этому времени были созданы новые методические и методологические подходы, которые обеспечили переход к применению биотехнологий в науке и практике. Появилась возможность извлечь из этого большой Согласно прогнозам, биотехнологические товары должны были составить уже в начале нового века четверть мировой продукции.

Работа, осуществленная в нашей стране

Активное развитие биотехнологии происходило в это время и в нашей стране. В России также было достигнуто значительно расширение работ в этой области и внедрение в производство их результатов в 1980 годы. В нашей стране в этот период была разработана и осуществлялась первая программа по биотехнологии общенационального масштаба. Были созданы специальные межведомственные центры, подготовлены специалисты-биотехнологи, основаны кафедры и сформированы лаборатории в вузах и научно-исследовательских учреждениях.

Биотехнология сегодня

Сегодня мы настолько привыкли к этому слову, что мало кто задает себе вопрос: "Что такое биотехнология?" А между тем познакомиться с ней подробнее было бы совсем не лишним. Современные процессы в этой области основаны на методах использования рекомбинантных ДНК и клеточных органелл или клеток. Современная биотехнология является наукой о клеточных и генноинженерных технологиях и методах создания и применения трансформированных генетически биологических объектов с целью интенсификации производства либо создания новых видов продуктов. Выделяются три основные направления, о которых мы сейчас расскажем.

Промышленная биотехнология

В этом направлении можно выделить как разновидность красную Она считается самой важной сферой применения биотехнологий. Все большую роль они играют при разработке медикаментов (в частности, для лечения рака). Большое значение биотехнологии имеют также в диагностике. Они применяются, например, при создании биосенсоров, чипов ДНК. В Австрии красная биотехнология сегодня пользуется заслуженным признанием. Она даже считается двигателем развития остальных отраслей.

Переходим к следующей разновидности промышленной биотехнологии. Это биотехнология зеленая. Она используется, когда осуществляется селекция. Биотехнология эта предоставляет сегодня особые методы, с помощью которых разрабатываются средства противодействия против гербицидов, вирусов, грибков, насекомых. Все это также очень важно, согласитесь.

Для области зеленой биотехнологии особое значение имеет генная инженерия. С помощью нее создаются предпосылки для переноса генов одного вида растений на другие, и таким образом ученые могут влиять на развитие устойчивых характеристик и свойств.

Серая биотехнология используется для охраны окружающей среды. Ее методы применяются для очистки канализационных стоков, санации почв, очистки газов и отработанного воздуха, для переработки отходов.

Но и это еще не все. Существует и белая биотехнология, которая охватывает сферу использования в химической промышленности. Биотехнологические методы в данном случае применяются для безопасного с экологической точки зрения и эффективного производства ферментов, антибиотиков, аминокислот, витаминов, а также алкоголя.

И наконец, последняя разновидность. Синяя биотехнология основана на техническом применении различных организмов, а также процессов морской биологии. В этом случае в центре исследований - биологические организмы, населяющие Мировой океан.

Переходим к следующему направлению - клеточной инженерии.

Клеточная инженерия

Она занимается получением гибридов, клонированием, изучением клеточных механизмов, "гибридными" клетками, составлением генетических карт. Начало ее относят к 1960 годам, когда появился метод гибридизации Уже были усовершенствованы к этому времени способы культивирования, возникли и способы выращивания тканей. Соматическую гибридизацию, при которой гибриды создаются без участия полового процесса, сегодня проводят, культивируя различные клетки линий одного вида или используя клетки разных видов.

Гибридомы и их значение

Гибридомы, то есть гибриды между лимфоцитами (обычными клетками иммунной системы) и опухолевыми, обладают свойствами клеточных линий родителей. Они способны, подобно раковым, делиться неограниченно долго на питательных искусственных средах (то есть являются "бессмертными"), а также могут, подобно лимфоцитам, вырабатывать однородные обладающие определенной специфичностью. Эти антитела используются в диагностических и лечебных целях, как чувствительные реагенты на органические вещества и др.

Еще одним направлением клеточной инженерии являются манипуляции с клетками, не имеющими ядер, со свободными ядрами, а также с иными фрагментами. Эти манипуляции сводятся к комбинированию частей клетки. Подобные эксперименты вместе с микроинъекциями красителей или хромосом в клетку проводят, чтобы выяснить, как цитоплазма и ядро влияют друг на друга, какие факторы регулируют активность тех или иных генов и проч.

С помощью соединения на ранних стадиях развития клеток различных зародышей выращивают так называемых мозаичных животных. Иначе их именуют химерами. Они состоят из 2-х видов клеток, различающихся генотипами. Путем данных экспериментов выясняют, как в ходе развития организма происходит дифференцировка тканей и клеток.

Клонирование

Современные биотехнологии немыслимы без клонирования. Опыты, связанные с пересадкой ядер различных соматических клеток в энуклеированные (то есть лишенные ядра) яйцеклетки животных с дальнейшим выращиванием во взрослый организм получившегося зародыша ведутся уже не одно десятилетие. Однако они получили очень широкую известность с конца 20 века. Сегодня мы называем такие опыты клонированием животных.

Мало кому не знакома сегодня овечка Долли. В 1996 году около Эдинбурга (Шотландия) в Рослинском институте было осуществлено первое клонирование млекопитающего, которое осуществилось из клетки взрослого организма. Именно овечка Долли стала первым таким клоном.

Генная инженерия

Появившись в начале 1970 годов, сегодня добилась значительных успехов. Ее методы преобразуют клетки млекопитающих, дрожжей, бактерий в настоящие "фабрики" для производства любого белка. Такое достижение науки предоставляет возможность детально изучить функции и структуру белков для того, чтобы использовать их как лекарственные средства.

Основы биотехнологии сегодня широко применяются. Кишечная палочка, например, стала в наше время поставщиком важных гормонов соматотропина и инсулина. Прикладная генная инженерия ставит перед собой цель конструирования рекомбинантных молекул ДНК. При внедрении в определенный генетический аппарат они могут придавать организму полезные для человека свойства. К примеру, можно получать "биологические реакторы", то есть животные, растения и микроорганизмы, которые продуцировали бы вещества, фармакологически важные для человека. Достижения биотехнологии привели к возможности выведения пород животных и сортов растений с признаками, ценными для людей. С помощью методов генной инженерии можно осуществлять генетическую паспортизацию, создавать ДНК-вакцины, диагностировать различные генетические заболевания и др.

Заключение

Итак, мы ответили на вопрос: "Что такое биотехнология?" Конечно, в статье приведены лишь основные сведения о ней, кратко перечислены направления. Эта ознакомительная информация дает общее представление о том, какие существуют современные биотехнологии и как они используются.

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.

Учебник соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту среднего (полного) общего образования, рекомендован Министерством образования и науки РФ и включен в Федеральный перечень учебников.

Учебник адресован учащимся 10 класса и рассчитан на преподавание предмета 1 или 2 часа в неделю.

Современное оформление, многоуровневые вопросы и задания, дополнительная информация и возможность параллельной работы с электронным приложением способствуют эффективному усвоению учебного материала.

Какое значение для промышленности и сельского хозяйства имеет селекция микроорганизмов?

Биотехнология – это использование организмов, биологических систем или биологических процессов в промышленном производстве. Термин «биотехнология» получил широкое распространение с середины 70-х гг. XX в., хотя ещё с незапамятных времён человечество использовало микроорганизмы в хлебопечении и виноделии, при производстве пива и в сыроварении. Любое производство, в основе которого лежит биологический процесс, можно рассматривать как биотехнологию. Генная, хромосомная и клеточная инженерия, клонирование сельскохозяйственных растений и животных – это различные аспекты современной биотехнологии.

Биотехнология позволяет не только получать важные для человека продукты, например антибиотики и гормон роста, этиловый спирт и кефир, но и создавать организмы с заранее заданными свойствами гораздо быстрее, чем с помощью традиционных методов селекции. Существуют биотехнологические процессы по очистке сточных вод, переработке отходов, удалению нефтяных разливов в водоёмах, получению топлива. Эти технологии основаны на особенностях жизнедеятельности некоторых микроорганизмов.

Появляющиеся современные биотехнологии изменяют наше общество, открывают новые возможности, но одновременно создают определённые социальные и этические проблемы.

Генная инженерия. Удобными объектами биотехнологии являются микроорганизмы, имеющие сравнительно просто организованный геном, короткий жизненный цикл и обладающие большим разнообразием физиологических и биохимических свойств.

Одной из причин сахарного диабета является недостаток в организме инсулина – гормона поджелудочной железы. Инъекции инсулина, выделенного из поджелудочных желез свиней и крупного рогатого скота, спасают миллионы жизней, однако у некоторых пациентов приводят к развитию аллергических реакций. Оптимальным решением было бы использование человеческого инсулина. Методами генной инженерии ген инсулина человека был встроен в ДНК кишечной палочки. Бактерия начала активно синтезировать инсулин. В 1982 г. инсулин человека стал первым фармацевтическим препаратом, полученным с помощью методов генной инженерии.

Рис. 107. Страны, выращивающие трансгенные растения. Практически всю площадь посевов трансгенных культур занимают генетически модифицированные сорта четырёх растений: сои (62 %), кукурузы (24 %), хлопчатника (9 %) и рапса (4 %). Уже созданы сорта трансгенного картофеля, помидоров, риса, табака, свёклы и других культур

Аналогичным способом в настоящее время получают гормон роста. Человеческий ген, встроенный в геном бактерий, обеспечивает синтез гормона, инъекции которого используются при лечении карликовости и восстанавливают рост больных детей почти до нормального уровня.

Так же как у бактерий, с помощью методов генной инженерии можно изменять и наследственный материал эукариотических организмов. Такие генетически перестроенные организмы называют трансгенными или генетически модифицированными организмами (ГМО).

В природе существует бактерия, которая выделяет токсин, убивающий многих вредных насекомых. Ген, отвечающий за синтез этого токсина, был выделен из генома бактерии и встроен в геном культурных растений. К настоящему времени уже созданы устойчивые к вредителям сорта кукурузы, риса, картофеля и других сельскохозяйственных растений. Выращивание таких трансгенных растений, которые не требуют использования пестицидов, имеет огромные преимущества, потому что, во-первых, пестициды убивают не только вредных, но и полезных насекомых, а во-вторых, многие пестициды накапливаются в окружающей среде и оказывают мутагенное влияние на живые организмы (рис. 107).

Один из первых успешных экспериментов по созданию генетически модифицированных животных был произведён на мышах, в геном которых был встроен ген гормона роста крыс. В результате трансгенные мыши росли гораздо быстрее и в итоге были в два раза больше обычных мышей. Если этот опыт имел исключительно теоретическое значение, то эксперименты в Канаде имели уже явное практическое применение. Канадские учёные ввели в наследственный материал лосося ген другой рыбы, который активировал ген гормона роста. Это привело к тому, что лосось рос в 10 раз быстрее и набирал вес, в несколько раз превышающий норму.

Клонирование. Создание многочисленных генетических копий одного индивидуума с помощью бесполого размножения называют клонированием . У ряда организмов этот процесс может происходить естественным путём, вспомните вегетативное размножение у растений и фрагментацию у некоторых животных (). Если у морской звезды случайно оторвётся кусочек луча, из него образуется новый полноценный организм (рис. 108). У позвоночных животных этот процесс естественным путём не происходит.

Впервые успешный эксперимент по клонированию животных был осуществлён исследователем Гёрдоном в конце 60-х гг. XX в. в Оксфордском университете. Учёный пересадил ядро, взятое из клетки эпителия кишки лягушки-альбиноса, в неоплодотворённую яйцеклетку обычной лягушки, чьё ядро перед этим было разрушено. Из такой яйцеклетки учёному удалось вырастить головастика, превратившегося затем в лягушку, которая была точной копией лягушки-альбиноса. Таким образом, впервые было показано, что информации, содержащейся в ядре любой клетки, достаточно для развития полноценного организма.

Рис. 108. Регенерация морской звезды из одного луча

В дальнейшем исследования, проведённые в Шотландии в 1996 г., привели к успешному клонированию овцы Долли из клетки эпителия молочной железы матери (рис. 109).

Клонирование представляется перспективным методом в животноводстве. Например, при разведении крупного рогатого скота используется следующий приём. На ранней стадии развития, когда клетки эмбриона ещё не специализированы, зародыш разделяют на несколько частей. Из каждого фрагмента, помещённого в приёмную (суррогатную) мать, может развиться полноценный телёнок. Таким способом можно создать множество идентичных копий одного животного, обладающего ценными качествами.

Для специальных целей можно также клонировать отдельные клетки, создавая культуры тканей, которые в подходящих средах способны расти бесконечно долго. Клонированные клетки служат заменой лабораторным животным, так как на них можно изучать воздействие на живые организмы различных химических веществ, например лекарственных препаратов.

При клонировании растений используется уникальная особенность растительных клеток. В начале 60-х гг. XX в. впервые было показано, что клетки растений, даже после достижения зрелости и специализации, в подходящих условиях способны давать начало целому растению (рис. 110). Поэтому современные методы клеточной инженерии позволяют осуществлять селекцию растений на клеточном уровне, т. е. отбирать не взрослые растения, обладающие теми или иными свойствами, а клетки, из которых потом выращивают полноценные растения.

Рис. 109. Клонирование овцы Долли

Этические аспекты развития биотехнологии. Использование современных биотехнологий ставит перед человечеством много серьёзных вопросов. Не может ли ген, встроенный в трансгенные растения томата, при съедании плодов мигрировать и встраиваться в геном, например, бактерий, живущих в кишечнике человека? Не может ли трансгенное культурное растение, устойчивое к гербицидам, болезням, засухе и другим стрессовым факторам, при перекрёстном опылении с родственными дикими растениями передать эти же свойства сорнякам? Не получатся ли при этом «суперсорняки», которые очень быстро заселят сельскохозяйственные земли? Не попадут ли случайно мальки гигантского лосося в открытое море и не нарушит ли это баланс в природной популяции? Способен ли организм трансгенных животных выдержать ту нагрузку, которая возникает в связи с функционированием чужеродных генов? И имеет ли право человек переделывать живые организмы ради собственного блага?

Эти и многие другие вопросы, связанные с созданием генетически модифицированных организмов, широко обсуждаются специалистами и общественностью всего мира. Созданные во всех странах специальные контролирующие органы и комиссии утверждают, что, несмотря на существующие опасения, вредного воздействия ГМО на природу зафиксировано не было.

Рис. 110. Этапы клонирования растений (на примере моркови)

В 1996 г. Совет Европы принял Конвенцию о правах человека при использовании геномных технологий в медицине. Основное внимание в документе уделено этике применения таких технологий. Утверждается, что ни одна личность не может быть подвергнута дискриминации на основе информации об особенностях её генома.

Введение в клетки человека чужеродного генетического материала может иметь отрицательные последствия. Неконтролируемое встраивание чужой ДНК в те или иные участки генома может привести к нарушению работы генов. Риск использования генотерапии при работе с половыми клетками гораздо выше, чем при использовании соматических клеток. При внесении генетических конструкций в половые клетки может возникнуть нежелательное изменение генома будущих поколений. Поэтому в международных документах ЮНЕСКО, Совета Европы, Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) подчёркивается, что всякое изменение генома человека может производиться лишь на соматических клетках.

Но, пожалуй, наиболее серьёзные вопросы возникают в связи с теоретически возможным клонированием человека. Исследования в области человеческого клонирования сегодня запрещены во всех странах в первую очередь по этическим соображениям. Становление человека как личности базируется не только на наследственности. Оно определяется семейной, социальной и культурной средой, поэтому при любом клонировании воссоздать личность невозможно, как невозможно воспроизвести все те условия воспитания и обучения, которые сформировали личность его прототипа (донора ядра). Все крупные религиозные конфессии мира осуждают любое вмешательство в процесс воспроизводства человека, настаивая на том, что зачатие и рождение должны происходить естественным путём.

Эксперименты по клонированию животных поставили перед научной общественностью ряд серьёзных вопросов, от решения которых зависит дальнейшее развитие этой области науки. Овечка Долли не была единственным клоном, полученным шотландскими учёными. Клонов было несколько десятков, а в живых осталась только Долли. В последние годы совершенствование техники клонирования позволило увеличить процент выживших клонов, но их смертность всё ещё очень высока. Однако существует проблема, ещё более серьёзная с научной точки зрения. Несмотря на победное рождение Долли, остался неясным её реальный биологический возраст, связанные с ним проблемы со здоровьем и относительно ранняя смерть. По мнению учёных, использование ядра клетки немолодой шестилетней овцы-донора сказалось на судьбе и здоровье Долли.

Необходимо существенно повысить жизнеспособность клонированных организмов, выяснить, влияет ли использование конкретных методик на продолжительность жизни, здоровье и плодовитость животных. Очень важно свести к минимуму риск дефектного развития реконструированной яйцеклетки.

Активное внедрение биотехнологий в медицину и генетику человека привело к появлению специальной науки – биоэтики. Биоэтика – наука об этичном отношении ко всему живому, в том числе и к человеку. Нормы этики выдвигаются сейчас на первый план. Те нравственные заповеди, которыми человечество пользуется века, к сожалению, не предусматривают новых возможностей, привносимых в жизнь современной наукой. Поэтому людям необходимо обсуждать и принимать новые законы, учитывающие новые реальности жизни.

Вопросы для повторения и задания

1. Что такое биотехнология?

2. Какие проблемы решает генная инженерия? С какими трудностями связаны исследования в этой области?

3. Как вы думаете, почему селекция микроорганизмов приобретает в настоящее время первостепенное значение?

4. Приведите примеры промышленного получения и использования продуктов жизнедеятельности микроорганизмов.

5. Какие организмы называют трансгенными?

6. В чём преимущество клонирования по сравнению с традиционными методами селекции?

Подумайте! Выполните!

1. Какие перспективы в развитии народного хозяйства открывает использование трансгенных животных?

2. Может ли современное человечество обойтись без биотехнологии? Организуйте выставку или сделайте стенную газету «Биотехнология: прошлое, настоящее, будущее».

3. Организуйте и проведите дискуссию на тему «Клонирование: за и против».

4. Приведите примеры продуктов, входящих в ваш рацион, которые были созданы с использованием биотехнологических процессов.

5. Докажите, что биологическая очистка воды является биотехнологическим процессом.

Работа с компьютером

Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.

Клеточная инженерия. В 70-х гг. прошлого века в биотехнологии стала активно развиваться клеточная инженерия. Клеточная инженерия позволяет создавать клетки нового типа на основе различных манипуляций, чаще всего гибридизации, т. е. слияния исходных клеток или их ядер. В одну из исследуемых клеток помещают ядро, принадлежащее клетке другого организма. Создают условия, при которых эти ядра сливаются, а затем происходит митоз , и образуются две одноядерные клетки, каждая из которых содержит смешанный генетический материал. Впервые такой опыт осуществил в 1965 г. английский учёный Г. Харрис, соединив клетки человека и мыши. Впоследствии были получены целые организмы, представляющие собой межвидовые гибриды, полученные методом клеточной инженерии. Такие гибриды отличаются от гибридов, полученных половым путём, тем, что в них находится цитоплазма обоих родителей (вспомним, что при обычном оплодотворении цитоплазма сперматозоида в яйцеклетку не проникает). Слияние клеток используют для получения гибридов с полезными свойствами между отдалёнными видами, которые обычным путём не скрещиваются. Удаётся также получать клеточные гибриды растений, несущие цитоплазматические гены (т. е. гены, находящиеся в митохондриях и пластидах), которые увеличивают устойчивость к различным вредным воздействиям.

1. Что является предметом изучения науки геронтологии? Оцените, насколько развита эта наука в нашей стране. Есть ли в вашем регионе специалисты в этой области?

2. Как вы думаете, какими личными качествами должны обладать люди, работающие в медико-генетических консультациях? Объясните свою точку зрения.

3. Что вы знаете о профессиях, связанных с материалом этой главы? Найдите в Интернете названия нескольких профессий и подготовьте небольшое (не более 7–10 предложений) сообщение о той профессии, которая вас наиболее впечатлила. Объясните свой выбор.

4. Используя дополнительные источники информации, выясните, что является предметом изучения эмбриолога. Где можно приобрести такую специальность?

5. Какими знаниями должны обладать специалисты, занимающиеся селекционной работой? Объясните свою точку зрения.