Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Государственный Университет Управления»

Институт Управления в промышленности, энергетике и строительстве

Кафедра Управления проектом

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Естественно-научные основы инновационных технологий»

на тему: «Биотехнология в медицине»

Введение

1. История возникновения и применения биотехнологий.

2. Биотехнология в основных направлениях медицины

3. Значение биотехнологий для медицины.

4. Генная инженерия. Теоретическое значение

5. Клеточная инженерия

6. Клонирование

7. Новые технологии в биофармацевтике

8. Некоторые этические и правовые аспекты применения биотехнологических методов

9. От «биотехнологии» к «биоэкономике»

Заключение

Список используемой литературы

В ведение

Биотехнология представляет собой область знаний, которая возникла и оформилась на стыке микробиологии, молекулярной биологии, генетической инженерии, химической технологии и ряда других наук. Рождение биотехнологии обусловлено потребностями общества в новых, более дешевых продуктах для народного хозяйства, в том числе медицины и ветеринарии, а также в принципиально новых технологиях. Биотехнология -- это получение продуктов из биологических объектов или с применением биологических объектов. В качестве биологических объектов могут быть использованы организмы животных и человека (например, получение иммуноглобулинов из сывороток, вакцинированных лошадей или людей; получение препаратов крови доноров), отдельные органы (получение гормона инсулина из поджелудочных желез крупного рогатого скота и свиней) или культуры тканей (получение лекарственных препаратов). Однако в качестве биологических объектов чаще всего используют одноклеточные микроорганизмы, а также животные и растительные клетки.

Еще в середине прошлого века стали внедряться новые подходы в биотехнологии, в связи с тем, что совершенствование методов микробиологии и химического мутагенеза дало возможность получать высокопродуктивные штаммы. Было обнаружено много полезных для человека микробиологических продуктов, и, прежде всего -- различные лекарственные соединения.

С 80-х гг. активно начались работы по секвенированию геномов, в середине 90-х гг. был разработан проект генома человека и животных. Возникла новая стадия развития биотехнологии -- суперсовременная биотехнология, ориентированная преимущественно на медицину: более 70% всех исследований и практических результатов связано с получением фармацевтических и биомедицинских препаратов.

Цель данной работы - рассмотреть основные направления и использование новых биологических технологий в медицине.

Секвенирование -- определение первичной структуры (последовательности) биополимера. Применительно к ДНК (или РНК), «отсеквенировать» означает «прочесть» молекулу.

1. История возникновения и применения биотехнологий

Корни биотехнологии уходят в далёкое прошлое и связаны с хлебопечением, виноделием и другими способами приготовления пищи, известными человеку еще в древности. Например, такой биотехнологический процесс, как брожение с участием микроорганизмов, был известен и широко применялся еще в древнем Вавилоне, о чем свидетельствует описание приготовления пива, дошедшее до нас виде записи на дощечке, обнаруженной в 1981 г. при раскопках Вавилона.

Наукой биотехнология стала благодаря исследованиям и работам французского ученого, основоположника современной микробиологии и иммунологии Луи Пастера (1822-1895). Термин "биотехнология" был введён в 1917 г. Венгерским инженером Карлом Эреки (1865-1933).

В ХХ веке происходило бурное развитие молекулярной биологии и генетики с применением достижений химии и физики. Важнейшим направлением исследований явилась разработка методов культивирования клеток растений и животных. И если еще совсем недавно для промышленных целей выращивали только бактерии и грибы, то сейчас появилась возможность не только выращивать любые клетки для производства биомассы, но и управлять их развитием, особенно у растений. Таким образом, новые научно-технологические подходы воплотились в разработку биотехнологических методов, позволяющих манипулировать непосредственно генами, создавать новые продукты, организмы и изменять свойства уже существующих. Главная цель применения этих методов - более полное использование потенциала живых организмов в интересах хозяйственной деятельности человека.

В 70-е годы появились и активно развивались такие важнейшие области биотехнологии, как генетическая (или генная) и клеточная инженерия, положившие начало «новой» биотехнологии, в отличие от «старой» биотехнологии, основанной на традиционных микробиологических процессах. Так, обычное производство спирта в процессе брожения - это "старая" биотехнология, но использование в этом процессе дрожжей, улучшенных методами генной инженерии с целью увеличения выхода спирта, - "новая" биотехнология.

2. Биотехнология в основных направлениях медицины

Медицинские биотехнологии подразделяются на диагностические и лечебные.

Диагностические медицинские биотехнологии подразделяются на химические (определение диагностических веществ и параметров их обмена) и физические (определение физических полей организма).

Определение физических полей человеческого организма имеет большое диагностическое значение. Физическая диагностика дешевле и быстрее, чем химическая, поэтому ее роль в будущем будет возрастать.

Раньше диагностические химические биотехнологии сводились к определению в тканях и биологических жидкостях веществ, имеющих диагностическое значение. Назовем этот подход статическим. В настоящее время диагностика использует определение скоростей образования и распада, представляющих интерес веществ, а также определение активности ферментов, осуществляющих соответственно синтез и деградацию этих веществ. Назовем этот подход динамическим. И, наконец диагностика стала оценивать влияние на метаболизм диагностических веществ определенных функциональных воздействий. Такой подход можно назвать функциональным. Он позволяет выявить резервные возможности организма.

Наиболее актуальными проблемами современной медицины являются борьба с сердечно-сосудистыми заболеваниями (прежде всего с атеросклерозом), с онкологическими заболеваниями, с аллергиями, старением и с вирусными инфекциями (в том числе со СПИДом).

По мнению ряда специалистов, решение проблемы онкологических заболеваний будет достигнуто с помощью иммунологических методов, позволяющих избирательно уничтожать опухолевые клетки. Решение проблемы рака должно повысить среднюю продолжительность жизни.

Решение проблем аллергических заболеваний определяется развитием иммунологии и прогрессом в изучении такой фундаментальной проблемы медицины, как воспаление. Химиотерапия и антибиотики, позволяющие эффективно бороться с бактериальной инфекцией, не эффективны в отношении вирусов. Предполагается, что существенный прогресс в деле борьбы с вирусными инфекциями будет, достигнут за счет развития молекулярной биологии вирусов, в частности изучения взаимодействия вирусов со специфическими для них клеточными рецепторами.

Расшифровка генома человека и успехи в клонировании животных открывают ошеломляющие перспективы в медицине. Использование метода клонирования человека может привести к созданию банка "запасных частей" для конкретных людей и обеспечить весьма значительное продление их жизни. Однако против этого выдвигаются возражения морального порядка. Представляется, что дилемма будет разрешена с созданием технологий клонирования тканей и органов.

Еще одну революцию в медицине вызывает изучение так называемых стволовых клеток, т.е. клеток, которые являются предшественниками других типов клеток, включая нервные.

Стволовые клетки могут давать начало любым клеткам организма - и кожным, и нервным, и клеткам крови. Стволовые клетки способны превращаться в клетки всех типов тканей: клетки крови, внутренних органов, мышечных и костных тканей, кожного покрова, нейроны и др. Также они принимают непосредственное участие в регенеративных процессах организма и могут замедлять процесс старения. Использование стволовых клеток - это в перспективе решение проблемы регенерации, т.е. радикального лечения инсульта, инфаркта, восстановления утраченных конечностей и т.п., а также весьма существенное продление жизни.

Представляется, что сейчас лидерами медицинской науки являются медицинская генетика и иммунология. Медицинская генетика может не только предотвращать появление на свет генетически неполноценных детей путем генетического консультирования их родителей и диагностировать генетические заболевания. Ее перспектива-это пересадка генов и управление их активностью. Иммунология позволяет создавать новые подходы к лечению иммунологических заболеваний (в том числе иммунодефицитов, аутоиммунных заболеваний и аллергии), инфекционных и онкологических заболеваний.

3. Знач ение биотехнологий для медицины

Помимо широкого применения в сельском хозяйстве, на основе генной инженерии возникла целая отрасль фармацевтической промышленности, называемая “индустрией ДНК” и представляющая собой одну из современных ветвей биотехнологии. Более четверти всех лекарств, используемых сейчас в мире, содержат ингредиенты из растений. Генно-модифицированные растения являются дешевым и безопасным источником для получения полностью функциональных лекарственных белков (антител, вакцин, ферментов и др.) как для человека, так и для животных. Примерами применения генной инженерии в медицине являются также производство человеческого инсулина, производство эритропоэтина (гормона, стимулирующего образование эритроцитов в костном мозге. Разработка методов генной инженерии привела к тому "биотехнологическому буму", свидетелями которого мы являемся. Благодаря достижениям науки в этой области стало возможным не только создание «биологических реакторов», трансгенных животных, генно-модифицированных растений, но и проведение генетической паспортизации (полного исследования и анализа генотипа человека, проводимого, как правило, сразу после рождения, для определения предрасположенности к различным заболеваниям, возможную неадекватную (аллергическую) реакцию на те или иные лекарства, а также склонность к определенным видам деятельности). Генетическая паспортизация позволяет прогнозировать и уменьшать риски сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний, исследовать и предотвращать нейродегенеративные заболевания и процессы старения, анализировать нейро-физиологические особенности личности на молекулярном уровне), диагностирование генетических заболеваний, создание ДНК-вакцин, генотерапия различных заболеваний и т.д.

Наукой была доказана значительная роль наследственной предрасположенности в возникновении таких широко распространённых болезней, как ишемическая болезнь сердца, гипертония, язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки, псориаз, бронхиальная астма и др. Стало очевидным, что для эффективного лечения и профилактики этих болезней, встречающихся в практике врачей всех специальностей, необходимо знать механизмы взаимодействия средовых и наследственных факторов в их возникновении и развитии, а, следовательно, дальнейший прогресс в здравоохранении невозможен без развития биотехнологических методов в медицине. В последние годы именно эти направления считаются приоритетными и бурно развиваются.

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

Важнейшим направлением медицинской генетики в настоящее время является разработка новых методов диагностики наследственных заболеваний, в том числе и болезней с наследственной предрасположенностью. Сегодня уже никого не удивляет пред имплантационная диагностика - метод диагностики эмбриона на ранней стадии внутриутробного развития, когда врач-генетик, извлекая лишь одну клетку будущего ребенка с минимальной угрозой для его жизни, ставит точный диагноз или предупреждает о наследственной предрасположенности к той или иной болезни.

Как теоретическая и клиническая дисциплина медицинская генетика продолжает интенсивно развиваться в разных направлениях: изучение генома человека, цитогенетика, молекулярная и биохимическая генетика, иммуногенетика, генетика развития, популяционная генетика, клиническая генетика.

Благодаря все более широкому применению биотехнологических методов в фармацевтике и медицине появилось новое понятие «персонализированной медицины», когда лечение пациента осуществляется на основе его индивидуальных, в том числе генетических особенностей, и даже препараты, используемые в процессе лечения, изготавливаются индивидуально для каждого конкретного пациента с учетом его состояния. Появление таких препаратов стало возможным, в частности, благодаря применению такого биотехнологического метода, как гибридизация (искусственное слияние) клеток. Процессы гибридизации клеток и получения гибридов еще до конца не изучены и не отработаны, но важно, что с их помощью стало возможным нарабатывать моноклональные антитела. В настоящее время они применяются также в качестве высокоэффективных препаратов для индивидуального лечения пациентов, страдающих такими тяжелыми заболеваниями, как рак, СПИД и др.

4. Генная инженерия. Теоретическое значение

Генно-инженерные методы направлены на конструирование новых, не существующих в природе сочетаний генов. Генная инженерия позволяет получать заданные (желаемые) качества изменяемых или генетически модифицированных организмов или так называемых «трансгенных» растений и животных.

Значительный прогресс, достигнут в практической области создания новых продуктов для медицинской промышленности и лечения болезней человека

В настоящее время фармацевтическая промышленность завоевала лидирующие позиции в мире, что нашло отражение не только в объёмах промышленного производства, но и в финансовых средствах, вкладываемых в эту промышленность (по оценкам экономистов, она вошла в лидирующую группу по объёму купли-продажи акций на рынках ценных бумаг).

На данный момент учёные занимаются поиском генов, кодирующих новые полезные признаки. Группа ученых, таких как Марк Адам (ведущий сотрудник института геномных исследований в штате Мэриленд-США, частной исследовательской компании, занимающейся исключительной работой в области картирования генов), Крэйк Вентер (директор этого института) и соавторами, разрабатывается проект“Геном человека”. Цель этого проекта заключается в выяснении последовательности оснований во всех молекулах ДНК в клетках человека. Одновременно должна быть установлена локализация всех генов, что помогло бы выяснить причину многих наследственных заболеваний и этим открыть пути к их лечению.

А) Генетическое тестирование.

Генетическое тестирование включает в себя непосредственно изучение ДНК молекулы. И для определения мутировавшей последовательности ученые сканируют ДНК пациента.

Существует два типа генетического тестирования. В первом, исследователь может определять короткие отрезки ДНК, чьи последовательности дополняют мутировавшие. Во втором, проводить путем генной терапии сравнение последовательности ДНК в геноме пациента со здоровым образцом.

Генетическое тестирование в настоящее время может обнаружить мутации, связанные с редкими генетическими нарушениями, такими как кистозный фиброз или серповидно-клеточная анемия. Однако генетические тесты не могут обнаруживать каждую мутацию, связанную с определенным условием, поскольку многие из них еще не открыты.

Б) Генная терапия.

Генная терапия может быть использована для лечения генетических и приобретенных заболеваний, таких как рак и СПИД, с помощью нормальных генов в дополнение или на замену дефектных генов, или укрепления нормальных функций организма, например, иммунитета. Существует два основных способа лечения генной терапией:

1.""EX VIVO"", то есть "вне тела" - в лаборатории выращиваются клетки, выделенные из крови или костного мозга пациента. Затем они подвергаются воздействию вируса, несущего желаемый ген. Вирус попадает в клетки и ген становится частью их ДНК. Прежде чем вернуться к пациенту путем инъекции в вену, клетки могут еще расти в лаборатории.

2.""IN VIVO"", "внутри тела" - клетки не выделяют из тела пациента, вместо этого используют векторы для доставки желаемого гена.

биотехнология генная инженерия клонирование

5. Клеточная инженерия

Клеточная инженерия - метод конструирования клеток нового типа на основе их культивирования, гибридизации и реконструкции. При гибридизации искусственно объединяют целые клетки с образованием гибридного генома. Клеточная реконструкция связана с созданием жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток (ядра, цитоплазмы, хромосом и др.). Клеточная инженерия используется для решения теоретических проблем в биотехнологии, для создания новых форм растений, обладающих полезными признаками и одновременно устойчивых к болезням и т. п.

Приведу несколько наглядных примеров использования методов клеточной инженерии:

Возможно слияние эмбрионов на ранних стадиях, создание химерных животных. Таким способом были получены химерные мыши при слиянии эмбрионов белых и черных мышей, химерное животное овца-коза.

6. Клонирование

Клонирование - “получение идентичных потомков при помощи бесполого размножения” По-другому определение клонирования звучит так “Клонирование - это процесс изготовления генетически идентичных копий отдельной клетки или организма”. То есть эти организмы похожи не только внешне, но и генетический код, заложенный в них, одинаков.

Одной из главных задач в данной области является создание коров, в молоке которых будет содержаться сыворотка человеческого алгаомина. Эта сыворотка используется для лечения ожогов и иных травм, и мировая потребность в ней составляет от 500 до 600 тон в год. Это одно направление. Второе-создание органов животных, которые можно будет использовать для трансплантации человеку. “Во всех странах существует серьезный недостаток донорских органов почек, сердец, поджелудочных желез, печени. Поэтому идея, что можно создать практически конвейерное производство транс генетических свиней, по графику поставляющих такие органы для пациентов, специально подготовленных для приема этих органов, вместо того, чтобы отчаянно пытаться найти подходящую ткань у донора-человека - такая идея является волнующей перспективой”.

Первым, кто доказал возможность искусственного получения близнецов, был немецкий эмбриолог Дриш. Разделив клетки двуклеточного зародыша морского ежа, он получил два генетически идентичных организма.

Первые успешные опыты по трансплантации ядер клеток тела в яйцеклетку осуществили в 1952 году Бриге и Кинг, проводившие опыты с амебами. А в 1979 году англичанин Виладсен разработал метод получения однояйцевых близнецов из эмбрионов овцы и коровы. Однако развития эмбрионов добиться не удалось” А в 1976 году Дж. Гердон доказал возможность клонирования на лягушках. Однако лишь в 1983 году учёным удалось получить серийные клоны взрослых амфибий. В США (1952) У. Р. Бриггс и Т. Дж. Кинг, в Англии Д. Б. Гордон (1960) получили генетические копии лягушки, а в 1997 году шотландец И. Уилмут получает хирургическим путём знаменитую овцу Долли - генетическую копию матери. Для этого из клеток её вымени было взято ядро для пересадки в яйцеклетку другой овцы. Успеху способствовало то, что взамен инъецирования нового ядра применялись воздействия, приводящие к слиянию лишённой ядра яйцеклетки с обычной неполовой клеткой. После этого яйцеклетка с заменённым ядром развивалась как оплодотворённая. Очень важно, что этот метод позволяет взять ядро клонируемой особи в зрелом возрасте, когда уже известны её важные для человека хозяйственные признаки. Профессор Нейфах и его коллеги из Института биологии развития Российской медицины недавно скопировали каспийского осетра. Основной аргумент российских биологов - они пытаются спасти каспийского осетра как вид. По размерам искусственные осетры, правда, пока не дотягивают до нормы, но, как утверждают исследователи, это уже технические трудности.

А ученые из университета штата Висконсин опробовали новую методику клонирования млекопитающих, отличную от той, что применялась учеными из Рослингского института, вырастившими Долли. В качестве основного исходного материала новаторы использовали яйцеклетку коровы. Ее лишали так называемого генетического кода и имплантировали молекулы ДНК других клонируемых животных свиньи, крысы, овцы или обезьяны. При этом источником наследственного материала служили клетки тканей взрослых особей, взятые, например, из свиного или крысиного уха. После искусственного оплодотворения из коровьей яйцеклетки, получившей новую генетическую информацию, развивался зародыш другого млекопитающего - копия генетического донора. Таким образом, ученым удалось благополучно вырастить в лабораторных условиях эмбрионы свиньи, крысы, овцы, обезьяны да и самой коровы.

Специалисты из Висконсинского университета уверены, что их исследования имеют важное значение для развития генной инженерии и изучения возможностей генетического донорства. Руководители этих работ Нил Ферст, одним из первых в США приступивший к опытам по клонированию коров, и Таня Доминко полагают, что использованная ими методика в будущем сможет помочь сохранению исчезающих и редких видов животных.

Сейчас перед людьми не стоит вопроса: “Клонировать или нет? ” Конечно, клонировать. Благодаря этому открываются новые возможности. Например, в сельском хозяйстве можно получить высоко продуктивных животных или животных с человеческими генами. А также клонирование органов и тканей-задача номер один в траспланталогии. Стоит другой вопрос: “Разрешить ли клонирование человека? ” С одной стороны это возможность бездетных людей иметь своих собственных детей, а с другой-возможность получения новых Наполеонов и Гитлеров, а также получение клонов для последующего использования их в качестве доноров необходимых органов.

Трансплантация клонируемых органов способна спасти миллионы людей, умирающих по всему свету из-за дефицита органов, который создается, кстати, из-за всевозможных ограничений, навязанных "моралистами": целостность трупа и его неприкосновенность после смерти. Вторым важным следствием трансплантации клонируемых частей тела может стать пересадка утраченных органов: рук, ног, глаз и т. д. Лишить людей надежды забыть про инвалидность и стать нормальными людьми - разве это не в высшей степени негуманно?

7. Новые технологии в биофармацевтике

Сегодня человечество совершенно справедливо полагает, что биотехнологические науки занимают приоритет в области современных высоких технологий. Секвенирование геномов и валидация новых мишеней для действия лекарственных соединений является одним из перспективных направлений современной фармакологии. Учитывая, что появились новые принципиальные возможности для секвенирования, встает вопрос о генетической паспортизации населения, когда каждому будет выдан его генетический паспорт, и человек будет решать проблемы своего здоровья. Важнейшим достижением прошлого века являются стволовые клетки, что стало возможным благодаря развитию всей эмбриологии и цитологии. Это позволило подойти к разработке путей создания искусственных органов, получать новые вещества, специфически влияющие на органы-мишени.

На современном этапе развития биотехнологии большое внимание уделяется разработке подходов к созданию новых процессов в медицинской биотехнологии. Это различные методы модификации микроорганизмов, растений и животных, в т.ч. культивирование растительных клеток как источника получения новых веществ; конструирование молекул, нанотехнологии, компьютерное моделирование, биокаталитическая трансформация веществ и т.д.

8. Некоторые этические и правовые аспекты применения биотехнологий

Этика - учение о нравственности, согласно которому главной добродетелью считается умение найти середину между двух крайностей. Данная наука основана Аристотелем.

Биоэтика - часть этики, изучающая нравственную сторону деятельности человека в медицине, биологии. Термин предложен В.Р. Поттером в 1969 г.

В узком смысле биоэтика обозначает круг этических проблем в сфере медицины. В широком смысле биоэтика относится к исследованию социальных, экологических, медицинских и социально-правовых проблем, касающихся не только человека, но и любых живых организмов, включенных в экосистемы. То есть она имеет философскую направленность, оценивает результаты развития новых технологий и идей в медицине, биотехнологии и биологии в целом.

Современные биотехнологические методы обладают настолько мощным и не до конца изученным потенциалом, что их широкое применение возможно только при строгом соблюдении этических норм. Существующие в обществе моральные принципы обязывают искать компромисс между интересами общества и индивида. Более того, интересы личности ставятся в настоящее время выше интересов общества. Поэтому соблюдение и дальнейшее развитие этических норм в этой сфере должно быть направлено, прежде всего, на всемерную защиту интересов человека.

Массовое внедрение в медицинскую практику и коммерциализация принципиально новых технологий в области генной инженерии и клонирования, привело также к необходимости создания соответствующей правовой базы, регулирующей все юридические аспекты деятельности в этих направлениях.

Новейшие биотехнологии создают огромные возможности вмешательства в жизнедеятельность живых организмов и неизбежно ставят человека перед нравственным вопросом: до какого предела допустимо вторжение в природные процессы? Любая дискуссия по биотехнологической проблематике не ограничивается научной стороной дела. В ходе этих дискуссий нередко высказываются диаметрально противоположные точки зрения по поводу применения и дальнейшего развития конкретных биотехнологических методов, прежде всего таких, как:

Генная инженерия,

Пересадка органов и клеток в терапевтических целях;

Клонирование - искусственное создание живого организма;

Использование препаратов, влияющих на физиологию нервной системы, для модификации поведения, эмоционального восприятия мира и т.д.

Практика, существующая в современных демократических обществах, показывает, что эти дискуссии абсолютно необходимы не только для более полного понимания всех «плюсов» и «минусов» применения методов, вторгающихся в личную жизнь человека уже на уровне генетики. Они позволяют также обсудить морально-этические аспекты и определить отдаленные последствия применения биотехнологий, что в свою очередь, помогает законодателям создавать адекватную правовую базу, регулирующую данную сферу деятельности в интересах защиты прав личности.

Остановимся на тех направлениях в биотехнологических исследованиях, которые напрямую связаны с высоким риском нарушения прав личности и вызывают наиболее острую дискуссию по поводу их широкого применения: пересадка органов и клеток в терапевтических целях и клонирование.

В последние годы резко возрос интерес к изучению и применению в биомедицине эмбриональных стволовых клеток человека и техники клонирования с целью их получения. Как известно, эмбриональные стволовые клетки способны трансформироваться в разные типы клеток и тканей (кроветворные, половые, мышечные, нервные и др.). Они оказались перспективными для применения в генной терапии, трансплантологии, гематологии, ветеринарии, фармакотоксикологии, при тестировании лекарств и пр.

В ряде стран запрещены любые исследования на эмбрионах (например, в Австрии, Германии). Во Франции права эмбриона защищаются с момента его зачатия. В Великобритании, Канаде и Австралии, хотя создание эмбрионов для исследовательских целей не запрещено, но разработана система законодательных актов, регулирующая и контролирующая подобные исследования. В России ситуация в этой области более чем неопределенная: деятельность по изучению и использованию стволовых клеток недостаточно отрегулирована, остаются существенные пробелы в законодательстве, мешающие развитию этого направления. В отношении же клонирования в 2002 г. федеральным законом был введен временный (на 5 лет) запрет на клонирование человека, но срок его действия истек в 2007 г., и вопрос остается открытым.

Ученые стараются четко разграничивать "репродуктивное" клонирование, цель которого - создание клона, то есть целого живого организма, идентичного другому организму по генотипу, и "терапевтическое" клонирование, применяемое для выращивания колонии стволовых клеток.

В случае стволовых клеток проблемы статуса эмбриона и клонирования приобретают новое измерение. Это связано с мотивацией данного рода научных исследований, а именно применение их для поиска новых, более эффективных способов лечения тяжелых и даже неизлечимых заболеваний. Поэтому в некоторых странах (таких как США, Канада, Англия), где до последнего времени считалось недопустимым использовать эмбрионы и технологии клонирования в терапевтических целях, происходит изменение позиции общества и государства в сторону допустимости их применения в целях лечения таких заболеваний, как рассеянного склероза, болезней Альцгеймера и Паркинсона, постмиокардиального инфаркта, недостаточности регенерации костной или хрящевой ткани, при черепно-лицевых травмах, диабете, миодистрофии и др.

В то же время терапевтическое клонирование многими рассматривается как первый шаг к репродуктивному клонированию, которое встречает крайне негативное отношение во всем мире, и на него повсеместно наложен запрет.

Клонирование человека в настоящее время официально нигде не осуществляется. Опасность в его применении в репродуктивных целях видят в том, что техника клонирования исключает естественное и свободное слияние генетического материала отца и матери, что воспринимается как вызов достоинству человека. Нередко говорится о проблемах самоидентификации клона: кого он должен считать родителями, почему он является генетической копией кого-то другого? Кроме того, клонирование сталкивается с некоторыми техническими препятствиями, которые подвергают опасности здоровье и благополучие клона. Есть факты, свидетельствующие о быстром старении клонов, возникновении у них многочисленных мутаций. В соответствии с техникой клонирования, клон вырастает из взрослой - не половой, а соматической клетки, в генетической структуре которой на протяжении многих лет происходили так называемые соматические мутации. Если при естественном оплодотворении мутировавшие гены одного родителя компенсируются нормальными аналогами другого родителя, то при клонировании такой компенсации не происходит, что значительно увеличивает для клона риск заболеваний, вызываемых соматическими мутациями, и многих тяжелых заболеваний (рака, артрита, иммунодефицитов). Помимо прочего, у некоторых людей возникает страх перед клонированным человеком, перед его возможным превосходством в физическом, моральном и духовном развитии (российский врач-психиатр В. Яровой считает, что этот страх носит характер психического расстройства (фобии) и даже присвоил ему в 2008 г. название «бионализм»).

Здесь были обсуждены только некоторые из многочисленных проблем, которые возникают в связи с бурным развитием биотехнологий и вторжением их в жизнь человека. Безусловно, прогресс науки остановить нельзя и вопросы, которые она ставит, возникают быстрее, чем общество может на них найти ответы. Справиться с этим положением дел можно лишь понимая, насколько важно широко обсуждать в обществе этические и правовые проблемы, которые появляются по мере развития и внедрения в практику биотехнологий.

9. От «биотехнологии» к «биоэкономике»

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что передовые биотехнологии способны играть существенную роль в улучшении качества жизни и здоровья человека, обеспечении экономического и социального роста государств (особенно в развивающихся странах).

С помощью биотехнологии могут быть получены новые диагностические средства, вакцины и лекарственные препараты. Биотехнология может помочь в увеличении урожайности основных злаковых культур, что особенно актуально в связи с ростом численности населения Земли. Во многих странах, где большие объёмы биомассы не используются или используются не полностью, биотехнология могла бы предложить способы их превращения в ценные продукты, а также переработки с использованием биотехнологических методов для производства различных видов биотоплива. Кроме того, при правильном планировании и управлении биотехнология может найти применение в небольших регионах как инструмент индустриализации сельской местности для создания небольших производств, что обеспечит более активное освоение пустующих территорий и будет решать проблему занятости населения.

Особенностью развития биотехнологии в XXI веке является не только ее бурный рост как прикладной науки, она все более широко входит в повседневную жизнь человека, и что еще более существенно - обеспечивая исключительные возможности для эффективного (интенсивного, а не экстенсивного) развития практически всех отраслей экономики, становится необходимым условием устойчивого развития общества, и тем самым оказывает трансформирующее влияние на парадигму развития социума в целом.

Широкое проникновение биотехнологий в экономику мирового хозяйства нашло свое отражение и в том, что сформировались даже новые термины для обозначения глобальности данного процесса. Так, применение биотехнологических методов в промышленном производстве, стали называть «белая биотехнология», в фармацевтическом производстве и медицине - «красная биотехнология», в сельскохозяйственном производстве и животноводстве - «зеленая биотехнология», а для искусственного выращивания и дальнейшей переработки водных организмов (аквакультура или марикультура) - «синяя биотехнология». А экономика, интегрирующая все эти инновационные области, получила название «биоэкономика». Задача перехода от традиционной экономики к экономике нового типа - биоэкономике, основанной на инновациях и широко использующей возможности биотехнологии в различных отраслях производства, а также в повседневной жизни человека, уже объявлена стратегической целью во многих странах мира.

Заключение

В медицине биотехнологические приемы и методы играют ведущую роль при создании новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов, предназначенных для ранней диагностики и лечения различных заболеваний. Дальнейший прогресс человечества во многом связан с развитием биотехнологии. То, что казалось в медицинской практике фантастическим вчера, уже сегодня постепенно внедряется в реальную жизнь. В целом, биотехнология представляет собой систему приемов, позволяющих получать промышленным способом ценные продукты за счет использования процессов жизнедеятельности живых организмов.

В фармацевтической промышленности биотехнологии применяются для производства антибиотиков, иммунобиологических препаратов, генно-инженерных лечебно-профилактических препаратов, для производства энзимов, биологически активных веществ и других медицинских препаратов. Важным направлением биотехнологий в медицине является использование биотехнологий для реконструкции тканей и органов человека с использованием стволовых клеток.

Одним из перспективных направлений является использование нанотехнологий в медицинских целях, создание новых носителей и средств целевой доставки лекарственных препаратов.

Новые биологические технологии используются в диагностике и лечении сердечно-сосудистых, онкологических, аллергических и эндокринных заболеваниях.

Объективно можно констатировать, что инновации генных, информационных и иных технологий потенциально обладают уникальной возможностью победоносно воздействовать на многие болезни современности, целенаправленно вносить требуемые коррективы в геном человека, значительно увеличивать продолжительность жизни, восстанавливать или заменять стареющие органы на новые в рамках регенеративной медицины, вести беременность вне стенок утробы матери, дистанционно консультировать, обследовать, оперировать пациентов и наблюдать за состоянием их здоровья в режиме онлайн и многое другое, что сложно было прогнозировать буквально ещё несколько десятилетий назад.

Список используемой литературы

1. Биологический энциклопедический словарь

2. “Биология для студента” Справочник

3. «Биотехнология: Проблемы и перспективы», Н. С. Егоров, А. В. Олескин

4. Большой энциклопедический словарь

5. Научная работа «Биотехнологии» к.б.н Татьяны Гаевой, члена Общества биотехнологов России им. Ю.А. Овчинникова, 2011 год

6. Научно-популярный журнал www.SCNC.ru

7. Национальный научный портал (ННП) Республики Казахстан www.nauka.kz

8. «Основы биотехнологии» - Учебное пособие для студентов биологического факультета, Кузьмина Н.А. www. biotechnology.ru, 2010 год

9. “Энциклопедический словарь юного биолога”, М. Е. Аспиз, 1986 год

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Понятие и экономический смысл биотехнологий: цели, задачи, результат. Этапы создания малотоннажного биотехнологического производства, опыт его становления в Беларуси. Перспективность инновационных биотехнологий для пищевой промышленности, фармацевтики.

статья , добавлен 19.12.2014


Понятие биотехнологии, история её развития, анализ современного состояния отрасли, перспективы её развития. Характеристика текущего состояния биотехнологий в США, Европе, Китае, Индии, России. Стадии биотехнологического производства и его виды.

курсовая работа , добавлен 06.11.2012


История развития технологий с использованием биообъектов (биотехнологий). Использование достижений различных областей науки, создание широкого ассортимента коммерческих продуктов и методов. Деление истории биотехнологии на периоды, ее цели и задачи.

реферат , добавлен 23.10.2016


История развития нанотехнологий; их значение в медицине, науке, экономике, информационном окружении. Схематическое изображение и направления применения однослойной углеродной нанотрубки. Создание нанотехнологических центров в Российской Федерации.

презентация , добавлен 23.09.2013


Понятие и история открытия графена, его характерные свойства и признаки, способы получения. Перспективы развития и применения: техника и электроника, опреснение соленой воды, аккумуляторы. Особенности и направления использования материала в медицине.

реферат , добавлен 08.06.2016


Понятие нанотехнологий и области их применения: микроэлектроника, энергетика, строительство, химическая промышленность, научные исследования. Особенности использования нанотехнологий в медицине, парфюмерно-косметической и пищевой промышленностях.

презентация , добавлен 27.02.2012


Ознакомление с историей открытия коэнзима Q10. Биохимические функции кофермента. Изучение особенностей современного рынка CoQ10, применения в медицине. Рассмотрение синтетического, полусинтетического и ферментативного способов промышленного производства.

реферат , добавлен 10.12.2015


Характеристика особенностей применения лазера в медицине. Лазерные радары. Различные проблемы, возникающие при использовании лазеров для измерений расстояний. Поверхностная лазерная обработка. Лазерное оружие. Лазеры в связи и информационных технологиях.

реферат , добавлен 12.05.2013


Влияние техники на человека и общество в современном мире: возникновение информационной цивилизации. Стирание границы между человеком и машиной, между телом и технологией, развитие биотехнологий и нанотехнологий. Конструирование и модификация человека.

эссе , добавлен 29.05.2016


Предмет, история развития, цели и задачи биотехнологии как научной дисциплины. Конструирование и введение ДНК в клетку. Технология производства водорослей Spirulina рlatensis и Spirulina maxima. Перспективные способы приготовления и применения заквасок.

21971 0

Биотехнологическим путем получают некоторые витамины. Наибольшее значение имеет биотехнологическое производство витаминов В2, В12 и С, а также в-каротина (провитамина А). Для их получения используют различные бактерии, дрожжевые и плесневые грибы. В зависимости от вида микроорганизма и витамина питательной средой могут служить кукурузно-соевая мука, растительные масла, керосин, метанол, глюкоза, сахароза.

Так, витамин В2 получают ферментацией растительного масла с помощью гриба Ashbya gossypii. Ведущие компании рассматривают возможность полной замены химической технологии производства витамина В2 на биотехнологическую. Важное направление биотехнологии, интенсивно развивающееся в последнее время, - освоение возобновляемых источников энергии, наиболее распространённым из которых является биогаз.

Этим термином обозначают газообразный продукт, получаемый в результате анаэробной, то есть происходящей без доступа воздуха, ферментации (сбраживания) органических веществ самого разного происхождения. Биогаз представляет собой смесь газов. Его основные компоненты: метан - 55 - 70%, углекислый газ - 28-43%, также в очень малых количествах азот, кислород, водород и сероводород. Биогаз успешно применяется как высококалорийное топливо.

При получении биогаза (рис. 9) типовыми являются подготовительные стадии - подготовка сырья и посевного материала, метановое брожение, сушка как стадия концентрирования. Компримирование можно рассматривать как создание готовой формы продукта.

Рис. 9. Схема производства биогаза

В среднем 1 кг сухого органического вещества, биологически перебродившего на 70%, производит приблизительно 0,8-1,0 м3 биогаза.

Поскольку разложение органических отходов происходит за счёт деятельности определенных типов бактерий, существенное влияние на него оказывает окружающая среда. Так, количество вырабатываемого газа в значительной степени зависит от температуры: чем теплее, тем выше скорость и степень ферментации органического сырья. Именно поэтому, вероятно, первые установки для получения биогаза появились в странах с теплым климатом.

Однако применение надежной теплоизоляции, а иногда и подогретой воды, позволяет освоить строительство генераторов биогаза в районах, где температура зимой опускается до -20°С. На получение биогаза влияют также продолжительность брожения, конструкция установки, размер и содержание твёрдых веществ, количества загрузки, интенсивности перемешивания, соотношение углерод - азот.

Существуют определенные требования и к сырью: оно должно быть подходящим для развития бактерий, содержать биологически разлагающееся органическое вещество и в большом количестве воду. Желательно, чтобы среда была нейтральной и без веществ, мешающих действию бактерий, например, мыла, стиральных порошков, антибиотиков.
Для получения биогаза можно использовать растительные и хозяйственные отходы, навоз, сточные воды и т. п.

В процессе ферментации жидкость в резервуаре имеет тенденцию к разделению на три фракции. Верхняя - корка, образованная из крупных частиц, увлекаемых поднимающимися пузырьками газа, через некоторое время может стать достаточно твердой и будет мешать выделению биогаза. В средней части ферментера скапливается жидкость. Нижняя, грязеобразная фракция выпадает в осадок. Бактерии наиболее активны в средней зоне, поэтому содержимое резервуара необходимо периодически перемешивать.

Перемешивание может осуществляться с помощью механических приспособлений, гидравлическими средствами (рециркуляция под действием насоса), под напором пневматической системы (частичная рециркуляция биогаза) или с помощью различных методов самоперемешивания.

Весьма эффективной является также конверсия биомассы в биоэтанол. В Бразилии биоэтанол получают из сахарного тростника, в США - из кукурузы. С каждым годом повышается эффективность производства биоэтанола. По данным Минсельхоза США, сегодня при сжигании биоэтанол дает на 67 % больше энергии, чем было потрачено на его производство (в 1995 г. этот показатель составлял 24 %). Биоэтанол используется в качестве моторного топлива либо в чистом виде, либо в смеси с бензином. Для получения биодизеля используют в основном рапс.

Важнейшим биотехнологическим процессом является биологическая очистка стоков. Биологические методы удаления загрязнений признаны наиболее экономически и экологически эффективными. Процесс очистки имеет целый ряд подготовительных стадий (см. рис.10).

Рис. 10. Биологическая очистка стоков

Собственно биотехнологической стадией, получившей наибольшее распространение в нашей стране, является очистка (биоокисление) с помощью аэробных микроорганизмов, осуществляемая в аэротенках, биофильтрах и биопрудах.

Существенными недостатками аэробных технологий являются высокие затраты на аэрацию, необходимость использования значительных площадей под очистные сооружения, наличие неприятных запахов, проблемы, связанные с обработкой и утилизацией больших количеств образующегося избыточного ила (избыточный ил можно утилизировать одним из следующих способов: высушивание на «иловых площадках» (это самый неэкологичный способ), концентрирование с помощью флотации, переработка в биогаз).

Исключить недостатки аэробных технологий может анаэробная обработка сточных вод, не требующая затрат энергии на аэрацию и сопряженная с образованием ценного энергоносителя - метана. Деградация органических веществ при анаэробном метановом брожении является многоступенчатым процессом, в котором углерод-углеродные связи постепенно разрушаются под действием различных групп микроорганизмов. Анаэробные процессы по сравнению с аэробными сопровождаются образованием значительно меньших (более чем в 10 раз) количеств ила; реакторы, работающие с использованием анаэробной технологии, весьма компактны. Указанные преимущества обусловили значительный интерес к анаэробной очистке во многих странах мира.

Наибольшее распространение анаэробная технология получила в пивоваренной промышленности и производстве прохладительных напитков.В России эти технологии только начинают развиваться. До настоящего времени построено 5 реакторов (Кашира, Москва, Ступино, Самара, Хабаровск; для сравнения - в Индии имеется 150 анаэробных реакторов, Японии - 122, США - 108, Нидерландах - 98, Германии -94). В стадии проектирования находятся анаэробные сооружения для пивоваренной промышленности в Санкт-Петербурге, Туле, Ростове-на-Дону, Ярославле, Калуге, а также для производства безалкогольных напитков в Черноголовке Московской обл.

Недостатком анаэробных технологий является невозможность обеспечения качества очистки, удовлетворяющее нормам сброса в рыбохозяйственные водоемы, так как при их использовании практически не удаляются соединения азота и фосфора. В этом случае требуется применять аэробную доочистку, но затраты на нее уже значительно снижены, поскольку до 90 % загрязнений удаляется на анаэробной стадии.

Одним из перспективных направлений в биотехнологии является разработка методов детоксикации и утилизации токсичных веществ. Среди токсичных загрязнений, поступающих в поверхностные воды с промышленными стоками, наиболее распространены фенолы и соединения тяжелых металлов. Самым эффективным способом обезвреживания промышленных сточных вод является сорбционная очистка воды. Установлено, что эффективными сорбентами могут служить торф и различные биомассы (отходы микробиологических производств).

Твердое вещество торфа, формирующееся в процессе биохимического разложения растений, состоит из высокомолекулярных соединений различной химической природы: целлюлозы, гемицеллюлозы, гуминовых веществ, лигнина и др. Торф можно использовать в качестве сорбционного фильтрующего материала для очистки нефтесодержащих и фенолсодержащих сточных вод. Биомасса микроорганизмов, используемая для получения биосорбентов, образуется в результате микробиологического синтеза антибиотиков, ферментов и других биологически активных веществ и представляет собой частично разрушенные клетки микроорганизмов, содержащие белки, полисахариды и др.

Известны два основных механизма биологического связывания веществ - биосорбция и биоаккумуляция. Биосорбция связана с рядом процессов (сорбцион-ное связывание, ионный обмен, комплексообразование, хелатное связывание, микроосаждение), которые приводят к отложению вещества на биологических структурах. В отличие от биосорбции, биоаккумуляция осуществляется только живущими организмами и связана с активным обменом веществ. На основании результатов многочисленных исследований установлено, что сорбенты на основе торфа и отходов микробиологических производств селективны и относительно дешевы. Это приводит к удешевлению процесса утилизации вредных веществ при сохранении высокой степени очистки сточных вод и способствует решению проблемы создания безотходных технологий.

В последние годы интенсивно развивается биогеотехнология - область биотехнологии, исследующая роль микроорганизмов в процессах образования и разрушения месторождений нефти, угля, сульфидных руд, серы, железа, марганца, других металлов. Одним из примеров использования биотехнологии при добыче полезных ископаемых является технология низкотемпературного бактериально-химического выщелачивания металлов из сульфидных руд.

В этом процессе используются специфические микроорганизмы, окисляющие сульфиды, серу и железо. В результате окисления сульфидной серы образуется серная кислота, которая переводит в раствор ионы цветных металлов. Затем эти металлы извлекаются из раствора или электролизом, или на ионообменных колонках, или иным способом. Чаще всего используется так называемый метод кучного выщелачивания. Метод бактериально-химического выщелачивания используется для получения меди, цинка и ряда других цветных металлов, особенно из руд с низким содержанием металлов.

По сравнению с традиционными способами высокотемпературного обжига сульфидных руд этот метод значительно менее энергоемкий и экологически безопасный. Разработаны также методы биогенного извлечения золота. Биотехнологии находят все большее применение при добыче нефти и при очистке от нефтяных загрязнений. При применении немикробиологических методов средняя величина нефтеотдачи составляет лишь 40-45 % от разведанных нефтяных запасов. Микробиологические методы повышения нефтеотдачи основаны на способности микроорганизмов продуцировать такие нефтевытесняющие вещества как газы, растворители и т.д.

Кроме того, многие микроорганизмы окисляют нефтяные углеводороды с образованием С02 и низкомолекулярных органических кислот, которые растворяют карбонатные минералы, увеличивая пористость нефтяного пласта, что также благоприятно влияет на повышение нефтеотдачи. Для очистки загрязненных нефтью территорий их обрабатывают нефтеокисляющими микроорганизмами, что позволяет утилизировать углеводороды нефти, превращая их в биомассу микроорганизмов и диоксид углерода. Помимо этих, уже достаточно широко использующихся биотехнологических методов, в стадии разработки находятся новые биотехнологии, связанные с очисткой воздуха от сероводорода и летучих органических соединений, утилизацией органических веществ, образующихся при детоксикации химического оружия, борьбой с коррозией трубопроводов и т.д.

Приведённые выше примеры биотехнологических производств показывают, что в зависимости от типа продукта схема его получения включает далеко не все биотехнологические процессы и содержит различное количество стадий. Следует отметить, что наряду с собственно биотехнологическими (ферментация, биоокисление, биокатализ, биокомпостирование, стерилизация среды, дезинтеграция) сюда входят процессы, распространённые и в химической промышленности: фильтрация, сепарация, отстаивание, центрифугирование и т.д. Но эти стадии в биотехнологических производствах имеют свою специфику.

Поскольку данное пособие предназначено прежде всего студентам химикам, в нем не рассматриваются многие направления использования биотехнологий в медицине (получение вакцин, антибиотиков, иммуномодуляторов, иммунодепрессантов, медицинских ферментов, кровезаменителей и т.д.). Сведения об этих аспектах биотехнологии можно найти в книгах и статьях, указанных в списке литературы.

С.В. Макаров, Т.Е. Никифорова, Н.А. Козлов

Понятие биотехнологии

Определение 1

Биотехнологией называется наука, занимающаяся изучением возможности использования живых организмов либо продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач.

При помощи биотехнологий обеспечиваются определенные потребности, такие как разработка медицинских препаратов, создание новых видов животных и растений или их модификация, что позволяет увеличить качество пищевых продуктов.

В качестве науки биотехнология зародилась в начале 70-х годов ХХ века. Отправной точкой послужила генная инженерия, когда ученым удалось перенести генетический материал из одного организма к другому без половых процессов, с применением рекомбинантной ДНК или РНК. Этот метод используется для улучшения или изменения определенного организма.

Биотехнологии в современной медицине

Биотехнологии, применяемые в медицины, делятся на две группы:

• диагностические, которые бывают химическими и физическими
• лечебные

Производственные процессы, в которых создаются биообъекты или вещества медицинского назначения, также относятся к медицинским. Это могут быть витамины. Ферменты, антибиотики, полисахариды, аминокислоты.

В медицине биотехнологии применяются для производства инсулина, для чего используются генно-модифицированные бактерии. Также биотехнологии в медицине применяются для создания эритропоэтина.

Замечание 1

Эритропоэтин – это гормон, который стимулирует образование эритроцитов в костном мозге.

Биотехнологии в современной науке

Применение биотехнологий в современной науке играет важнейшую роль и приносит огромную пользу. В результате открытия генной инженерии появились возможности выведения новых сортов растений и пород животных, которые станут очень полезными для сельского хозяйства.

Изучение биотехнологий не связано исключительно только с биологическими науками. Например, биотехнологии используются в микроэлектронике, где разработаны ион-селективные транзисторы на основе полевого эффекта. Также биотехнологии применяются для увеличения нефтеотдачи нефтяных пластов. Особенно развитым направлением использования биотехнологий является их применение для очистки бытовых и сточных вод. Кроме перечисленных, в развитие биотехнологий внесли свой вклад и другие научные дисциплины. Таким образом, биотехнологии относят к комплексной науке.

Дефицит социально-экономических потребностей является еще одной причиной активного изучения биотехнологий. По мнению ученых, биотехнологии смогут помочь в решение таких проблем, как:

• дефицит в некоторых регионах пресной или очищенной воды
• загрязнение окружающей среды химическими веществами
• недостаток энергетических ресурсов
• необходимость в новых экологически чистых материалах
• повышение уровня медицины и т.д.

Современные биотехнологии: применение на практике, этические проблемы

Биотехнологии являются не только наукой, но и сферой практической деятельности человека, которая занимается производством разного вида продукции при помощи живых клеток или организмов.

Генетика является теоретической основой биотехнологии. Практической основой биотехнологии является микробиологическая промышленность. Она, в свою очередь, получила активное развитие после открытия антибиотиков.

Объектами биотехнологий являются бактерии, вирусы, грибы, а также изолированные клетки и органоиды.

Основными сферами современных биотехнологий являются генетическая и клеточная инженерия в сочетании с биохимией.

Клеточная инженерия – это процесс выращивания клеток различных живых организмов в специально созданных условиях, а также исследования над ними.

Клеточная инженерия растений является самым успешным направлением, она дала возможность ускорения селекционных процессов, в результате чего время выведения нового сорта сократилось с 11 до 3 лет.

Определение 2

Генетическая инженерия – это область молекулярной биологии, которая изучает гены живых организмов, занимается выделением генов из клеток, а также проведением манипуляций над ними. Ферменты и векторы являются главными инструментами генной инженерии.

Клонированием называется процесс получения потомков, полностью идентичных прототипу. Первые опыты были проведены на растениях, клонирование происходило вегетативным путем.

Клонирование бактерий – это процесс искусственного размножения растений, которым управляет человек.

В конце ХХ ученые стали активно обсуждать возможность клонирования человека.

Генная инженерия проводит исследования микроорганизмов и человека. также она изучает заболевания, связанные с онкологией и иммунной системой.

Потенциал, открываемый биотехнологиями, огромен не только для науки, но и для других сфер деятельности. Использование биотехнологических методов предоставило возможность массового производства всех белков.

В будущем предполагается, что биотехнологии позволят улучшать растения и животных. При помощи генной инженерии будут бороться с наследственными заболеваниями.

Генная инженерия, являясь основным направлением в биотехнологии, ускоряет решение проблемы аграрного, энергетического, продовольственного кризиса.

Замечание 2

Самое большое влияние биотехнологии оказывают на медицину и фармацевтику. Ожидается, что в будущем станет возможным лечение неизлечимых заболеваний.

В современной биотехнологии активно развивается отрасль микробного синтеза веществ, ценных для человека. еще одним важным направлением современных биотехнологий является получение экологически чистой энергии.

Однако существует ряд проблем, связанных с этической стороной исследования в области биотехнологий. После того, как информация о проведении опытов над эмбрионами человека и попытками клонирования стала достояние общественности, возникли бурные дискуссии на эту тему среди ученых и обычных людей. Поэтому подобные исследования подвергаются строгому регламентированию. следования этому регламенту является обязательным для всех ученых и исследователей. Стоит ли клонировать человека - это сложный вопрос. С одной стороны, это открывает новые возможности, а с другой - ни один ученый не может со стопроцентной уверенностью предсказать возможные последствия.

(Это "заготовка" для студенческого доклада по биотехнологии, которую следует самостоятельно дополнить и расширить.)

План

Определение понятия "биотехнология".

Исторические предпосылки биотехнологии.

История современной биотехнологии.

Основные методы биотехнологии.

Значение биотехнологии и перспективы.

Понятию "биотехнология" можно дать много близких друг другу по смыслу определений.

1. Определение понятия "биотехнология"

Варианты определений понятия "биотехнология"

1-е (принадлежит инженеру Эреки, впервые сформулировавшему понятие биотехнологии) : Это все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты.
2-е: Это совокупность промышленных методов, использующих живые организмы.
3-е: Это использование живых организмов или биологических процессов промышленным способом.
4-е: Это прикладная наука, использующая методы генной и клеточной инженерии для получения биологической продукции промышленным способом.

5-е. Биотехнология – это не производство, а исследования в области промышленного производства товаров и услуг при участии живых организмов, биологических систем и процессов (Б. Глик, Дж. Пастернак, 2002).

Биотехнология в широком смысле - это научная дисциплина и сфера практики, пограничная между биологией и техникой, которая использует технологические процессы в работе с биологическими объектами или, наоборот, использует биологические объекты в технологических процессах.

В целом, биотехнология изучает пути и методы изменения окружающей человека природной среды в соответствии с его потребностями с помощью биологических объектов, включённых в технологические процессы.

Биотехнология в узком смысле - это совокупность методов и приемов получения нужных для человека продуктов с помощью биологических объектов. В состав биотехнологии входят генная, клеточная и экологическая инженерии.

Биотехнология, или технология биопроцессов - это производственное использование биологических структур для получения пищевых и промышленных продуктов, а также для осуществления целевых превращений.

Биологические структуры (биологические объекты) - это микроорганизмы, растительные и животные клетки, клеточные компоненты: мембраны клеток, рибосомы, митохондрии, хлоропласты, а также биологические макромолекулы (ДНК, РНК, белки - чаще всего ферменты). Биотехнология использует также вирусную ДНК или РНК для переноса чужеродных генов в клетки.

В традиционном, классическом, понимании биотехнология - это наука о методах и технологиях производства различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов.

Термин «новая» биотехнология в противоположность «старой» биотехнологии применяют для разделения биопроцессов, использующих методы генной инженерии, новую биопроцессорную технику, и более традиционные формы биопроцессов. Так, обычное производство спирта в процессе брожения – «старая» биотехнология, но использование в этом процессе дрожжей, улучшенных методами генной инженерии с целью увеличения выхода спирта - «новая» биотехнология.

Термин «биотехнология» впервые предложил венгерский инженер Карл Эреки (1917), когда описывал производство свинины (конечный продукт) с использованием сахарной свеклы (сырье) в качестве корма для свиней (биотрансформация).

Под биотехнологией К. Эреки понимал «все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты». Все последующие определения этого понятия - всего лишь вариации пионерской и классической формулировки К. Эреки.

Современная биотехнология - это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных биологических объектов для интенсификации производства или получения новых видов продуктов различного назначения.

Методы биотехнологии могут применяться на следующих уровнях: молекулярном (манипуляция с отдельными частями гена), генном, хромосомном, уровне плазмид, клеточном, тканевом, организменном и популяционном.

Стэнли Коэн и Герберт Бойер в 1973 г. разработали метод переноса гена из одного организма в другой. Коэн писал: «...есть надежда, что удастся ввести в Е. coli гены, ассоциированные с метаболическими или синтетическими функциями присущими другим биологическим видам, например, гены фотосинтеза или продукции антибиотиков». С их работы началась новая эра в молекулярной биотехнологии. Было разработано большое число методик, позволяющих 1) идентифицировать 2) выделять; 3) давать характеристику; 4) использовать гены.

В 1978 г. сотрудники фирмы «Genetech» (США) впервые выделили последовательности ДНК, кодирующие инсулин человека, и перенесли их в клонирующие векторы, способные реплицироваться в клетках Escherichia coli. Этот препарат мог использоваться больными диабетом, у которых наблюдалась аллергическая реакция на инсулин свиньи.

В настоящее время молекулярная биотехнология дает возможность получать огромное количество продуктов: инсулин, интерферон, «гормоны роста», вирусные антигены, огромное количество белков, лекарственных препаратов, низкомолекулярные вещества и макромолекулы.

Использование клеточных технологий для промышленного получения биологически активных веществ растительного происхождения

Институт физиологии растений им. К.А.Тимирязева РАН, Москва, 127276

Использование биологически активных веществ (БАВ) растительного происхождения часто ограничено доступностью растительных ресурсов и может представлять серьезную угрозу для редких видов лекарственных растений. Культуры клеток высших растений могут служить возобновляемым источником ценных вторичных метаболитов, однако до настоящего времени известны лишь единичные примеры их коммерческого применения. Основными причинами сложившейся ситуации являются недостаточная продуктивность культур клеток по вторичным метаболитам и высокая стоимость выращивания. Используя традиционные методы -селекцию продуктивных штаммов, оптимизацию сред, элиситацию, добавление предшественников синтеза - можно повысить продуктивность культур клеток растений на один-два порядка. Методы метаболической инженерии - суперэкспрессия или выключение генов белков, определяющих синтез целевого продукта - могут существенно изменять биосинтетические способности клеток in vitro. В то же время, многие вторичные соединения не удалось пока получить в культуре клеток, что может быть обусловлено спецификой клеточной культуры - экспериментально созданной популяции соматических клеток - как биологической системы. Для этих случаев может оказаться эффективным использование культур органов растений или трансформированных корней (hairy root). Проводятся работы по получению вторичных метаболитов растений в дрожжах и бактериях, трансформированных растительными генами.

Литература:

(Указать использованную для составления данного доклада литературу, включая сайты Интернета.)

В последнее десятилетие термин «биотехнология» все чаще появляется в заголовках новостей, а открытия в этой области становятся причиной для жарких споров. Действительно, свое наибольшее развитие наука получила именно в последние годы, и этому в большей степени способствовал технический прогресс, но в повседневной жизни биотехнология используется на протяжении многих веков.

История развития биотехнологии

С древнейших времен биотехнология применялась человеком для изготовления вина, в сыроварении и других вариантах приготовления пищи. Биотехнологический процесс, а именно брожение, использовался еще в древнем Вавилоне для производства пива. Об этом свидетельствуют найденные при раскопках записи на дощечках. Но, несмотря на активное использование этих методов, процессы, лежавшие в основе этих производств, оставались загадкой.

Луи Пастер в 1867 году говорил, что такие процессы, как сквашивание и брожение, есть ничто иное, как итог жизнедеятельности микроорганизмов. Эдуард Бухнер дополнил эти предположения, доказав, что катализатором является бесклеточный экстракт, который содержит ферменты, вызывающие химическую реакцию.

Позже были сделаны сенсационные по тем временам открытия, которые помогли сформировать данную науку в современном ее понимании:

• 1865 год австрийский монарх Грегор Мендель представил свой доклад «Опыты над растительными гибридами», где были описаны закономерности передачи наследственности;
• в 1902 году Теодор Бовери и Уолтер Саттон высказали предположение о том, что передача наследственности напрямую связана с хромосомами.

Годом появления термина стал 1919, после публикации манифеста венгерским агроэкономистом Карлом Эреки. Основываясь на имеющиеся в то время данные, под термином биотехнология подразумевалось применение микроорганизмов для ферментации продуктов питания.

Но, как известно, самые интересные открытия совершаются на стыке знаний, в случае биотехнологии, объединились пищевая и нефтеперерабатывающая промышленность. В 1970 году на практике была опробована технология производства белка из отходов нефтепромышленности.

Что такое биотехнология: термин и основные виды

Биотехнология – наука о способах создания различных веществ с использованием естественных биологических компонентов, будь-то микроорганизмы, животные или растительные клетки. По сути, это манипулирование живыми клетками для получения определенных результатов.

Основными направлениями развития науки являются:

Биоинженерия – дисциплина, направленная на расширение знаний в области медицины (лечение, укрепление здоровья) и инженерии

Биомедицина – узкоспециализированный раздел медицины, который с теоретической точки зрения изучает строение человеческого организма, диагностику патологических состояний и возможности их коррекции. Раздел медицины, занимающийся контролем и лечением биологических систем живых организмов на молекулярном уровне, называется наномедициной.

Гибридизация — процесс получения гибридов (растений, животных). В основе лежит принцип получения одной клетки (устойчивой к тем или иным условиям) путем объединения других клеток.

Сейчас у нас уже есть средства необходимые для того, чтобы прожить достаточно долго до тех пор, пока мы не станем бессмертны. Можно агрессивно применять существующие знания, чтобы кардинально замедлить процессы старения, и оставаться в жизнеспособном состоянии до того момента, когда станут доступны совершенно радикальные терапии по продлению жизни с помощью био- и нанотехнологий.

Ray Kurzweil (изобретатель, футуролог)

Высшим достижением биотехнологии является генная инженерия. Генная инженерия – совокупность знаний и технологий получения РНК и ДНК, выделения генов из клеток, осуществление манипуляций с генами и введение их в другие организмы. Это «управление» геномом живого существа или растения с целью получения заданных свойств. Например, руководствуясь знаниями в области генной инженерии, китайские ученые планируют массово применять метод «исправления» генома людей с онкологическими заболеваниями. Однако, запускать полномасштабные проекты пока никто не спешит, т.к. на сегодняшний день невозможно спрогнозировать последствия для организма в долгосрочном периоде.

Особого внимания заслуживает клонирование. Под этим процессом понимают появление нескольких генетических идентичных организмов путем бесполого (в том числе вегетативного) размножения. На сегодняшний день были клонированы не только растения, но и несколько десятков видов животных (овцы, собаки, кошки, лошади). О фактах клонирования человека пока нет данных, хотя, по мнению ученых, с технической стороны – к процессу все готово. Именно эти разработки стали самыми противоречивыми и обсуждаемыми мировой общественностью. Дело не только в вероятности получения неполноценных людей, но и в этической и религиозной стороне вопроса.

Сфера применения

Принципы биотехнологических процессов внедряют в производство всех отраслей:

• пищевая промышленность. Производство алкоголя, аминокислот, ферментов безвредным для окружающей среды способом, называется белой биотехнологией.
• химическая или фармацевтическая. Это направление еще называют красной биотехнологией. Биотехнологи разрабатывают усовершенствованные лекарственные препараты, вакцины и сыворотки против болезней, которые ранее считались неизлечимыми. В западных странах и в частности в Австрии наука пользуется большой популярностью и активно используется для диагностики различных заболеваний (биосенсоры, чипы ДНК).
• переработка и утилизация отходов (биоремедиация). Методы серой биотехнологии используются для санации почв, очистки канализационных стоков и отработанного воздуха.
• сельское хозяйство. Зеленая биотехнология позволяет ученым создавать образцы культурных растений, которые способны противостоять болезням и грибкам, с высоким уровнем урожайности вне зависимости от климатических условий (во время засухи). Кроме того, ученые научились использовать определенные ферменты, которые превращают целлюлозные отходы сельского хозяйства в глюкозу, а после в топливо.

Основной целью клеточной инженерии является культивирование животных и растительных клеток. Открытия в области клеточной инженерии позволили контролировать и регулировать продуктивность, качество, устойчивость к заболеваниям новых форм и линий животных и растений.

Инвестиции и развитие

Хотя биотехнологию сложно назвать «молодой» наукой, именно сегодня она находится в начале своего развития. Направления и возможности, которые открываются благодаря развитию этих знаний, могут быть бесконечными. Могут, если получат должное финансирование и поддержку. Основными инвестиционными участниками направления являются сами инженеры и биотехнологии, и это вполне объяснимо. Сегодня предлагается не сам продукт, а скорее идея, и возможные методы ее реализации.

И для осуществления этой задумки нужны десятки и сотни экспериментов, опыты и дорогостоящее оборудование. Не каждый инвестор готов идти только за идеей, рискуя своими вложениями. Но ведь не все верили и в мобильную связь, а сегодня она повсюду.

На данный момент число крупных компаний, занимающихся биотехнологическими разработками, невелико. К таковым относятся:

• Illumina (генетические исследования, анализы, технология ДНК-микрочипов),
• Oxford Nanopore (разработка и продажа продукции для взаимодействия с ДНК),
• Roche (фармацевтическая компания),
• Editas Medicine (адаптацией лабораторных методик редактирования генов к широкомасштабному применению в больницах),
• Counsyl (предложила недорогой метод автоматизированного анализа ДНК для последующего использования данных в лечении).

По мнению экспертов, наиболее привлекательным направлением для инвестиций в биотехнологию являются компании, занимающиеся секвенированием. Это общее название методов, которые позволяют установить последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК. Расшифровка ДНК данных (секвенирование), дает возможность идентифицировать участки, которые отвечают за наследственные заболевания, и устранять их. Как только процесс будет доведен до совершенства, люди смогут не лечить симптомы, а избавляться от болезни. Это перевернет наше представление о диагностике, и принесет большие дивиденды тем, кто сумеет рассмотреть потенциал компании еще на этапе идеи.

Биотехнология: добро или зло?

Уже сегодня население планеты сталкивается с проблемой нехватки продуктов питания, и если численность людей продолжит расти, то в ближайшем будущем ситуация может стать критической. Знания о том, что такое биотехнология и как ее применять, помогают получать максимальные результаты урожайности, вне зависимости от внешних факторов. И эти достижения нельзя сбрасывать со счетов. Кроме того, неоспоримым доказательством пользы науки является изобретение антибиотиков, которые позволили контролировать, а в некоторых случаях и полностью искоренять, сотни болезней.

Но далеко не все оценивают науку однозначно. Существуют опасения, что отсутствие контроля может привести к необратимым последствиям. Например, уже сегодня продукты биотехнологии, такие как стероиды для спортсменов, становятся причиной для преждевременных сердечных патологий. В погоне за созданием супер-человека, победившего старость и болезни, общество рискует потерять свое естество.

Мы не остались жить в пещерах. Мы не остаемся в пределах нашей планеты. С помощью биотехнологии, генетического секвенирования, мы даже не собираемся ограничиваться рамками самой биологии.
Jason Silva (оратор, философ, телезвезда).

Развитие биотехнологии стало таким стремительным, что мировые государства столкнулись с проблемой отсутствия контроля на правовом уровне. Это стало причиной приостановления многих проектов, поэтому пока о клонировании человека и победе над смертью говорить преждевременно, и два конфронтационных лагеря могут беспрепятственно поддаваться философским размышлениям.