Современные биотехнологии

Оглавление

Введение

Структура современной биотехнологии

Микробиологический синтез (МБС)

Промышленные процессы с помощью ферментации

Генная инженерия: достижения и перспективы. Возможности коррекции генотипа при генетических заболеваниях

Биологическая очистка сточных вод

Трансгенные растения

Трансгенные животные

Как проверяют продукты питания на наличие в них трансгенных растений

Список использованных источников

Введение

Биоинженерия - одно из самых современных направлений науки, возникшее на стыке физико-химической биологии, биофизики, генной инженерии и компьютерных технологий. Среди задач биоинженерии - создание генетически модифицированных организмов, получение рекомбинантных белков, выполняющие заданные функции, и изучение их биохимических и биофизических свойств.

Традиционные биотехнологии, существующие уже тысячи лет, используют существующие в природе микроорганизмы:

для производства продуктов питания (хлебопечение, производство молочнокислых продуктов);

для производства алкогольных напитков (пивоварение, виноделие);

для производства промышленных товаров (кожевенное, текстильное производство);

для повышения плодородия почв (использование органических и зеленых удобрений).

Структура современной биотехнологии

Современная биотехнология включает ряд высоких технологий, которые базируются на последних достижениях экологии, генетики, микробиологии, цитологии, молекулярной биологии. В современной биотехнологии используются биологические системы всех уровней: от молекулярно-генетического до биогеоценотического (биосферного); при этом создаются принципиально новые биологические системы, не встречающиеся в природе.

Биологические системы, используемые в биотехнологии, вместе с небиологическими компонентами (технологическое оборудование, материалы, системы энергоснабжения, контроля и управления) удобно называть рабочими системами.

К основным разделам современной биотехнологии относятся: микробиологический синтез, клеточная инженерия и генная инженерия.

Современная биотехнология призвана решить следующие задачи:

Промышленное производство продуктов питания, в первую очередь, белков и незаменимых аминокислот.

Повышение плодородия почв, производство биологически активных веществ для нужд сельского хозяйства.

Производство лекарственных препаратов и биологически активных веществ, повышающих качество жизни людей.

Использование биологических систем для производства и обработки промышленного сырья.

Производство дешевых и эффективных энергоносителей (биотоплива).

Использование биологических систем для утилизации отходов различного характера, биологической очистки сточных вод.

Создание организмов с заданными свойствами.

Микробиологический синтез (МБС)

Микробиологическим синтезом называется синтез самых разнообразных веществ с помощью микроорганизмов.

Становление современного МБС связано с открытием антибиотиков и разработкой способов их промышленного производства с помощью актиномицетов и грибов. В настоящее время микроорганизмы используются в различных высоких технологиях: для производства антибиотиков, кормового белка и аминокислот, биологически активных соединений (витаминов, гормонов, ферментов, стимуляторов роста) и т.д. Превращение одних веществ в другие с помощью микроорганизмов называется биоконверсия. При микробиологическом синтезе исходным сырьем служат разнообразные источники углерода (природные углеводороды, органические отходы), минеральные соли и атмосферный азот. В качестве микроорганизмов используются прокариоты (бактерии, актиномицеты) и грибы. Обычно микробиологический синтез проводят по следующей технологии. Чистые культуры микроорганизмов предварительно размножают на питательной среде. Затем их вносят в специальные ёмкости-ферментаторы с подготовленным и простерилизованным сырьем. Обработка сырья - ферментация - протекает при определенной температуре, определенной кислотности, в аэробных или анаэробных условиях. Процесс ферментации обычно продолжается 5...6 дней. После этого производится очистка требуемого продукта от примесей (например, при производстве лекарственных препаратов). В ряде случаев полученный продукт подвергают дополнительной обработке. Например, антибиотики, полученные с помощью микроорганизмов, модифицируют химическими методами, что усиливает их терапевтическое действие (полусинтетические пенициллины и тетрациклины). Разновидностью микробиологического синтеза является ферментативный синтез. При этом используются не сами микроорганизмы, а выделенные из них ферменты. Ферментативный синтез уменьшает вероятность побочных реакций, устраняет опасность бактериального загрязнения окружающей среды, снижает количество биологически активных отходов, облегчает очистку продуктов. Для увеличения продолжительности службы ферментов их подвергают иммобилизации, соединяя с полимерными матрицами. Иммобилизации могут подвергаться и живые клетки. Иммобилизованные ферменты и клетки позволяют осуществлять непрерывный процесс ферментации.

Промышленные процессы с помощью ферментации

Брожение бактерий, дрожжей и плесени имеет ключевое значение для производства ферментированных продуктов. Дрожжи верхового брожения производит спирт в пиве и вине. На самом деле, запах свежего хлеба и ростом тесто можно отнести к спирта, полученного из дрожжей. Брожение используется, чтобы сделать много этнических продуктов, таких как квашеная капуста и мисо. Соевый соус производится путем ферментации Aspergillus ortzae, гриб, растущий на соевые бобы. Erwinia dissolvens , еще один тип бактерий, имеет важное значение для производства кофе бобов, она используется, чтобы смягчить и удалить внешнюю шелуху бобов.

Спиртовое брожение. Спиртовое брожение осуществляется так называемыми дрожжеподобными организмами, а также некоторыми плесневыми грибками. Суммарную реакцию спиртового брожения можно изобразить следующим образом:

Механизм реакции спиртового брожения чрезвычайно близок к гликолизу. Расхождение начинается лишь после этапа образования пирувата. При гликолизе пируват при участии фермента ЛДГ и кофермента НАДН восстанавливается в лактат. При спиртовом брожении этот конечный этап заменен двумя другими ферментативными реакциями - пируватдекарбо-ксилазной и алкогольдегидрогеназной. В дрожжевых клетках (спиртовое брожение) пируват вначале подвергается декарбоксилированию с образованием ацетальдегид. Данная реакция катализируется ферментом пируватдекарбоксилазой, который требует наличия ионов Mg и кофермента (ТПФ):

Образовавшийся ацетальдегид присоединяет к себе водород, отщепляемый от НАДН, восстанавливаясь при этом в этанол. Реакция катализируется ферментом алкогольдегидрогеназой

Таким образом, конечными продуктами спиртового брожения являются этанол и СО2, а не молочная кислота, как при гликолизе. Существуют и другие виды брожения, конечными продуктами которых могут являться пропионовая, масляная и янтарная кислоты, а также другие соединения

Биохимический процесс

Все организмам нужна энергия расти. Эта энергия происходит от сокращения аденозинтрифосфата (АТФ) в аденозина (АДФ) и приводит к выделению энергии и фосфатной группы. Таким образом, АТФ служит для хранения молекула энергии, который может быть использован в клетке. Весь процесс представлен на схеме.

Генная инженерия: достижения и перспективы. Возможности коррекции генотипа при генетических заболеваниях

Генная инженерия представляет собой совокупность методов, позволяющих создавать синтетические системы на молекулярно- биологическом уровне.

Генная инженерия дает возможность конструировать функционально активные структуры в форме рекомбинантных ДНК вне биологических систем (invitro), а затем вводить их в клетки.

Генная инженерия возникла в 1972 г., когда в лаборатории П. Берга (Станфордский ун-т, США) была получена первая рекомбинантная (гибридная) ДНК (рекДНК), в которой были соединены фрагменты ДНК фага лямбда и кишечной палочки с кольцевой ДНК обезьяньего вируса SV40. С конца 1980-х гг. генетически модифицированные растения начинают использоваться в сельском хозяйстве.

Методы генной инженерии основаны на получении фрагментов исходной ДНК и их модификации.

Для получения исходных фрагментов ДНК разных организмов используется несколько способов:

Получение фрагментов ДНК из природного материала путем разрезания исходной ДНК с помощью специфических нуклеаз (рестриктаз).

Прямой химический синтез ДНК, например, для создания зондов (см. ниже).

Синтез комплементарной ДНК (кДНК) на матрице мРНК с использованием фермента обратной транскриптазы (ревертазы).

Определение нуклеотидного состава фрагментов ДНК производится с помощью радиоактивных зондов - молекул ДНК с заранее известной структурой, в состав которых входят радиоактивные изотопы фосфора или водорода. Если структура выделенного фрагмента хотя бы частично комплементарна структуре зонда, то происходит ДНК-ДНК-гибридизация, и на микрофотографии препарата появляется засветка от радиоактивного изотопа.

Выделенные участки ДНК встраивают в векторы переноса ДНК. Векторы - это небольшие молекулы ДНК, способные проникать в другие клетки и реплицироваться в них.

Практические достижения современной генной инженерии заключаются в следующем:

Созданы банки генов, или клонотеки, представляющие собой коллекции клонов бактерий. Каждый из этих клонов содержит фрагменты ДНК определенного организма (дрозофилы, человека и других).

На основе трансформированных штаммов вирусов, бактерий и дрожжей осуществляется промышленное производство инсулина, интерферона, гормональных препаратов. На стадии испытаний находится производство белков, позволяющих сохранить свертываемость крови при гемофилии, и других лекарственных препаратов.

Созданы трансгенные высшие организмы (некоторые рыбы и млекопитающие, многие растения) в клетках которых успешно функционируют гены совершенно других организмов. Широко известны генетически модифицированные растения (ГМР), устойчивые к высоких дозам определенных гербицидов,а также Bt-модифицированные растения, устойчивые к вредителям.

Разработаны методы клонирования строго определенных участков ДНК, например, метод полимеразной цепной реакции (ПЦР). ПЦР-технологииприменяются для идентификации определенных нуклеотидных последовательностей, что используется при ранней диагностике некоторых заболеваний, например, для выявления носителей ВИЧ-инфекции.

Возможности генной инженерии практически безграничны. В настоящее время интенсивно изучается возможность коррекции генома человека (и других организмов) при генетических и негенетических заболеваниях.

К биотехнологиям низкого уровня относятся технологии биологической очистки сточных вод, получения биотоплива, некоторые виды микробиологического синтеза.

Биологическая очистка сточных вод

С начала ХХ в. микроорганизмы в сочетании с химическими методами используются для биологической очистки сточных вод. Интенсивную очистку производят в особых ёмкостях: аэротенках, метантенках. Различают две технологии минерализации (очистки вод от органических загрязнителей): аэробную и анаэробную.

Для разложения синтетических органических веществ (например, моющих средств) используют бактерий, полученных путем искусственного мутагенеза.

Производство биотоплива

К биологическому топливу относятся углеводороды и спирты, полученные путем переработки различных органических отходов с помощью микроорганизмов. Например, отходы крахмального и сахарного производства, текстильной и деревообрабатывающей промышленности служат сырьем для производства спирта и биогаза - дешевого топлива для автомобильных двигателей и других силовых установок. Отметим, что спирты и биогаз относятся к экологически чистым видам топлива - при их сжигании образуются полностью окисленные соединения.

Химический синтез бензинов и дизельных топлив весьма энергоемок. Как правило, сырьем для такого способа получения горючего служит древесина. Изменяя параметры технологического процесса, из древесины можно получить различные виды топлива, от авиационных бензинов до дизельных топлив. Синтетическое топливо обладает хорошими экологическими показателями. При его сгорании не образуется вредных веществ, оно нейтрально относительно CO2. По причине больших энергозатрат и сложности технологических процессов синтетическое топливо весьма дорого.

Биоэтанол

Биоэтанол - это обычный этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья для использования в качестве биотоплива. Его производство схоже с производством пищевого спирта.

Современная промышленная технология получения спирта этилового из пищевого сырья включает следующие стадии:

подготовка и измельчение крахмалистого сырья - зерна (ржи, пшеницы и т.п.)

ферментация. На подавляющем большинстве спиртовых производств мира ферментативное расщепление крахмала до спирта при помощи дрожжей оставлено. Для этих целей применяются рекомбинантные препараты альфа-амилазы, полученные биоинженерным путем - глюкамилаза, амилосубтилин.

брагоректификация. Осуществляется на разгонных колоннах (например, «Комсомолец»). Отходами бродильного производства являются барда и сивушны масла. Барда используется для производства кормов.

Реальной альтернативой этанолу в наши дни становится биобутанол, так как он обладает более высоким энергетическим потенциалом, менее летуч и может использоваться в автомобилях без каких-либо изменений в конструкции их двигателей. Так, гибридное топливо БИО100 представляет собой смесь 65% биоэтанола с добавлением третбутилового эфира. Такое моторное топливо снижает на 1/3 тепловую нагрузку на двигатель, повышая тем самым сроки его эксплуатации.

В промышленных масштабах этиловый спирт получают из сырья, содержащего целлюлозу (древесина, солома), которую предварительно гидролизуют. Образовавшуюся при этом смесь пентоз и гексоз подвергают спиртовому брожению. В странах Западной Европы и Америки эта технология не получила распространения, но в СССР (ныне в России) существовала развитая промышленность кормовых гидролизных дрожжей и гидролизного этанола.

биотехнология генная инженерия трансгенный

Трансгенные растения

Трансгенными могут называться те виды растений, в которых успешно функционирует ген (или гены) пересаженные из других видов растений или животных. Делается это для того, чтобы растение реципиент получило новые удобные для человека свойства, повышенную устойчивость к вирусам, к гербицидам, к вредителям и болезням растений. Пищевые продукты, полученные из таких генноизмененных культур, могут иметь улучшенные вкусовые качества, лучше выглядеть и дольше храниться. Также часто такие растения дают более богатый и стабильный урожай, чем их природные аналоги.

Последнее десятилетие ученые строят неутешительные прогнозы относительно быстрорастущего потребления сельскохозяйственных продуктов на фоне снижения площади посевных земель. Решение данной проблемы возможно с помощью технологий получения трансгенных растений, направленных на эффективную защиту сельскохозяйственных культур и увеличение урожайности.

Получение трансгенных растений является на данный момент одной из перспективных и наиболее развивающихся направлений агропроизводства. Существуют проблемы, которые не могут быть решены такими традиционными направлениями как селекция, кроме того, что на подобные разработки требуются годы, а иногда и десятилетия. Создание трансгенных растений, обладающих нужными свойствами, требует гораздо меньшего времени и позволяет получать растения с заданными хозяйственно ценными признаками, а также обладающих свойствами, не имеющими аналогов в природе. Примером последнего могут служить полученные методами генной инженерии сорта растений, обладающих повышенной устойчивостью к засухе.

Создание трансгенных растений в настоящее время развиваются по следующим направлениям:

Получение сортов с/х культур с более высокой урожайностью

Получение с/х культур, дающих несколько урожаев в год (например, в существуют ремантантные сорта клубники, дающие два урожая за лето)

Создание сортов с/х культур, токсичных для некоторых видов вредителей (например, ведутся разработки, направленные на получение сортов картофеля, листья которого являются остро токсичными для колорадского жука и его личинок).

Создание сортов с/х культур, устойчивых к неблагоприятным климатическим условиям (например, были получены устойчивые к засухе трансгенные растения, имеющие в своем геноме ген скорпиона) .

Создание сортов растений, способных синтезировать некоторые белки животного происхождения (например, в Китае получен сорт табака синтезирующий лактоферрин человека).

Таким образом, создание трансгенных растений позволяет решить целый комплекс проблем, как агротехнических и продовольственных, так и технологических, фармакологических и т.д. Кроме того, уходят в небытие пестициды и другие виды ядохимикатов, которые нарушали естественный баланс в локальных экосистемах и наносили невосполнимый ущерб окружающей среде.

Трансгенные животные

Наибольший интерес на сегодняшний день вызывает бурное развитие таких наук как биотехнология и генная инженерия, воплотившие в жизнь самые немыслимые проекты ученых. С их помощью делается попытка повысить продуктивность сельскохозяйственных животных: вырастить особо крупных животных с помощью пересадки им гена человека или других животных. Целью создания так называемых трансгенных животных может быть также получение других полезных для человека свойств у животных. Например, лишить животное шерстного покрова, если он мешает человеку работать с животными, или, наоборот, усилить рост шерсти у овец. Однако уже к настоящему моменту стало очевидно, что манипуляции с генами сулят необратимые последствия для человечества и приносят значительные страдания животным, которые являются основным объектом в научных исследованиях.

Самый первый патент за выведение новой формы жизни был выдан Гарвардскому университету в 1992 году. Это была онкомышь. Мышь была выведена для того, чтобы в возрасте 6 недель заболеть раком и превратиться в товар для продажи в научно-исследовательские лаборатории, работающие с подопытными животными; они, тем самым были избавлены от необходимости вызывать рак у своих лабораторных мышей.
Министерство сельского хозяйства США вывело трансгенную породу ягнят, введя в их организм гормон роста. Им суждено было получить перерождение печени и почек из-за развившегося диабета. Проводятся эксперименты по введению табачного гена в организм овцы, чтобы он действовал как отпугиватель насекомых и мясных мух. Одна из западных фирм занята пересадкой генов скота курам с целью создания бройлерных кур, быстро растущих и достигающих больших размеров, которым дано рекламное название "макрокуры".

Помимо синтеза гормонов роста (для быстрого набора массы у мясных пород) в организме животного можно увеличить синтез некоторых других веществ, содержащихся, например, в молоке. В Великобритании существует стадо коров, молоко которых идеально подходит для приготовления сыра чеддер.

Особо актуальным является создание животных способных продуцировать несвойственные их виду белки. Так, например, сообщалось о разработках направленных на получение свиней, способных продуцировать интерферон человека, потребности в котором в современной медицине достаточно велики. Другим примером являются коровы, способные продуцировать молоко с лактоферрином (не входящим в состав обычного коровьего молока), использующегося при искусственном вскармливании младенцев.

Создание трансгенных животных может способствовать решению многих проблем, с которыми человечество сталкивается на всем протяжении своей истории. Это прежде всего продовольственная проблема и проблема создания лекарственных препаратов и их получения в достаточном количестве.

Например, в подмосковных Горках живет стадо трансгенных овец. Эти животные, которым был "подсажен" ген от быка, продуцируют с молоком химозин крупного рогатого скота - фермент, необходимый для производства твердого сыра. По старой технологии химозин получали из экстрактов ткани желудка новорожденных телят. Теперь их жизнь сохранена. Только от одной овцы за одну лактацию можно получить до 30 г фермента, которого хватит для того, чтобы осадить казеин в 300,000 кг молока и получить 30 т сыра.

У породы коров "швейцарская коричневая" специально активировали ген для того, чтобы вызвать заболевание мозга, которому подвержена эта корова. Причина в том, что коровы, страдающие этим заболеванием, имеют тенденцию давать повышенные надои молока.

Как проверяют продукты питания на наличие в них трансгенных растений

Основным способом анализа на трансгенность является исследование выделенной из пищевых продуктов ДНК на наличие в ней специфических последовательностей нуклеотидов. В роли таких последовательностей выступают регуляторные элементы трансгенов (промоторы и терминаторы).

Выводы

Проблема биотехнологий - лишь часть проблемы научных технологий, которая коренится в ориентации европейского человека на преобразование мира, покорение природы, начавшееся в эпоху Нового времени. Биотехнологии, стремительно развивающиеся в последние десятилетия, на первый взгляд приближают человека к реализации давней мечты о преодолении болезней, устранению физических проблем, достижению земного бессмертия посредством человеческого опыта. Но с другой стороны они порождают совершенно новые и неожиданные проблемы, которые не сводятся только к последствиям долговременного употребления генетически измененных продуктов, ухудшению человеческого генофонда в связи с появлением на свет массы людей, рожденых лишь благодаря вмешательству врачей и новейших технологий. В перспективе встает проблема трансформации социальных структур, воскресает призрак «медицинского фашизма» и евгеники, осужденных на Нюрнбергском процессе.

Доказательств вреда употребления в пищу трансгенных растений для человека и животных не удалось получить за десять лет тщательных исследований. Основными критериями безопасности при разработке и испытаниях генетически модифицированных организмов являются отсутствие токсического и аллергического действия не свойственных исходному виду растений белков: трансгенное растение считается безопасным, если вероятность аллергенного действия у него не выше, чем у исходного сорта. В то же время появляется все больше работ о снижении заболеваемости сельскохозяйственных рабочих, не испытывающих воздействия пестицидов при обработке полей, засеянных трансгенными сортами, об увеличении численности и биоразнообразия насекомых на полях, засеянных растениями, ядовитыми только для конкретного вида вредителей и не отравленных массированным применением инсектицидов, и т.д. Никто не спорит, что внедрять каждый конкретный сорт трансгенных растений надо с большой осторожностью, тщательно анализируя все воздействия, которые он может оказать на людей и природу. Никто не отрицает необходимости развития законодательной базы в этой области. Тем не менее, не следует панически бояться самого факта трансгенности растений и избегать употребления продуктов лишь на том основании, что в них в каком-либо виде присутствуют генетически модифицированные организмы.

Список использованных источников

gov.cap.ru/home/15/Biotechnolog/gen_rast.docý

gov.cap.ru/home/15/Biotechnolog/gen_givot.docý

www.vita.org.ru/veg/transgen/gellatli.htmý

<http://ru.wikipedia.org/>-bio.narod.ru/2_heredity/2_heredity_lec/her_lec_10.htmýx.ru/articles/tradicionnaya-tehnologiya-proizvodstva-biotoplivaý