Foredrag om bioteknologi nr. 1

Introduktion til bioteknologi. Miljø-, landbrugs-, industriel bioteknologi.

Bioteknologisk produktion af proteiner, enzymer, antibiotika, vitaminer, interferon.

Spørgsmål nr. 1

Siden oldtiden har mennesker brugt bioteknologi i vinfremstilling, brygning eller bagning. Men de processer, der ligger til grund for disse industrier, forblev mystiske i lang tid. Deres natur blev først klar i slutningen af ​​XIX- begyndelsen af ​​det tyvende århundrede, hvor metoder til dyrkning af mikroorganismer og pasteurisering blev udviklet, og rene linjer af bakterier og enzymer blev isoleret. For at udpege de forskellige teknologier, der er tættest beslægtet med biologi, blev der tidligere brugt navne som "anvendt mikrobiologi", "anvendt biokemi", "enzymteknologi", "bioengineering", "anvendt genetik", "anvendt biologi". Dette førte til fremkomsten af ​​en ny industri - bioteknologi.

Den franske kemiker Louis Pasteur beviste i 1867, at gæring er resultatet af mikroorganismers aktivitet. Den tyske biokemiker Eduard Buchner præciserede, at det også er forårsaget af et cellefrit ekstrakt, der indeholder enzymer, der katalyserer kemiske reaktioner. Brugen af ​​rene enzymer til forarbejdning af råmaterialer satte skub i udviklingen af ​​zymologi. For eksempel kræves alfa-amylase for at nedbryde stivelse.

Lavet på samme tid vigtige opdagelser inden for emerging genetics, uden hvilken moderne bioteknologi ville være utænkelig. I 1865 introducerede den østrigske munk Gregor Mendel Brunn Society of Naturalists for sine "Eksperimenter med plantehybrider", hvori han beskrev arvelighedslovene. I 1902 foreslog biologerne Walter Sutton og Theodore Boveri, at overførsel af arvelighed er forbundet med materielle bærere - kromosomer. Allerede dengang vidste man, at en levende organisme består af celler. Den tyske patolog Rudolf Virchow supplerer celleteorien med princippet "hver celle er fra en celle." Og botaniker Gottlieb Haberlandts eksperimenter viste, at en celle kan eksistere i et kunstigt miljø og adskilt fra kroppen. Sidstnævntes eksperimenter førte til opdagelsen af ​​betydningen af ​​vitaminer, mineraltilskud og hormoner.

Så var der et ord

Fødselsåret for udtrykket "bioteknologi" anses for at være 1919, da manifestet "Bioteknologi til forarbejdning af kød, fedt og mælk på store landbrugsbedrifter" blev offentliggjort. Dens forfatter er den ungarske landbrugsøkonom, daværende fødevareminister Karl Ereky. Manifestet beskrev forarbejdning af landbrugsråvarer til andre fødevarer ved hjælp af biologiske organismer. Ereki forudsagde en ny æra i menneskehedens historie og sammenlignede opdagelsen af ​​denne metode med de største teknologiske revolutioner fra fortiden: fremkomsten af ​​den produktive økonomi i den neolitiske æra og metallurgi i bronzealderen. Men indtil slutningen af ​​1920'erne betød bioteknologi blot brugen af ​​mikroorganismer til gæring. I 1930'erne udviklede den medicinske bioteknologi sig. Opdaget i 1928 af Alexander Fleming begyndte penicillin, fremstillet af svampen Penicillium notatum, at blive produceret i 1940'erne. industriel skala. Og i slutningen af ​​1960'erne og begyndelsen af ​​1970'erne forsøgte man at kombinere fødevareindustrien med olieraffineringsindustrien. British Petroleum har udviklet en teknologi til bakteriel syntese af foderprotein fra olieindustriens affald.

I 1953 blev der gjort en opdagelse, der efterfølgende forårsagede en revolution inden for bioteknologi: James Watson og Francis Crick dechiffrerede DNA-strukturen. Og i 1970'erne blev manipulation af arveligt materiale føjet til bioteknologiske teknikker. På bare to årtier blev alle de nødvendige værktøjer til dette opdaget: revers transkriptase blev isoleret - et enzym, der giver dig mulighed for at "omskrive" den genetiske kode fra RNA tilbage til DNA, enzymer blev opdaget til at skære DNA, såvel som en polymerasekæde reaktion for gentagen reproduktion af individuelle DNA-fragmenter.

I 1973 blev den første genetisk rekombinante organisme skabt: et genetisk element fra en frø blev overført til en bakterie. Genteknologiens æra begyndte, som næsten øjeblikkeligt sluttede: i 1975 i byen Asilomar (USA), på den internationale kongres dedikeret til studiet af rekombinante DNA-molekyler, blev der først udtrykt bekymring for brugen af ​​nye teknologier.

»Det var ikke politikere, religiøse grupper eller journalister, der slog alarm, som man kunne forvente. Det var forskerne selv,” huskede Paul Berg, en af ​​arrangørerne af konferencen og en pioner inden for skabelsen af ​​rekombinante DNA-molekyler. "Mange videnskabsmænd frygtede, at offentlig debat ville føre til unødige restriktioner på molekylærbiologi, men de opfordrede til ansvarlig debat, der førte til konsensus." Kongresdeltagere opfordrede til et moratorium for en række potentielt farlige undersøgelser.

I mellemtiden har syntetisk biologi udviklet sig fra bioteknologi og genteknologi, som beskæftiger sig med design af nye biologiske komponenter og systemer og redesign af eksisterende. Det første tegn på syntetisk biologi var den kunstige syntese af transfer-RNA i 1970, og i dag er det allerede muligt at syntetisere hele genomer fra elementære strukturer. I 1978 konstruerede Genentech i laboratoriet E. coli-bakterien, der syntetiserer human insulin. Fra dette øjeblik kom genetisk rekombination endelig ind i bioteknologiens arsenal og betragtes som næsten synonymt med det. Samtidig blev den første overførsel af nye gener til genomet af dyre- og planteceller gennemført. Nobelpristageren Walter Gilbert i 1980 udtalte: "Vi kan til medicinske formål eller kommerciel brug opnå praktisk talt ethvert menneskeligt protein, der er i stand til at påvirke vigtige funktioner i den menneskelige krop."

I 1985 fandt de første feltforsøg med transgene planter resistente over for herbicider, insekter, vira og bakterier sted. Plantepatenter vises. Molekylær genetik begynder at blomstre, og analytiske metoder såsom sekventering, det vil sige bestemmelse af den primære sekvens af proteiner og nukleinsyrer, er i hastig udvikling.

I 1995 blev den første transgene plante (Flavr Savr-tomaten) frigivet på markedet, og i 2010 blev transgene afgrøder dyrket i 29 lande på 148 millioner hektar (10 % af den samlede dyrkede jord). I 1996 blev det første klonede dyr født - fåret Dolly. I 2010 var mere end 20 dyrearter blevet klonet: katte, hunde, ulve, heste, grise, mufloner.

Områder af bioteknologi og produkter opnået med dens hjælp

Teknologi og bioteknologi

Teknologi- det er metoder og teknikker, der bruges til at opnå et bestemt produkt fra kildematerialet (råmaterialer). Meget ofte, for at opnå et produkt, kræves der ikke én, men flere kilder til råmaterialer, ikke én metode eller teknik, men en sekvens af flere. Alle de forskellige teknologier kan opdeles i tre hovedklasser:

Fysiske og mekaniske teknologier;

Kemiske teknologier;

Bioteknologi.

I fysiske og mekaniske teknologier kildematerialet (råmaterialerne) i processen med at opnå produktet ændrer form eller aggregeringstilstand uden at ændre dets kemisk sammensætning(for eksempel træbearbejdningsteknologi til fremstilling af træmøbler, forskellige metoder til fremstilling af metalprodukter: søm, maskindele osv.).

I kemiske teknologier i processen med at opnå et produkt undergår råmaterialer ændringer i kemisk sammensætning (for eksempel produktion af polyethylen fra naturgas, alkohol fra naturgas eller træ, syntetisk gummi fra naturgas).

Bioteknologi som videnskab kan betragtes i to tidsmæssige og væsentlige dimensioner: moderne og traditionel, klassisk.

Den nyeste bioteknologi (bioengineering) er videnskaben om genteknologi og cellulære metoder og teknologier til skabelse og brug af genetisk transformerede (modificerede) planter, dyr og mikroorganismer for at intensivere produktionen og opnå nye typer produkter til forskellige formål.

I traditionel, klassisk I en vis forstand kan bioteknologi defineres som videnskaben om metoder og teknologier til produktion, transport, opbevaring og forarbejdning af landbrugsprodukter og andre produkter ved hjælp af konventionelle, ikke-transgene (naturlige og avl) planter, dyr og mikroorganismer, under naturlige og kunstige betingelser.

Den højeste præstation af den nyeste bioteknologi er genetisk transformation, overførsel af fremmede (naturlige eller kunstigt skabte) donorgener til modtagerceller fra planter, dyr og mikroorganismer, produktion af transgene organismer med nye eller forbedrede egenskaber og karakteristika.

Formål med bioteknologisk forskning- øge produktionseffektiviteten og søge efter biologiske systemer, der kan bruges til at opnå målproduktet.

Bioteknologi gør det muligt at reproducere de ønskede produkter i ubegrænsede mængder ved hjælp af nye teknologier, der gør det muligt at overføre gener til producentceller eller til hele organismen (transgene dyr og planter), syntetisere peptider og skabe kunstige vacciner.

Hovedretninger for bioteknologisk udvikling

Udvidelsen af ​​anvendelsesområderne for bioteknologi påvirker markant forbedringen af ​​menneskets levestandard (fig. 1.2). Indførelsen af ​​bioteknologiske processer giver hurtigst resultater inden for medicin, men ifølge mange eksperter vil den vigtigste økonomiske effekt opnås i landbruget og den kemiske industri.

Mikroarrays, cellekulturer, monoklonale antistoffer og proteinteknologi er blot nogle få af de moderne bioteknologiske teknikker, der anvendes på forskellige stadier af udviklingen af ​​mange typer produkter. Forståelse af det molekylære grundlag biologiske processer gør det muligt betydeligt at reducere omkostningerne til udvikling og forberedelse af produktionen af ​​et bestemt produkt, samt forbedre dets kvalitet. For eksempel kan landbrugsbiotekvirksomheder, der udvikler insektresistente plantesorter, måle mængden af ​​beskyttende protein i en cellekultur uden at spilde ressourcer på selv at dyrke planterne; Farmaceutiske virksomheder kan bruge cellekulturer og mikroarrays til at teste lægemidlers sikkerhed og effektivitet samt til at identificere mulige bivirkninger i de tidlige stadier af lægemiddeludvikling.

Genetisk modificerede dyr, i hvis kroppe der forekommer processer, der afspejler fysiologien af ​​forskellige menneskelige sygdomme, giver videnskabsmænd fuldstændig passende modeller til at teste virkningen af ​​et bestemt stof på kroppen. Det giver også virksomheder mulighed for at identificere de sikreste og mest effektive lægemidler tidligere i udviklingen.

Alt dette indikerer vigtigheden af ​​bioteknologi og de brede muligheder for dens anvendelse i forskellige sektorer af den nationale økonomi. Hvilke områder har højeste prioritet på dette område? Lad os se på dem.

1. Forbedring af sikkerheden ved bioteknologisk produktion for mennesker og miljø. Det er nødvendigt at skabe arbejdssystemer, der kun fungerer under strengt kontrollerede forhold. For eksempel mangler E. coli-stammer, der anvendes i bioteknologi, supra-membranstrukturer (kapper); sådanne bakterier kan simpelthen ikke eksistere uden for laboratorier eller uden for særlige teknologiske installationer. Flerkomponentsystemer, som hver især ikke er i stand til at eksistere selvstændigt, har også øget sikkerhed.

2. Reduktion af andelen af ​​menneskeligt industriaffald. Industriaffald er dets biprodukter, som ikke kan bruges af mennesker eller andre komponenter i biosfæren, og hvis anvendelse er urentabel eller indebærer en form for risiko. Sådant affald ophobes i produktionslokaler (territorier) eller frigives til miljøet. Man bør stræbe efter at ændre forholdet "nyttigt produkt/affald" til fordel for et brugbart produkt. Dette opnås på forskellige måder. Først skal affaldet findes nyttig applikation. For det andet kan de sendes til genbrug, hvilket skaber et lukket teknologisk kredsløb. Og endelig kan du ændre fungerende system for at reducere mængden af ​​affald.

3. Reduktion af energiomkostninger til produktproduktion, dvs. indførelsen af ​​energibesparende teknologier. En grundlæggende løsning på dette problem er primært mulig gennem brug af vedvarende energikilder. For eksempel er det årlige energiforbrug af fossile brændstoffer sammenligneligt med nettobruttoproduktionen af ​​alle fotosyntetiske organismer på Jorden. For at omdanne solenergi til former, der er tilgængelige for moderne kraftværker, skabes energiplantager af hurtigtvoksende planter (herunder ved hjælp af cellulære ingeniørmetoder). Den resulterende biomasse bruges til at producere cellulose, biobrændstof og vermikompost. De omfattende fordele ved sådanne teknologier er indlysende. Brugen af ​​celleteknologiske metoder til konstant fornyelse af plantemateriale sikrer produktionen på kortest mulig tid af et stort antal planter fri for vira og mycoplasmas; Samtidig er der ingen grund til at lave moderplantager. Belastningen på naturlige beplantninger af træagtige planter reduceres (de skæres stort set ned for at opnå cellulose og brændstof), og behovet for fossile brændstoffer reduceres (generelt set er det miljømæssigt ugunstigt, da forbrændingen producerer underoxiderede stoffer). Når der bruges biobrændstoffer, produceres der kuldioxid og vanddamp, som kommer ud i atmosfæren og derefter rekombineres af planter på energiplantager.

4. Oprettelse af multikomponent anlægssystemer. Kvaliteten af ​​landbrugsprodukter forringes væsentligt, når der anvendes mineralsk gødning og pesticider, som forårsager kolossale skader på naturlige økosystemer. Der er forskellige måder at overvinde de negative konsekvenser af kemikalieisering af landbrugsproduktionen. Først og fremmest er det nødvendigt at opgive monokulturer, dvs. brugen af ​​et begrænset sæt biotyper (sorter, racer, stammer). Ulemperne ved monokultur blev identificeret i slutningen af ​​det 19. århundrede; de er tydelige. For det første øges konkurrencerelationerne mellem de dyrkede organismer i en monokultur; samtidig har monokultur kun en ensidig effekt på konkurrerende organismer (ukrudt). For det andet er der en selektiv fjernelse af mineralske næringselementer, hvilket fører til jordforringelse. Endelig er monokultur ikke resistent over for patogener og skadedyr. Derfor i løbet af det 20. århundrede. den blev opretholdt gennem usædvanlig høj produktionsintensitet. Selvfølgelig forenkler brugen af ​​monokulturer af intensive sorter (racer, stammer) udviklingen af ​​produktionsteknologi. For eksempel er der ved hjælp af højteknologier skabt plantesorter, der er resistente over for et bestemt pesticid, som kan bruges i høje doser, når man dyrker netop disse sorter. Men i dette tilfælde opstår spørgsmålet om sikkerheden af ​​et sådant arbejdssystem for mennesker og miljø. Derudover vil der før eller senere opstå racer af patogener (skadedyr), der er resistente over for dette pesticid.

Derfor er en systematisk overgang fra monokultur til multikomponent (polyklonale) sammensætninger, herunder forskellige biotyper af dyrkede organismer, nødvendig. Multikomponentsammensætninger bør omfatte organismer med forskellige udviklingsrytmer, med forskellige holdninger til dynamikken i fysisk-kemiske miljøfaktorer, konkurrenter, patogener og skadedyr. I genetisk heterogene systemer opstår der kompenserende interaktioner af individer med forskellige genotyper, hvilket reducerer niveauet af intraspecifik konkurrence og øger automatisk trykket af dyrkede organismer på konkurrerende organismer af andre arter (ukrudt). I forhold til patogener og skadedyr er et sådant heterogent økosystem karakteriseret ved kollektiv gruppeimmunitet, som bestemmes af samspillet mellem mange strukturelle og funktionelle træk ved individuelle biotyper.

5. Udvikling af nye lægemidler til medicin. I øjeblikket er der aktiv forskning i gang på medicinområdet: Der skabes forskellige typer af nye lægemidler - målrettede og individuelle.

Målrettede stoffer. De vigtigste årsager til kræft er ukontrolleret celledeling og forstyrrelse af apoptose. Virkningen af ​​lægemidler designet til at eliminere dem kan være rettet mod et hvilket som helst af de molekyler eller cellulære strukturer, der er involveret i disse processer. Forskning udført inden for funktionel genomik har allerede givet os information om de molekylære ændringer, der sker i præcancerøse celler. Baseret på de opnåede data er det muligt at oprette diagnostiske tests for at identificere molekylære markører, der signalerer begyndelsen af ​​den onkologiske proces, før de første synlige celleabnormiteter viser sig eller symptomer på sygdommen.

De fleste kemoterapilægemidler er rettet mod proteiner involveret i celledeling. Desværre dræber dette ikke kun ondartede celler, men ofte normale delende celler i kroppen, såsom celler i det hæmatopoietiske system og hårsække. For at forhindre dette i at ske side effekt, nogle virksomheder er begyndt at udvikle lægemidler, der ville standse cellecyklusser af raske celler umiddelbart før administration af en dosis af et kemoterapimiddel.

Individuelle forberedelser. På det nuværende stadium af den videnskabelige udvikling begynder æraen for individualiseret medicin, hvor de genetiske forskelle hos patienter vil blive taget i betragtning for den mest effektive brug af lægemidler. Ved hjælp af funktionelle genomiske data er det muligt at identificere genetiske varianter, der gør specifikke patienter modtagelige for de negative bivirkninger af nogle lægemidler og modtagelige over for andre. Denne individuelle terapeutiske tilgang, baseret på viden om patientens genom, kaldes farmakogenomik.

Autonom non-profit organisation

KALININGRAD BUSINESS COLLEGE

Institut for deltidsuddannelser

Historie

Om emnet: Problemer og resultater af moderne bioteknologi

Efter disciplin: Naturvidenskab

Udført af en elev

grupper 14-ZG-1

Gerner E.A.

Tjekket:

Vasilenko N.A.

Kaliningrad 2015

Introduktion

Hoveddel

1.1 Bioteknologiens praktiske resultater

2 Biologisering og grønnere

1.3 Udsigter for udvikling af bioteknologi

1.4 Anvendelse af bioteknologi

1.5 Bioteknologiens betydning for medicin

Konklusion

Liste over anvendte kilder

Introduktion

I mit arbejde udforsker jeg emnet bioteknologiske præstationer. De muligheder, det åbner op for menneskeheden, både inden for den grundlæggende videnskab og på mange andre områder, er meget store og ofte endda revolutionerende.

Bioteknologi er et felt menneskelig aktivitet, som er kendetegnet ved den udbredte brug af biologiske systemer på alle niveauer inden for en bred vifte af grene af videnskab, industriproduktion, medicin, landbrug og andre områder.

Bioteknologi adskiller sig fra landbrugsteknologier, først og fremmest ved den udbredte brug af mikroorganismer: prokaryoter (bakterier, actinomycetes), svampe og alger. Dette skyldes det faktum, at mikroorganismer er i stand til at udføre en lang række biokemiske reaktioner.

Traditionelle bioteknologier har udviklet sig på grundlag af empiriske erfaringer fra mange generationer af mennesker, de er præget af konservatisme og relativt lav effektivitet. Men i løbet af det 19.-20. århundrede, på grundlag af traditionelle bioteknologier, begyndte teknologier på højere niveau at dukke op: teknologier til at øge jordens frugtbarhed, teknologier til biologisk spildevandsrensning, teknologier til produktion af biobrændstoffer.

Relevansen af ​​det valgte emne ligger i det faktum, at bioteknologi som et vidensfelt og en dynamisk udviklende industrisektor er opfordret til at løse mange nøgleproblemer i vores tid, samtidig med at man sikrer bevarelsen af ​​balance i systemet af relationer "menneske - natur" - samfundet”, fordi biologiske teknologier (bioteknologier) baseret på brug Potentialet for levende ting er per definition rettet mod venlighed og harmoni af en person med verden omkring ham.

Det nye i værket ligger i, at det taler om, at bioteknologi er en af ​​hovedretningerne for videnskabelige og teknologiske fremskridt, der aktivt bidrager til at fremskynde løsningen af ​​mange problemer, såsom fødevarer, landbrug, energi og miljøspørgsmål.

Den praktiske betydning af arbejdet er, at det vil give os mulighed for at spore bioteknologiens udvikling.

Formålet med arbejdet er at bevise, at avancerede bioteknologier kan spille en væsentlig rolle i at forbedre kvaliteten af ​​menneskers liv og sundhed.

Afsløre bioteknologiens praktiske betydning.

Identificere perspektiver for udvikling af bioteknologi.

Forskningsmetoder:

1.Analyse af litterære kilder.

2.Generalisering af information.

1. Hoveddel

1.1 Bioteknologiens praktiske resultater

Bioteknologi har produceret mange produkter til sundheds-, landbrugs-, fødevare- og kemisk industri.

Desuden er det vigtigt, at mange af dem ikke kunne opnås uden brug af bioteknologiske metoder.

Særligt store forhåbninger er forbundet med forsøg på at bruge mikroorganismer og cellekulturer til at reducere miljøforurening og producere energi.

I molekylær Biologi brugen af ​​bioteknologiske metoder gør det muligt at bestemme strukturen af ​​genomet, forstå mekanismen for genekspression, modellere cellemembraner for at studere deres funktioner osv.

Konstruktionen af ​​de nødvendige gener ved hjælp af genetiske og cellulære manipulationsmetoder gør det muligt at kontrollere arvelighed og vitale aktivitet af dyr, planter og mikroorganismer og skabe organismer med nye egenskaber nyttige for mennesker, som ikke tidligere er blevet observeret i naturen.

Den mikrobiologiske industri bruger i øjeblikket tusindvis af stammer af forskellige mikroorganismer. I de fleste tilfælde forbedres de ved induceret mutagenese og efterfølgende selektion. Dette muliggør storskala syntese af forskellige stoffer.

Nogle proteiner og sekundære metabolitter kan kun produceres ved at dyrke eukaryote celler. Planteceller kan tjene som kilde til en række forbindelser - atropin, nikotin, alkaloider, saponiner osv.

I biokemi, mikrobiologi og cytologi er metoder til immobilisering af både enzymer og hele celler fra mikroorganismer, planter og dyr af utvivlsom interesse.

Inden for veterinærmedicinen er bioteknologiske metoder som celle- og embryokultur, in vitro oogenese og kunstig befrugtning meget brugt.

Alt dette tyder på, at bioteknologi ikke kun vil blive en kilde til nye fødevarer og medicin, men også til energi og nye kemiske stoffer, samt organismer med specificerede egenskaber.

.2 Biologisering og grønnere

I øjeblikket bliver ideerne om grønnere og i bredere forstand biologisering af alle økonomiske aktiviteter og produktionsaktiviteter stadig mere populære.

Ved at grønnere, som den indledende fase af biologiseringen, kan vi forstå reduktionen af ​​skadelige produktionsemissioner til miljøet, skabelsen af ​​lavt spild og affaldsfri industrikomplekser med et lukket kredsløb osv.

Biologisering bør forstås bredere, som en radikal transformation af produktionsaktiviteter baseret på biologiske love biosfærens biotiske cyklus.

Målet med en sådan transformation bør være at integrere alle økonomiske aktiviteter og produktionsaktiviteter i det biotiske kredsløb.

Dette behov er især tydeligt synligt i fænomenet med strategisk hjælpeløshed ved kemisk plantebeskyttelse:

Faktum er, at der i øjeblikket ikke er et eneste pesticid i verden, som planteskadedyr ikke har tilpasset sig.

Desuden er mønsteret for en sådan tilpasning nu tydeligt dukket op: hvis i 1917. en art af insekter dukkede op, der tilpassede sig DDT, dengang i 1980. der er 432 sådanne arter.

De anvendte pesticider og herbicider er ekstremt skadelige ikke kun for hele dyreverdenen, men også for mennesker.

På samme måde bliver den strategiske nytteløshed ved at bruge kunstgødning nu klar. Under disse forhold er overgangen til biologisk plantebeskyttelse og bioorganisk teknologi med et minimum af kunstgødning helt naturlig.

Bioteknologi kan spille en afgørende rolle i processen med biologisering af landbruget.

Vi kan og bør tale om biologisering af teknologi, industriel produktion og energi.

Den hastigt udviklende bioenergiindustri lover revolutionerende ændringer, da den fokuserer på vedvarende energikilder og råmaterialer.

.3 Udsigter for udvikling af bioteknologi

Bioteknologiens centrale problem er intensiveringen af ​​bioprocesser både ved at øge potentialet for biologiske agenser og deres systemer og ved at forbedre udstyr og anvendelse af biokatalysatorer (immobiliserede enzymer og celler) i industri, analytisk kemi og medicin.

Den industrielle brug af biologiske resultater er baseret på teknikken til at skabe rekombinante DNA-molekyler.

Design af de nødvendige gener gør det muligt at kontrollere arvelighed og vitale aktivitet hos dyr, planter og mikroorganismer og skabe organismer med nye egenskaber.

Det er især muligt at kontrollere processen med fiksering af atmosfærisk nitrogen og overføre de tilsvarende gener fra mikrobielle celler til plantecellens genom.

Som kilder til råmaterialer til bioteknologi vil vedvarende ressourcer af ikke-spiselige plantematerialer og landbrugsaffald, der fungerer som en ekstra kilde til både foderstoffer og sekundært brændstof (biogas) og organisk gødning, blive stadig vigtigere.

En af de hastigt udviklende grene af bioteknologi er teknologien til mikrobiel syntese af stoffer, der er værdifulde for mennesker. Ifølge prognoser vil den videre udvikling af denne industri medføre en omfordeling af roller i dannelsen af ​​menneskehedens fødegrundlag: afgrøde- og husdyrbrug på den ene side og mikrobiel syntese på den anden side.

Et lige så vigtigt aspekt af moderne mikrobiologisk teknologi er studiet af mikroorganismers deltagelse i biosfæreprocesser og den målrettede regulering af deres vitale aktivitet for at løse problemet med at beskytte miljøet mod teknologisk, landbrugs- og husholdningsforurening.

Nært beslægtet med dette problem er undersøgelser for at identificere mikroorganismers rolle i jordens frugtbarhed (humusdannelse og genopfyldning af biologisk nitrogen), bekæmpelse af skadedyr og sygdomme i landbrugsafgrøder, bortskaffelse af pesticider og andre kemiske forbindelser i jorden.

Den viden, der er til rådighed på dette område, indikerer, at det er berettiget at ændre strategien for menneskelig økonomisk aktivitet fra kemikalisering til biologisering af landbruget fra både økonomiske og miljømæssige synspunkter.

I denne retning kan bioteknologi sætte målet om landskabsfornyelse.

Der arbejdes på at skabe biopolymerer, der vil kunne erstatte moderne plast. Disse biopolymerer har en betydelig fordel i forhold til traditionelle materialer, da de er ikke-toksiske og biologisk nedbrydelige, det vil sige, at de let nedbrydes efter brug uden at forurene miljøet.

Bioteknologier baseret på mikrobiologiens resultater er mest omkostningseffektive, når de anvendes og skabes på en integreret måde affaldsfri produktion som ikke forstyrrer den økologiske balance.

Deres udvikling vil gøre det muligt at erstatte mange enorme kemiske industrianlæg med miljøvenlige kompakte produktionsfaciliteter.

Et vigtigt og lovende område inden for bioteknologi er udviklingen af ​​metoder til at producere miljøvenlig energi.

Produktionen af ​​biogas og ethanol blev diskuteret ovenfor, men der er også grundlæggende nye eksperimentelle tilgange i denne retning.

En af dem er produktionen af ​​fotobrint:

"Hvis membraner, der indeholder fotosystem 2, isoleres fra kloroplaster, så sker fotolyse af vand i lyset - dets nedbrydning til ilt og brint. Modellering af processerne for fotosyntese, der forekommer i kloroplaster, ville gøre det muligt at lagre solens energi i værdifuldt brændstof - brint."

Fordelene ved denne metode til at generere energi er indlysende:

tilstedeværelsen af ​​overskydende substrat, vand;

ubegrænset energikilde - Solen;

produktet (brint) kan opbevares uden at forurene atmosfæren;

hydrogen har en høj brændværdi (29 kcal/g) sammenlignet med kulbrinter (3,5 kcal/g);

processen sker ved normal temperatur uden dannelse af giftige mellemprodukter;

processen er cyklisk, da når brint forbruges, regenereres substratet - vand.

.4 Anvendelse af bioteknologi

Folk har altid tænkt over, hvordan de kan lære at kontrollere naturen, og ledt efter måder at få for eksempel planter med forbedrede kvaliteter på: med højt udbytte, større og mere velsmagende frugter eller med øget kuldebestandighed. Siden oldtiden har den vigtigste metode, der er brugt til disse formål, været udvælgelse. Det er meget brugt den dag i dag og har til formål at skabe nye og forbedre eksisterende sorter af dyrkede planter, racer af husdyr og stammer af mikroorganismer med egenskaber og egenskaber værdifulde for mennesker.

Selektion er baseret på udvælgelse af planter (dyr) med udtalte gunstige egenskaber og yderligere krydsning af sådanne organismer, mens genteknologi tillader direkte indgreb i cellens genetiske apparat. Det er vigtigt at bemærke, at under traditionel avl er det meget vanskeligt at opnå hybrider med den ønskede kombination af nyttige egenskaber, da meget store fragmenter af genomerne fra hver forælder overføres til afkommet, mens genteknologiske metoder oftest gør det muligt at arbejder med et eller flere gener, og deres modifikationer påvirker ikke funktionen af ​​andre gener. Som et resultat uden at miste andre nyttige egenskaber planter, er det muligt at tilføje en eller flere nyttige egenskaber, hvilket er meget værdifuldt til at skabe nye sorter og nye former for planter. Det er blevet muligt at ændre for eksempel planters modstandsdygtighed over for klima og stress, eller deres følsomhed over for insekter eller sygdomme, der er almindelige i visse regioner, over for tørke mv. Forskere håber endda at få træarter, der ville være modstandsdygtige over for brand. Omfattende forskning er i gang for at forbedre næringsværdi forskellige landbrugsafgrøder, såsom majs, sojabønner, kartofler, tomater, ærter mv.

Historisk set er der "tre bølger" i skabelsen af ​​genetisk modificerede planter:

Den anden bølge - begyndelsen af ​​2000'erne - skabelsen af ​​planter med nye forbrugeregenskaber: oliefrø med et højere indhold og modificeret sammensætning af olier, frugt og grønt med et højt indhold af vitaminer, mere næringsrige korn mv.

I dag skaber forskere "tredje bølge"-anlæg, der vil dukke op på markedet i løbet af de næste 10 år: vaccineanlæg, bioreaktoranlæg til produktion af industriprodukter (komponenter til forskellige typer plast, farvestoffer, tekniske olier osv.). planter - lægemiddelfabrikker mv.

Genteknologisk arbejde i husdyrbrug har en anden opgave. Et fuldstændigt opnåeligt mål med det nuværende teknologiniveau er skabelsen af ​​transgene dyr med et specifikt målgen. F.eks. indføres genet for et værdifuldt dyrehormon (f.eks. væksthormon) kunstigt i en bakterie, som begynder at producere det i store mængder. Et andet eksempel: transgene geder, som et resultat af indførelsen af ​​det tilsvarende gen, kan producere et specifikt protein, faktor VIII, som forhindrer blødning hos patienter, der lider af hæmofili, eller et enzym, trombokinase, som fremmer resorptionen af ​​blodpropper i blodet kar, hvilket er vigtigt for forebyggelse og behandling af tromboflebitis hos mennesker. Transgene dyr producerer disse proteiner meget hurtigere, og selve metoden er meget billigere end den traditionelle.

I slutningen af ​​90'erne af det XX århundrede. Amerikanske videnskabsmænd er kommet tæt på at producere husdyr ved at klone embryonale celler, selvom denne retning stadig kræver yderligere seriøs forskning. Men i xenotransplantation - transplantation af organer fra en type levende organisme til en anden - er der opnået utvivlsomme resultater. Største succeser opnået ved at bruge grise med overførte menneskelige gener i deres genotype som donorer af forskellige organer. I dette tilfælde er der en minimal risiko for organafstødning.

Forskere foreslår også, at genoverførsel vil hjælpe med at reducere menneskelige allergier over for komælk. Målrettede ændringer i køernes DNA skulle også føre til et fald i mælkens indhold af mættede fedtsyrer og kolesterol, hvilket gør den endnu mere sund. Den potentielle fare ved at bruge genetisk modificerede organismer kommer til udtryk i to aspekter: fødevaresikkerhed for menneskers sundhed og miljømæssige konsekvenser. Derfor den vigtigste fase Ved fremstilling af et genmodificeret produkt skal der foretages en omfattende undersøgelse af det for at undgå risikoen for, at produktet indeholder proteiner, der forårsager allergi, giftige stoffer eller nogle nye farlige komponenter.

.5 Bioteknologiens betydning for medicin

bioteknologi bioproces farmaceutiske

Ud over udbredt brug i landbruget, baseret på genteknologi en hel gren af ​​medicinalindustrien opstod, kaldet DNA industri og repræsenterer en af ​​de moderne grene af bioteknologi. Mere end en fjerdedel af al medicin, der i øjeblikket bruges i verden, indeholder ingredienser fra planter. Genmodificerede planter er en billig og sikker kilde til at opnå fuldt funktionsdygtige medicinske proteiner (antistoffer, vacciner, enzymer osv.) til både mennesker og dyr. Eksempler på brugen af ​​gensplejsning i medicin er også produktionen af ​​human insulin ved hjælp af genetisk modificerede bakterier, produktionen af ​​erythropoietin (et hormon, der stimulerer dannelsen af ​​røde blodlegemer i knoglemarven. Dette hormons fysiologiske rolle er at regulere produktionen af ​​røde blodlegemer afhængig af kroppens behov for ilt) i cellekultur (dvs. uden for menneskekroppen) eller nye racer af forsøgsmus til videnskabelig forskning.

Udviklingen af ​​genteknologiske metoder baseret på skabelsen af ​​rekombinant DNA førte til det "bioteknologiske boom", som vi er vidne til. Takket være videnskabens resultater på dette område er det blevet muligt ikke kun at skabe "biologiske reaktorer", transgene dyr, genetisk modificerede planter, men også at udføre genetisk certificering (en komplet undersøgelse og analyse af en persons genotype, normalt udført ud umiddelbart efter fødslen, for at bestemme dispositionen for forskellige sygdomme, en eventuel utilstrækkelig (allergisk) reaktion på visse medikamenter samt en tendens til visse typer aktiviteter). Genetisk certificering giver dig mulighed for at forudsige og reducere risikoen for kardiovaskulære og onkologiske sygdomme, studere og forebygge neurodegenerative sygdomme og aldringsprocesser, analysere individets neurofysiologiske karakteristika på molekylært niveau), diagnosticere genetiske sygdomme, skabe DNA-vacciner, genterapi for forskellige sygdomme mv.

I det 20. århundrede, i de fleste lande i verden, var medicinens hovedindsats rettet mod at bekæmpe infektionssygdomme, et fald i spædbørnsdødelighed og en stigning gennemsnitlig varighed liv. Lande med mere udviklede sundhedssystemer er lykkedes så meget på denne måde, at de har fundet det muligt at flytte vægten til behandling af kroniske sygdomme, sygdomme af det kardiovaskulære system og onkologiske sygdomme, da det var disse sygdomsgrupper, der gav den største procentvise stigning i dødeligheden.

Samtidig blev der søgt efter nye metoder og tilgange. Det var væsentligt, at videnskaben har bevist den betydelige rolle, arvelig disposition spiller i forekomsten af ​​så udbredte sygdomme som koronar hjertesygdom, hypertension, mavesår mave og tolvfingertarm, psoriasis, bronkial astma osv. Det er blevet indlysende, at for effektiv behandling og forebyggelse af disse sygdomme, som optræder i praksis af læger af alle specialer, er det nødvendigt at kende mekanismerne for interaktion mellem miljø og arvelige faktorer i deres forekomst og udvikling, og som følge heraf er yderligere fremskridt i sundhedsvæsenet umuligt uden udvikling af bioteknologiske metoder inden for medicin. I de senere år er disse områder betragtet som prioriteter og er i hastig udvikling.

Relevansen af ​​at udføre pålidelig genetisk forskning baseret på bioteknologiske tilgange er også indlysende, fordi mere end 4.000 arvelige sygdomme i øjeblikket er kendt. Omkring 5-5,5 % af børnene fødes med arvelige eller medfødte sygdomme. Mindst 30 % af børnedødeligheden under graviditeten og efter fødslen skyldes medfødte misdannelser og arvelige sygdomme. Efter 20-30 år begynder mange sygdomme, som en person kun havde en arvelig disposition for, at dukke op. Dette sker under påvirkning af forskellige miljøfaktorer: levevilkår, dårlige vaner, komplikationer efter sygdom mv.

I øjeblikket er der allerede dukket praktiske muligheder op for betydeligt at reducere eller korrigere den negative påvirkning af arvelige faktorer. Medicinsk genetik forklarede, at årsagen til mange genmutationer er interaktion med ugunstige miljøforhold, og ved at løse miljøproblemer er det derfor muligt at reducere forekomsten af ​​kræft, allergier, hjerte-kar-sygdomme, diabetes, psykisk sygdom og endda nogle infektionssygdomme . Samtidig var forskere i stand til at identificere gener, der er ansvarlige for manifestationen af ​​forskellige patologier og bidrager til en stigning i forventet levetid. Ved anvendelse af medicinske genetikmetoder blev der opnået gode resultater i behandlingen af ​​15% af sygdommene, og der blev observeret betydelig forbedring i næsten 50% af sygdommene.

Således har betydelige resultater inden for genetik gjort det muligt ikke kun at nå det molekylære niveau for at studere kroppens genetiske strukturer, men også at afsløre essensen af ​​mange alvorlige menneskelige sygdomme og at komme tæt på genterapi.

Derudover er der baseret på medicinsk genetisk viden opstået muligheder for tidlig diagnosticering af arvelige sygdomme og rettidig forebyggelse af arvelig patologi.

Det vigtigste område inden for medicinsk genetik på nuværende tidspunkt er udviklingen af ​​nye metoder til diagnosticering af arvelige sygdomme, herunder sygdomme med en arvelig disposition. I dag overrasker præimplantationsdiagnose ikke længere nogen - en metode til at diagnosticere et embryo på et tidligt stadium af intrauterin udvikling, når en genetiker, der kun fjerner én celle i det ufødte barn med minimal trussel mod hans liv, stiller en nøjagtig diagnose eller advarer om en arvelig disposition for en bestemt sygdom.

Som en teoretisk og klinisk disciplin fortsætter medicinsk genetik med at udvikle sig intensivt i forskellige retninger: studiet af det menneskelige genom, cytogenetik, molekylær og biokemisk genetik, immunogenetik, udviklingsgenetik, populationsgenetik, klinisk genetik.

Takket være den stadig mere udbredte brug af bioteknologiske metoder i lægemidler og medicin er der opstået et nyt koncept for "personlig medicin", når en patient behandles baseret på sit individ, herunder genetiske egenskaber, og selv de lægemidler, der bruges i behandlingsprocessen, fremstilles individuelt for hver specifik patient under hensyntagen til hans tilstand. Fremkomsten af ​​sådanne lægemidler blev mulig, især takket være brugen af ​​en sådan bioteknologisk metode som hybridisering (kunstig fusion) af celler. Processerne med cellehybridisering og produktion af hybrider er endnu ikke fuldt ud undersøgt og udviklet, men det er vigtigt, at det med deres hjælp er blevet muligt at producere monoklonale antistoffer. Monoklonale antistoffer er specielle "beskyttende" proteiner, der produceres af celler i det menneskelige immunsystem som reaktion på forekomsten i blodet af fremmede stoffer (kaldet antigener): bakterier, vira, giftstoffer osv. Monoklonale antistoffer har ekstraordinær, unik specificitet, og hvert antistof genkender kun sit eget antigen, binder til det og gør det sikkert for mennesker. I moderne medicin er monoklonale antistoffer meget brugt til diagnostiske formål. I øjeblikket bruges de også som yderst effektive lægemidler til individuel behandling af patienter, der lider af så alvorlige sygdomme som kræft, AIDS osv.

Konklusion

Baseret på ovenstående kan vi konkludere, at avancerede bioteknologier kan spille en væsentlig rolle i at forbedre livskvaliteten og menneskers sundhed og sikre økonomisk og social vækst i stater (især i udviklingslande).

Bioteknologi kan producere ny diagnostik, vacciner og lægemidler. Bioteknologi kan være med til at øge udbyttet af større kornafgrøder, hvilket er særligt vigtigt i forbindelse med jordens voksende befolkning. I mange lande, hvor store mængder biomasse er ubrugt eller underudnyttet, kan bioteknologi tilbyde måder at omdanne dem til værdifulde produkter, samt forarbejde dem ved hjælp af bioteknologiske metoder til at producere forskellige typer biobrændstoffer. Derudover hvornår ordentlig planlægning og forvaltning kan bioteknologi finde anvendelse i små regioner som et værktøj til industrialisering af landdistrikter til skabelse af små industrier, som vil sikre en mere aktiv udvikling af tomme territorier og vil løse problemet med beskæftigelse.

Et kendetegn ved udviklingen af ​​bioteknologi i det 21. århundrede er ikke kun dens hurtige vækst som en anvendt videnskab, den bliver i stigende grad en del af det daglige menneskelige liv, og hvad der er endnu vigtigere, giver ekstraordinære muligheder for de effektive (intensive, ikke omfattende) udvikling af næsten alle sektorer af økonomien, bliver en nødvendig betingelse for en bæredygtig udvikling af samfundet og har derved en transformativ indvirkning på paradigmet for udvikling af samfundet som helhed.

Bioteknologiens udbredte indtrængen i verdensøkonomien afspejles i det faktum, at selv nye termer er blevet dannet for at betegne den globale karakter af denne proces. Således begyndte brugen af ​​bioteknologiske metoder i industriel produktion at blive kaldt "hvid bioteknologi", i farmaceutisk produktion og medicin - "rød bioteknologi", i landbrugsproduktion og husdyrbrug - "grøn bioteknologi", og for kunstig dyrkning og videreforarbejdning af akvatiske organismer (akvakultur eller marikultur) - "blå bioteknologi". Og økonomien, der integrerer alle disse innovative områder, kaldes "bioøkonomi". Opgaven med overgangen fra en traditionel økonomi til en ny type økonomi - en bioøkonomi baseret på innovation og udbredt brug af bioteknologiens muligheder i forskellige industrier såvel som i hverdagen af ​​mennesker, er allerede blevet erklæret som et strategisk mål i mange lande. verdenen.

Liste over anvendte kilder

1.Bioteknologi. Principper og anvendelse / Higgins I., Best D., Jones J. M.: World, 1988.

2. Bioteknologi af landbrugsplanter. M.: Agropromizdat, 1987.

3. Bioteknologi - landbrug / Lobanok A.G., Zalashko M.V., Anisimova N.I. og andre, Minsk, 1988.

4. Kolesnikov, S.I. Vi består det grundlæggende i miljøledelse:

5. krybbeserie / S.I. Kolesnikov. - Rostov n/d: Phoenix, 2004. - 160 s.

6. Lukyanchikov, N.N. Økonomi og organisering af miljøledelse: lærebog for universiteter / N.N. Lukyanchikov, I.M. Potravny. - 2. udgave, revideret. og yderligere - M.: UNITY-DANA, 2002. - 454 s.

7. Protasov, V.F. Økologi, sundhed og miljøledelse i Rusland / V.F. Protasov, A.V. Molchanov - M.: Publishing House of Finance and Statistics, 1995. 528 s.

8. Rychkov R.S., Popov V.G. Udsigter til udvikling af bioteknologi // Bioteknologi. M.: Nauka, 1984.

9. Teknologi i det 21. århundrede i Rusland. At være eller ikke være // Videnskab og liv. - 2001. - Nr. 1. S.3-8.

Vejledning

Har du brug for hjælp til at studere et emne?

Vores specialister rådgiver eller yder vejledningstjenester om emner, der interesserer dig.
Send din ansøgning med angivelse af emnet lige nu for at finde ud af om muligheden for at få en konsultation.

INTRODUKTION

1.1. Generelle bestemmelser

ved lov Den Russiske Føderation"Om veterinærmedicin" definerer veterinærmedicinens hovedopgaver "inden for videnskabelig viden og praktiske aktiviteter rettet mod at forebygge dyresygdomme og deres behandling, at producere komplette og veterinært sikre dyreprodukter og beskytte befolkningen mod sygdomme, der er almindelige for mennesker og dyr. ”

En række af disse problemer løses ved hjælp af bioteknologiske metoder.

Definitionen af ​​bioteknologi er givet ganske udførligt af European Biotechnology Federation, grundlagt i 1978. Ifølge denne definition bioteknologi er en videnskab, der, baseret på anvendelse af viden inden for mikrobiologi, biokemi, genetik, genteknologi, immunologi, kemisk teknologi, instrument- og maskinteknik, anvender biologiske objekter (mikroorganismer, dyre- og plantevævsceller) eller molekyler (nuklein). syrer, proteiner, enzymer), kulhydrater osv.) til industriel produktion af stoffer og produkter, der er nyttige for mennesker og dyr.

Indtil det altomfattende udtryk "bioteknologi" blev almindeligt accepteret, blev navne som anvendt mikrobiologi, anvendt biokemi, enzymteknologi, bioteknik, anvendt genetik og anvendt biologi brugt til at henvise til de mange forskellige teknologier, der er tættest beslægtet med biologi.

Brugen af ​​videnskabelige resultater inden for bioteknologi udføres i de fleste tilfælde højt niveau moderne videnskab. Kun bioteknologi gør det muligt at opnå en række forskellige stoffer og forbindelser fra relativt billige, tilgængelige og vedvarende materialer.

I modsætning til naturlige stoffer og forbindelser, der er kunstigt syntetiseret, kræver store investeringer, absorberes dårligt af dyre- og menneskelige organismer og har høje omkostninger.

Bioteknologien bruger mikroorganismer og vira, som i løbet af deres livsprocesser naturligt producerer de stoffer, vi har brug for - vitaminer, enzymer, aminosyrer, organiske syrer, alkoholer, antibiotika og andre biologisk aktive forbindelser.

En levende celle er overlegen enhver plante i dens organisationsstruktur, sammenhæng i processer, nøjagtighed af resultater, effektivitet og rationalitet.

I øjeblikket bruges mikroorganismer hovedsageligt i tre typer bioteknologiske processer:

Til produktion af biomasse;

For at opnå metaboliske produkter (for eksempel ethanol, antibiotika, organiske syrer osv.);

Til behandling af organiske og uorganiske forbindelser af både naturlig og menneskeskabt oprindelse.

Hovedopgaven for den første type proces, som bioteknologisk produktion skal løse i dag, er eliminering af proteinmangel i foder til husdyr og fugle, fordi I proteiner af vegetabilsk oprindelse er der mangel på aminosyrer og frem for alt særligt værdifulde, de såkaldte essentielle.

Hovedretningen for den anden gruppe af bioteknologiske processer er i øjeblikket produktionen af ​​mikrobielle synteseprodukter ved hjælp af affald fra forskellige industrier, herunder fødevare-, olie- og træforarbejdningsindustrien mv.

Bioteknologisk behandling af forskellige kemiske forbindelser har hovedsageligt til formål at sikre økologisk balance i naturen, bearbejde affald fra menneskelige aktiviteter og minimere den negative menneskeskabte påvirkning af naturen.

I industriel skala repræsenterer bioteknologi en industri, hvor der kan skelnes mellem følgende sektorer:

Produktion af polymerer og råmaterialer til tekstilindustrien;

Produktion af methanol, ethanol, biogas, brint og deres anvendelse i energi- og kemisk industri;

Produktion af protein, aminosyrer, vitaminer, enzymer mv. gennem storstilet dyrkning af gær, alger, bakterier;

Forøgelse af produktiviteten af ​​landbrugets planter og dyr;

Indhentning af herbicider og bioinsekticider;

Udbredt introduktion af gensplejsningsmetoder til at opnå nye racer af dyr, plantesorter og dyrkning af vævscellekulturer af plante- og animalsk oprindelse;

Genbrug af industri- og husholdningsaffald, spildevand, produktion af kompost ved hjælp af mikroorganismer;

Genbrug af skadelige emissioner af olie, kemikalier, der forurener jord og vand;

Produktion af terapeutiske, forebyggende og diagnostiske lægemidler (vacciner, serum, antigener, allergener, interferoner, antibiotika osv.).

Næsten alle bioteknologiske processer er tæt forbundet med livsaktiviteten af ​​forskellige grupper af mikroorganismer - bakterier, vira, gær, mikroskopiske svampe osv., og har en række karakteristiske træk:

1. Processen med mikrobiel syntese er som regel en del af en flertrinsproduktion, og målproduktet for biosyntesestadiet er ofte ikke salgbart og er genstand for yderligere forarbejdning.

2. Ved dyrkning af mikroorganismer er det normalt nødvendigt at opretholde aseptiske forhold, hvilket kræver sterilisering af udstyr, kommunikation, råvarer mv.

3. Dyrkning af mikroorganismer udføres i heterogene systemer, hvis fysisk-kemiske egenskaber kan ændre sig væsentligt under processen.

4. Den teknologiske proces er karakteriseret ved høj variabilitet på grund af tilstedeværelsen af ​​et biologisk objekt i systemet, dvs. populationer af mikroorganismer.

5. Kompleksitet og multifaktorielle mekanismer til regulering af mikrobiel vækst og biosyntese af metaboliske produkter.

6. Kompleksitet og i de fleste tilfælde mangel på information om den kvalitative og kvantitative sammensætning af produktionsnæringsmedier.

7. Relativt lave koncentrationer af målprodukter.

8. Processens evne til selvregulering.

9. De optimale betingelser for vækst af mikroorganismer og for biosyntese af målprodukter er ikke altid sammenfaldende.

Mikroorganismer forbruger stoffer fra miljøet, vokser, formerer sig, frigiver flydende og gasformige stofskifteprodukter og implementerer derved de ændringer i systemet (akkumulering af biomasse eller stofskifteprodukter, forbrug af forurenende stoffer), som dyrkningsprocessen udføres for. Som følge heraf kan en mikroorganisme betragtes som et centralt element i et bioteknologisk system, der bestemmer effektiviteten af ​​dets funktion.

1.2. Bioteknologisk udviklings historie

Gennem de seneste 20 år har bioteknologien, takket være dens specifikke fordele i forhold til andre videnskaber, fået et afgørende gennembrud på det industrielle niveau, hvilket i høj grad skyldes udviklingen af ​​nye forskningsmetoder og intensivering af processer, der har åbnet op for hidtil ukendte muligheder i produktion af biologiske produkter, metoder til isolering, identifikation og oprensning biologisk aktive stoffer.

Bioteknologi blev dannet og udviklet sig, efterhånden som det menneskelige samfund blev dannet og udviklet. Dens fremkomst, dannelse og udvikling kan betinget opdeles i 4 perioder.

1. Den empiriske periode eller forhistorisk er den længste og dækker cirka 8000 år, heraf mere end 6000 f.Kr. og omkring 2000 e.Kr. De gamle folk på den tid brugte intuitivt teknikker og metoder til at lave brød, øl og nogle andre produkter, som vi nu klassificerer som bioteknologiske.

Det er kendt, at sumererne, de første indbyggere i Mesopotamien (på det moderne Iraks område), skabte en civilisation, der blomstrede i disse dage. De bagte brød af surdej og mestrede kunsten at brygge øl. Den erhvervede erfaring blev givet videre fra generation til generation og spredte sig blandt nabofolk (assyrere, babyloniere, egyptere og gamle hinduer). Eddike har været kendt i flere tusinde år og er blevet tilberedt hjemme siden oldtiden. Den første destillation i vinfremstilling blev udført i det 12. århundrede; vodka fra korn blev først produceret i det 16. århundrede; champagne har været kendt siden det 18. århundrede.

Den empiriske periode omfatter produktion af fermenterede mælkeprodukter, surkål, honning alkoholiske drikke, foderensilage.

Folk fra oldtiden brugte således bioteknologiske processer i praksis uden at vide noget om mikroorganismer. Empiri var også karakteristisk for praksis med at bruge nyttige planter og dyr.

I 1796 skete det vigtigste begivenhed i biologi - E. Jenner udførte de første kokoppervaccinationer i historien for mennesker.

2. Den ætiologiske periode i udviklingen af ​​bioteknologi dækker anden halvdel af det 19. århundrede. og den første tredjedel af det 20. århundrede. (1856 - 1933). Det er forbundet med den fremragende forskning udført af den store franske videnskabsmand L. Pasteur (1822 - 95) - grundlæggeren af ​​videnskabelig mikrobiologi.

Pasteur etablerede fermenteringens mikrobielle natur, beviste muligheden for liv under iltfrie forhold, skabte det videnskabelige grundlag for vaccineforebyggelse osv.

I samme periode arbejdede hans fremragende elever, samarbejdspartnere og kolleger: E. Duclos, E. Roux, Sh.E. Chamberlan, I.I. Mechnikov; R. Koch, D. Lister, G. Ricketts, D. Ivanovsky og andre.

I 1859 fremstillede L. Pasteur et flydende næringsmedium, og R. Koch foreslog i 1881 en metode til at dyrke bakterier på sterile kartoffelskiver og på agarnæringsmedier. Og som en konsekvens af dette var det muligt at bevise mikrobernes individualitet og opnå dem i rene kulturer. Desuden kunne hver art formeres på næringsmedier og bruges til at reproducere de tilsvarende processer (fermentering, oxidation osv.).

Blandt præstationerne i 2. periode er følgende især værd at bemærke:

1856 - Den tjekkiske munk G. Mendel opdagede lovene om træks dominans og introducerede begrebet en arvelighedsenhed i form af en diskret faktor, der overføres fra forældre til efterkommere;

1869 - F. Miler isolerede "nuklein" (DNA) fra leukocytter;

1883 - I. Mechnikov udviklede teorien om cellulær immunitet;

1984 - F. Leffler isolerede og dyrkede det forårsagende middel til difteri;

1892 - D. Ivanovsky opdagede vira;

1893 - W. Ostwald etablerede den katalytiske funktion af enzymer;

1902 - G. Haberland viste muligheden for at dyrke planteceller i næringsopløsninger;

1912 - C. Neuberg opdagede mekanismen for fermenteringsprocesser;

1913 - L. Michaelis og M. Menten udviklede kinetikken for enzymatiske reaktioner;

1926 - H. Morgan formulerede den kromosomale teori om arvelighed;

1928 - F. Griffith beskrev fænomenet "transformation" i bakterier;

1932 - M. Knoll og E. Ruska opfandt elektronmikroskopet.
I denne periode begyndte produktionen af ​​pressede fødevarer.

gær, såvel som produkter af deres stofskifte - acetone, butanol, citronsyre og mælkesyre begyndte Frankrig at skabe bioinstallationer til mikrobiologisk spildevandsrensning.

Imidlertid forblev akkumuleringen af ​​en stor masse af celler af samme alder en ekstremt arbejdskrævende proces. Derfor krævedes en fundamentalt anderledes tilgang for at løse mange problemer inden for bioteknologi.

3. Bioteknisk periode - begyndte i 1933 og varede indtil 1972.

I 1933 blev A. Kluyver og A.H. Perkin udgav værket "Metoder til at studere metabolisme i skimmelsvampe", hvori de skitserede de grundlæggende tekniske teknikker samt tilgange til at vurdere resultaterne opnået under dyb dyrkning af svampe. Introduktionen af ​​forseglet udstyr i stor skala i bioteknologien er begyndt, hvilket sikrer, at processer udføres under sterile forhold.

En særlig kraftig drivkraft i udviklingen af ​​industrielt bioteknologisk udstyr blev bemærket i perioden med dannelse og udvikling af produktionen af ​​antibiotika (under Anden Verdenskrig, 1939-1945, hvor der var et presserende behov for antimikrobielle lægemidler til behandling af patienter med inficerede sår).

Alt progressivt inden for bioteknologiske og tekniske discipliner opnået på det tidspunkt blev afspejlet i bioteknologi:

1936 - hovedopgaverne med at designe, skabe og implementere det nødvendige udstyr blev løst, inklusive den vigtigste - bioreaktoren (fermentor, kultivator);

1942 - M. Delbrück og T. Anderson så først vira ved hjælp af et elektronmikroskop;

1943 - penicillin blev produceret i industriel skala;

1949 - J. Lederberg opdagede processen med konjugation i E.colly;

1950 - J. Monod udvikles teoretisk grundlag kontinuerlig kontrolleret dyrkning af mikrober, som blev udviklet i deres forskning af M. Stephenson, I. Molek, M. Ierusalimsky,
I. Rabotnova, I. Pomozova, I. Basnakyan, V. Biryukov;

1951 - M. Theiler udviklede en vaccine mod gul feber;

1952 - W. Hayes beskrev plasmidet som en ekstrakromosomal arvelighedsfaktor;

1953 - F. Crick og J. Watson dechiffrerede strukturen af ​​DNA. Dette har været drivkraften til at udvikle metoder til storskala dyrkning af celler af forskellig oprindelse for at opnå cellulære produkter og celler selv;

1959 - Japanske videnskabsmænd opdagede antibiotikaresistensplasmider (K-faktor) i dysenteribakterier;

1960 - S. Ochoa og A. Kornberg isolerede proteiner, der kan "tværbinde" eller "lime" nukleotider til polymerkæder og derved syntetisere DNA-makromolekyler. Et sådant enzym blev isoleret fra Escherichia coli og benævnt DNA-polymerase;

1961 - M. Nirenberg læste de første tre bogstaver i genetisk
kode for aminosyren phenylalanin;

1962 - X. Korana syntetiserede kemisk et funktionelt gen;

1969 - M. Beckwith og S. Shapiro isolerede 1ac operongenet i E.colly;

- 1970 - restriktionsenzym (restriktionsendonuklease) blev isoleret.

4. Genmanipulationsperioden begyndte i 1972, hvor P. Berg skabte den første rekombination af et DNA-molekyle og derved demonstrerede muligheden for målrettet manipulation af bakteriers genetiske materiale.

Uden F. Cricks og J. Watsons grundlæggende arbejde med at etablere DNA-strukturen, ville det naturligvis have været umuligt at opnå moderne resultater inden for bioteknologi. Belysning af funktionsmekanismerne og DNA-replikation, isolering og undersøgelse af specifikke enzymer førte til dannelsen af ​​en strengt videnskabelig tilgang til udviklingen af ​​biotekniske processer baseret på genteknologiske manipulationer.

Skabelsen af ​​nye forskningsmetoder var en nødvendig forudsætning for udviklingen af ​​bioteknologi i den 4. periode:

1977 - M. Maxam og W. Gilbert udviklede en metode til at analysere den primære struktur af DNA ved kemisk nedbrydning, og J. Sanger
- ved polymerasekopiering under anvendelse af terminerende nukleotidanaloger;

1981 - det første diagnostiske kit af monoklonale antistoffer er godkendt til brug i USA;

1982 - human insulin produceret af Escherichia coli-celler blev sat til salg; en vaccine til dyr opnået ved hjælp af teknologi er blevet godkendt til brug i europæiske lande
rekombinant DNA; genetisk manipulerede interferoner, tumornekrotiserende faktor, interleukin-2, humant somatotropt hormon osv. er blevet udviklet;

1986 - K. Mullis udviklede polymerasekædereaktionsmetoden (PCR);

1988 - storstilet produktion af udstyr og diagnostiske kits til PCR begyndte;

1997 - Det første pattedyr (fåret Dolly) blev klonet fra en differentieret somatisk celle.

Sådanne fremragende indenlandske videnskabsmænd som L.S. Tsenkovsky, S.N. Vyshelessky, M.V. Likhachev, N.N. Ginzburg, S.G. Kolesov, Ya.R. Kolyakov, R.V. Petrov, V.V. Kafarov og andre ydede et uvurderligt bidrag til udviklingen af ​​bioteknologi.

De vigtigste resultater af bioteknologi i den 4. periode:

1. Udvikling af intensive processer (i stedet for omfattende) baseret på målrettet, grundlæggende forskning (med producenter af antibiotika, enzymer, aminosyrer, vitaminer).

2. Indhentning af super-producenter.

3. Oprettelse af forskellige produkter, nødvendigt for en person, baseret på genteknologier.

4. Oprettelse af usædvanlige organismer, der ikke tidligere fandtes i naturen.

5. Udvikling og implementering af specialudstyr til bioteknologiske systemer.

6. Automatisering og computerisering af bioteknologiske produktionsprocesser med maksimal udnyttelse af råvarer og minimalt energiforbrug.

Ovenstående resultater inden for bioteknologi er i øjeblikket ved at blive implementeret i National økonomi og vil blive omsat i praksis i løbet af de næste 10-15 år. I en overskuelig fremtid vil nye hjørnesten i bioteknologi blive defineret, og nye opdagelser og fremskridt venter os.

1.3. Biosystemer, objekter og metoder i bioteknologi

Et af begreberne i bioteknologi er begrebet "biosystem". De generaliserede karakteristika ved et biologisk (levende) system kan reduceres til tre hovedtræk, der er iboende i dem:

1. Levende systemer er heterogene åbne systemer, der udveksler stoffer og energi med miljøet.

2. Disse systemer er selvstyrende, selvregulerende, interaktive, dvs. i stand til at udveksle information med omgivelserne for at opretholde deres struktur og kontrollere metaboliske processer.

3. Levende systemer er selvreproducerende (celler, organismer).

Ifølge deres struktur er biosystemer opdelt i elementer (undersystemer), der er indbyrdes forbundet og karakteriseret ved en kompleks organisation (atomer, molekyler, organeller, celler, organismer, populationer, samfund).

Kontrol i en celle er en kombination af processerne til syntese af protein-enzymmolekyler, der er nødvendige for implementeringen af ​​en bestemt funktion, og kontinuerlige processer med ændringer i aktivitet under interaktionen af ​​triplet-DNA-koder i kernen og makromolekyler i ribosomer. Styrkelse og hæmning af enzymatisk aktivitet sker afhængigt af mængden af ​​start- og slutprodukter af de tilsvarende biokemiske reaktioner. Takket være denne komplekse organisation adskiller biosystemer sig fra alle ikke-levende objekter.

Et biosystems adfærd er helheden af ​​dets reaktioner som reaktion på ydre påvirkninger, dvs. Den mest almindelige opgave for levende organismers kontrolsystemer er at bevare dets energigrundlag under skiftende miljøforhold.

N.M. Amosov opdeler alle biosystemer i fem hierarkiske kompleksitetsniveauer: encellede organismer, flercellede organismer, populationer, biogeocenose og biosfære.

Enkeltcellede organismer omfatter vira, bakterier og protozoer. Encellede organismers funktioner er udveksling af stof og energi med omgivelserne, vækst og deling, reaktioner på ydre stimuli i form af ændringer i stofskifte og bevægelsesform. Alle encellede organismers funktioner understøttes gennem biokemiske processer af enzymatisk karakter og gennem energimetabolisme - fra metoden til at opnå energi til syntese af nye strukturer eller nedbrydning af eksisterende. Den eneste mekanisme for encellede organismer, der sikrer deres tilpasning til miljøet, er mekanismen for ændringer i individuelle DNA-gener og som følge heraf ændringer i enzymproteiner og ændringer i biokemiske reaktioner.

Grundlaget for en systematisk tilgang til analyse af strukturen af ​​biosystemer er dens repræsentation i form af to komponenter - energi og kontrol.

I fig. 1. viser et generaliseret skematisk diagram over energi- og informationsstrømme i ethvert biosystem. Hovedelementet er energikomponenten, udpeget gennem MS (metabolisk system), og kontrolkomponenten, udpeget gennem P (genetisk og fysiologisk kontrol) og transmitterer kontrolsignaler til effektorer (E). En af stofskiftesystemets hovedfunktioner er at forsyne biosystemer med energi.

Ris. 1. Strømme af energi og information i biosystemet.

Biosystemernes struktur vedligeholdes af genetiske kontrolmekanismer. Modtagelse af energi og information fra andre systemer i form af metaboliske produkter (matabolitter), og i dannelsesperioden - i form af hormoner, styrer det genetiske system processen med syntese af nødvendige stoffer og understøtter den vitale aktivitet af andre kropssystemer, og processerne i dette system forløber ret langsomt.

På trods af biosystemernes mangfoldighed forbliver forholdet mellem deres biologiske egenskaber invariable for alle organismer. I komplekst system tilpasningsmulighederne er meget større end i simple situationer. I et simpelt system leveres disse funktioner af et lille antal mekanismer, og de er mere følsomme over for ændringer i det ydre miljø.

Biosystemer er karakteriseret ved kvalitativ heterogenitet, som viser sig ved, at inden for det samme funktionelle biosystem arbejder delsystemer med kvalitativt forskellige tilstrækkelige styresignaler (kemiske, fysiske, informationsmæssige) sammen og harmonisk.

Hierarkiet af biosystemer kommer til udtryk i den gradvise komplikation af en funktion på et niveau i hierarkiet og en brat overgang til en kvalitativt anderledes funktion på det næste niveau i hierarkiet, såvel som i den specifikke konstruktion af forskellige biosystemer, deres analyse og kontrol i en sådan rækkefølge, at den endelige outputfunktion af det underliggende hierarkiniveau er inkluderet som et element til det højere niveau.

Konstant tilpasning til miljøet og evolution er umulig uden enhed af to modsatrettede egenskaber: strukturel-funktionel organisation og strukturel-funktionel sandsynlighed, stokasticitet og variabilitet.

Strukturel og funktionel organisation manifesterer sig på alle niveauer af biosystemer og er karakteriseret ved høj stabilitet af den biologiske art og dens form. På makromolekyleniveau sikres denne egenskab ved replikation af makromolekyler, på celleniveau - ved deling, på individ- og populationsniveau - ved reproduktion af individer gennem reproduktion.

Som biologiske objekter eller systemer, som bioteknologien bruger, er det først nødvendigt at nævne encellede mikroorganismer samt dyre- og planteceller. Valget af disse objekter bestemmes af følgende punkter:

1. Celler er en slags "biofabrikker", der producerer forskellige værdifulde produkter i livets proces: proteiner, fedtstoffer, kulhydrater, vitaminer, nukleinsyrer, aminosyrer, antibiotika, hormoner, antistoffer, antigener, enzymer, alkoholer osv. Mange af disse produkter, der er ekstremt nødvendige i menneskers liv, er endnu ikke tilgængelige til produktion ved "ikke-bioteknologiske" metoder på grund af mangel på eller høje omkostninger ved råmaterialer
eller kompleksiteten af ​​teknologiske processer;

2. Celler formerer sig ekstremt hurtigt. En bakteriecelle deler sig således hvert 20. - 60. minut, en gærcelle deler sig hver 1.5. - 2. time, en dyrecelle deler sig hver 24. time, hvilket gør det muligt kunstigt at øge enorme mængder biomasse i industriel skala på relativt kort tid på relativt billige og ikke-mangelfulde næringsmedier mikrobielle, dyre- eller planteceller. For eksempel kan der i en bioreaktor med en kapacitet på 100 m 3 dyrkes 10" 6 - 10 18 mikrobielle celler på 2 - 3 dage. I løbet af cellernes levetid, når de dyrkes, kommer der en stor mængde værdifulde produkter ind. miljøet, og cellerne selv er lagerhuse for disse produkter;

3. Biosyntese af komplekse stoffer som proteiner, antibiotika, antigener, antistoffer osv. er meget mere økonomisk og teknologisk tilgængelig end kemisk syntese. Samtidig er råstoffet til biosyntese som udgangspunkt enklere og mere tilgængeligt end råvarer til andre
typer af syntese. Til biosyntese anvendes affald fra landbrug, fiskeri, fødevareindustri, planteråvarer (valle, gær, træ, melasse mv.).

4. Muligheden for at gennemføre den bioteknologiske proces i industriel skala, dvs. tilgængelighed af passende teknologisk udstyr, tilgængelighed af råmaterialer, forarbejdningsteknologier mv.

Naturen har således givet forskerne et levende system, der indeholder og syntetiserer unikke komponenter, og først og fremmest nukleinsyrer, med opdagelsen af ​​hvilke bioteknologi og verdensvidenskab som helhed begyndte at udvikle sig hurtigt.

Objekter for bioteknologi er vira, bakterier, svampe, protozoiske organismer, celler (væv) fra planter, dyr og mennesker, stoffer af biologisk oprindelse (for eksempel enzymer, prostaglandiner, lectiner, nukleinsyrer), molekyler.

I denne forbindelse kan vi sige, at bioteknologiske objekter enten relaterer sig til mikroorganismer eller til plante- og dyreceller. Til gengæld kan kroppen karakteriseres som et system med økonomisk, kompleks, kompakt, målrettet syntese, der støt og aktivt fortsætter med optimal vedligeholdelse af alle nødvendige parametre.

De metoder, der anvendes i bioteknologi, er bestemt på to niveauer: cellulært og molekylært. Begge er bestemt af bi-objekter.

I det første tilfælde beskæftiger de sig med bakterieceller (til opnåelse af vaccinepræparater), actinomycetes (til opnåelse af antibiotika), mikromyceter (til opnåelse af Citronsyre), dyreceller (ved produktion af antivirale vacciner), humane celler (ved produktion af interferon) osv.

I det andet tilfælde beskæftiger de sig med molekyler, for eksempel nukleinsyrer. Men i det sidste trin omdannes det molekylære niveau til det cellulære niveau. Dyre- og planteceller, mikrobielle celler i livsaktivitet (assimilering og dissimilering) danner nye produkter og udskiller metabolitter af forskellig fysisk og kemisk sammensætning og biologiske effekter.

Når en celle vokser, sker der et stort antal enzymkatalyserede reaktioner i den, hvilket resulterer i dannelsen af ​​mellemliggende forbindelser, som igen omdannes til cellestrukturer. Mellemliggende forbindelser, byggesten, omfatter 20 aminosyrer, 4 ribonukleotider, 4 deoxyribonukleotider, 10 vitaminer, monosaccharider, fedtsyrer og hexosaminer. Fra disse "klodser" bygges "blokke": cirka 2000 proteiner, DNA, tre typer RNA, polysaccharider, lipider, enzymer. De resulterende "blokke" bruges til konstruktion af cellulære strukturer: kernen, ribosomer, membran, cellevæg, mitokondrier, flageller osv., som udgør cellen.

På hvert trin af den "biologiske syntese" af en celle er det muligt at identificere de produkter, der kan bruges i bioteknologi.

Typisk er encellede produkter opdelt i 4 kategorier:

a) selve cellerne som kilde til målproduktet. For eksempel bruges dyrkede bakterier eller vira til at producere levende eller dræbte blodlegemevacciner; gær, som foderprotein eller et grundlag for at opnå hydrolysater af næringsmedier osv.;

b) store molekyler, der syntetiseres af celler under vækstprocessen: enzymer, toksiner, antigener, antistoffer, peptidoglycaner osv.;

c) primære metabolitter - stoffer med lav molekylvægt (mindre end 1500 dalton) nødvendige for cellevækst, såsom aminosyrer, vitaminer, nukleotider, organiske syrer;

d) sekundære metabolitter (idioliter) - lavmolekylære forbindelser, der ikke er nødvendige for cellevækst: antibiotika, alkaloider, toksiner, hormoner.

Alle mikroobjekter, der anvendes i bioteknologi, er klassificeret som akaryoter, pro- eller eukaryoter. Fra gruppen af ​​eukaryoter fungerer den for eksempel som biologiske objekter med cellerne fra protozoer, alger og svampe, fra gruppen af ​​prokaryoter - med cellerne af blågrønne alger og bakterier, og akaryoter - med vira.

Biologiske objekter fra mikrokosmos varierer i størrelse fra nanometer (vira, bakteriofager) til millimeter og centimeter (gigantiske alger) og karakteriseres relativt hurtigt tempo reproduktion. I den moderne medicinalindustri bruges et gigantisk udvalg af biologiske genstande, hvis gruppering er meget kompleks og bedst kan udføres ud fra princippet om deres proportionalitet.

Et enormt sæt af bio-objekter udtømmer ikke hele den elementære base, som bioteknologien fungerer med. Nylige fremskridt inden for biologi og genteknologi har ført til fremkomsten af ​​helt nye biologiske objekter - transgene (genetisk modificerede) bakterier, vira, svampe, plante-, dyre-, menneskeceller og kimærer.

Selvom medlemmer af alle superriger indeholder genetisk materiale, mangler forskellige akaryoter enhver type nukleinsyre (RNA eller DNA). De er ikke i stand til at fungere (herunder replikere) uden for en levende celle, og derfor er det legitimt at kalde dem atomfri. Virusparasitisme udvikler sig på det genetiske niveau.

Med en målrettet undersøgelse af forskellige økologiske nicher identificeres nye grupper af producerende mikroorganismer nyttige stoffer, som kan bruges i bioteknologi. Antallet af mikroorganismearter, der anvendes i bioteknologi, vokser konstant.

Når du vælger et biologisk objekt, skal i alle tilfælde princippet om fremstillingsevne overholdes. Så hvis et biologisk objekts egenskaber under adskillige dyrkningscykler ikke bevares eller undergår væsentlige ændringer, så bør dette biologiske objekt betragtes som lavteknologisk, dvs. uacceptabelt for den teknologiske udvikling efter laboratorieforskningens fase.

Med udviklingen af ​​bioteknologi bliver specialiserede banker af biologiske objekter af stor betydning, især samlinger af mikroorganismer med undersøgte egenskaber samt kryobanker af dyre- og planteceller, som allerede nu ved hjælp af specielle metoder med succes kan bruges til at konstruere nye organismer, der er nyttige til bioteknologi. Faktisk er sådanne specialiserede afgrødebanker ansvarlige for at bevare en ekstremt værdifuld genpulje.

Kultursamlinger spiller en vigtig rolle i den juridiske beskyttelse af nye afgrøder og i standardiseringen af ​​bioteknologiske processer. Samlingerne udfører konservering, vedligeholdelse og tilførsel af mikroorganismer med stammer, plasmider, fager, cellelinjer til både videnskabelig og anvendt forskning, samt til relevant produktion. Kultursamlinger bidrager udover deres hovedopgave - at sikre levedygtigheden og bevarelsen af ​​stammernes genetiske egenskaber - til udviklingen af ​​videnskabelig forskning (inden for taksonomi, cytologi, fysiologi) og tjener også uddannelsesformål. De udfører en uundværlig funktion som opbevaringssteder for patenterede stammer. Ifølge internationale regler kan ikke kun effektive producenter, men også afgrøder, der anvendes i genteknologi, patenteres og deponeres.

Forskere er meget opmærksomme på den målrettede skabelse af nye biologiske objekter, der ikke findes i naturen. Først og fremmest skal det bemærkes oprettelsen af ​​nye celler af mikroorganismer, planter, dyr ved hjælp af genteknologiske metoder. Skabelsen af ​​nye biologiske objekter lettes naturligvis af forbedringen af ​​den juridiske beskyttelse af opfindelser inden for genteknologi og bioteknologi generelt. Der er dannet en retning, der omhandler konstruktion af kunstige celler. I øjeblikket findes der metoder, der gør det muligt at opnå kunstige celler ved hjælp af forskellige syntetiske og biologiske materialer, for eksempel en kunstig cellemembran med en given permeabilitet og overfladeegenskaber. Nogle materialer kan være indeholdt i sådanne celler: enzymsystemer, celleekstrakter, biologiske celler, magnetiske materialer, isotoper, antistoffer, antigener, hormoner osv. Brugen af ​​kunstige celler har givet positive resultater i produktionen af ​​interferoner og monoklonale antistoffer, i skabelse af immunosorbenter mv.

Tilgange til at skabe kunstige enzymer og enzymanaloger med øget stabilitet og aktivitet er under udvikling. For eksempel udføres syntesen af ​​polypeptider med den ønskede stereokonfiguration, og der søges efter metoder til rettet mutagenese for at erstatte en aminosyre med en anden i enzymmolekylet. Der gøres forsøg på at konstruere ikke-enzymatiske katalytiske modeller.

Følgende grupper af biologiske objekter bør identificeres som de mest lovende:

Rekombinanter, dvs. organismer opnået ved genteknologi;

Plante- og dyrevævsceller;

Termofile mikroorganismer og enzymer;

Anaerobe organismer;

Foreninger til transformation af komplekse substrater;

Immobiliserede biologiske objekter.

Processen med kunstigt at skabe et biologisk objekt (mikroorganisme eller vævscelle) består i at ændre dets genetiske information for at eliminere uønskede og forbedre de ønskede egenskaber eller give det helt nye kvaliteter. De mest målrettede ændringer kan foretages gennem rekombination - omfordeling af gener eller dele af gener og kombination af genetisk information fra to eller flere organismer i én organisme. Produktionen af ​​rekombinante organismer kan især opnås ved protoplastfusion, ved overførsel af naturlige plasmider og ved gensplejsningsmetoder.

På dette stadium af bioteknologisk udvikling omfatter ikke-traditionelle biologiske midler plante- og dyrevævsceller, herunder hybridomer og transplantater. Pattedyrcellekulturer producerer allerede interferon- og virusvacciner i den nærmeste fremtid, storskalaproduktion af monoklonale antistoffer, overfladeantigener fra humane celler og angiogene faktorer.

Med udviklingen af ​​bioteknologiske metoder vil der blive rettet stigende opmærksomhed mod brugen af ​​termofile mikroorganismer og deres enzymer.

Enzymer produceret af termofile mikroorganismer er kendetegnet ved termisk stabilitet og højere modstand mod denaturering sammenlignet med enzymer fra mesofiler. Udførelse af bioteknologiske processer ved forhøjede temperaturer ved hjælp af enzymer fra termofile mikroorganismer har en række fordele:

1) reaktionshastigheden stiger;

2) opløseligheden af ​​reagenser øges og, på grund af dette, produktiviteten af ​​processen;

3) muligheden for mikrobiel kontaminering af reaktionsmediet reduceres.

Der er en genopblussen af ​​bioteknologiske processer ved hjælp af anaerobe mikroorganismer, som ofte også er termofile. Anaerobe processer tiltrækker sig forskernes opmærksomhed på grund af mangel på energi og muligheden for at producere biogas. Da anaerob dyrkning ikke kræver beluftning af miljøet, og biokemiske processer er mindre intense, er varmefjernelsessystemet forenklet, anaerobe processer kan betragtes som energibesparende.

Anaerobe mikroorganismer bruges med succes til at behandle affald (plantebiomasse, fødevareindustriaffald, husholdningsaffald osv.) og spildevand (husholdnings- og industrispildevand, gødning) til biogas.

I de senere år er brugen af ​​blandede kulturer af mikroorganismer og deres naturlige associationer vokset. I en reel biologisk situation i naturen eksisterer mikroorganismer i form af samfund af forskellige populationer, tæt forbundet med hinanden og udfører cirkulationen af ​​stoffer i naturen.

De vigtigste fordele ved blandede afgrøder sammenlignet med monokulturer er som følger:

Evnen til at anvende komplekse, heterogene substrater, ofte uegnede til monokulturer;

Evne til at mineralisere komplekse organiske forbindelser;

Øget evne til biotransformation af organiske stoffer;

Øget modstand mod giftige stoffer, herunder tungmetaller;

Øget modstand mod miljøpåvirkninger;

Øget produktivitet;

Mulig udveksling af genetisk information mellem individuelle arter i samfundet.

Der bør lægges særlig vægt på en sådan gruppe af biologiske objekter som enzymkatalysatorer af biologisk oprindelse, hvis undersøgelse i det anvendte aspekt udføres af ingeniørenzymologi. Dens hovedopgave er udviklingen af ​​bioteknologiske processer, der bruger den katalytiske virkning af enzymer, normalt isoleret fra biologiske systemer eller placeret inde i celler, der kunstigt er frataget evnen til at vokse. Takket være enzymer øges reaktionshastigheden sammenlignet med reaktioner, der forekommer i fravær af disse katalysatorer, med 10 b - 10 12 gange.

Immobiliserede biologiske objekter bør skelnes som en separat gren af ​​skabelsen og brugen af ​​biologiske objekter. Et immobiliseret objekt er et harmonisk system, hvis handling generelt bestemmes af det korrekte valg af tre hovedkomponenter: et biologisk objekt, en bærer og en metode til at binde objektet til bæreren.

Følgende grupper af metoder til mobilisering af biologiske objekter bruges hovedsageligt:

Inkludering i geler, mikrokapsler;

Adsorption på uopløselige bærere;

Kovalent binding til bæreren;

Tværbinding med bifunktionelle reagenser uden brug af en bærer;

- "selv-aggregering" i tilfælde af intakte celler.

De vigtigste fordele ved at bruge immobiliserede biologiske objekter er:

Høj aktivitet;

Evne til at kontrollere agentens mikromiljø;

muligheden for fuldstændig og hurtig adskillelse af målprodukter;

Mulighed for at organisere kontinuerlige processer med gentagen brug af et objekt.

Som det følger af ovenstående, er det i bioteknologiske processer muligt at anvende en række biologiske objekter karakteriseret ved forskellige niveauer af kompleksitet af biologisk regulering, for eksempel cellulær, subcellulær, molekylær. Tilgangen til at skabe hele det bioteknologiske system som helhed afhænger direkte af egenskaberne ved et bestemt biologisk objekt.

Som et resultat af biologisk grundforskning uddybes og udbygges viden om naturen og dermed om mulighederne for anvendt anvendelse af et bestemt biologisk system som et aktivt princip i en bioteknologisk proces. Sættet af biologiske objekter opdateres konstant.

1.4. Hovedretninger for udvikling af metoderbioteknologi i veterinærmedicin

I løbet af de sidste 40 - 50 år har de fleste videnskaber udviklet sig med stormskridt, hvilket har ført til en komplet revolution i produktionen af ​​veterinære og medicinske biologiske produkter, skabelsen af ​​transgene planter og dyr med specificerede unikke egenskaber. Sådan forskning er et prioriteret område for videnskabelige og teknologiske fremskridt i det 21. århundrede. vil tage en førende plads blandt alle videnskaber.

Selv en simpel opremsning af de kommercielle former for biologiske produkter indikerer bioteknologiens ubegrænsede muligheder. Dette vigtige spørgsmål fortjener dog nogle detaljer.

Efter vores opfattelse er bioteknologiens muligheder særligt imponerende på tre hovedområder.

Den første er produktion i stor skala af mikrobielt protein til foderformål (oprindeligt baseret på træhydrolysater og derefter baseret på petroleumskulbrinter).

En vigtig rolle spilles af produktionen af ​​essentielle aminosyrer, der er nødvendige for en afbalanceret aminosyresammensætning af fodertilsætningsstoffer.

Ud over foderprotein, aminosyrer, vitaminer og andre fodertilsætningsstoffer, der øger foderets næringsværdi, udvides mulighederne for masseproduktion og anvendelse af virale og bakterielle præparater til forebyggelse af sygdomme hos fugle og husdyr hastigt. effektiv kamp med skadedyr af landbrugsplanter. Mikrobiologiske præparater, i modsætning til mange kemiske, har en meget specifik effekt på skadelige insekter og fytopatogene mikroorganismer, de er uskadelige for mennesker og dyr, fugle og gavnlige insekter. Sammen med den direkte ødelæggelse af skadedyr i behandlingsperioden virker de på afkommet, reducerer deres frugtbarhed og forårsager ikke dannelsen af ​​resistente former for skadelige organismer.

Bioteknologiens potentiale i produktionen af ​​enzympræparater til forarbejdning af landbrugsråvarer og skabelsen af ​​nyt foder til husdyr er enormt.

Den anden retning er udvikling af hensyn til udviklingen af ​​biologisk videnskab, sundhedsvæsen og veterinærmedicin. Baseret på resultaterne af genteknologi og molekylærbiologi kan bioteknologi give sundhedsvæsenet højeffektive vacciner og antibiotika, monoklonale antistoffer, interferon, vitaminer, aminosyrer samt enzymer og andre biologiske produkter til forsknings- og terapeutiske formål. Nogle af disse lægemidler bliver allerede med succes brugt, ikke kun i videnskabelige eksperimenter, men også i praktisk medicin og veterinærmedicin.

Endelig er den tredje retning udviklingen for industrien. Allerede i dag forbruges eller bruges produkterne fra bioteknologisk produktion af fødevare- og lette industrier (enzymer), metallurgi (brug af visse stoffer i processerne til flotation, præcisionsstøbning, præcisionsvalsning), olie- og gasindustrien (brugen af en række stoffer kompleks behandling plante- og mikrobiel biomasse under brøndboring, selektiv rensning osv.), gummi- og malings- og lakindustrien (forbedring af kvaliteten af ​​syntetisk gummi gennem visse proteinadditiver) samt en række andre industrier.

Aktivt udviklende områder inden for bioteknologi omfatter bioelektronik og bioelektrokemi, bionik og nanoteknologi, som bruger enten biologiske systemer eller driftsprincipperne for sådanne systemer.

Enzymholdige sensorer er meget udbredt i videnskabelig forskning. Ud fra dem er der udviklet en række enheder, for eksempel billige, præcise og pålidelige instrumenter til analyse. Bioelektroniske immunosensorer dukker også op, hvoraf nogle bruger transistorers felteffekt. Baseret på dem er det planlagt at skabe relativt billige enheder, der er i stand til at bestemme og vedligeholde koncentrationen af ​​en lang række stoffer i kropsvæsker på et givet niveau, hvilket kan forårsage en revolution inden for biologisk diagnostik.

Resultater af veterinær bioteknologi. I Rusland begyndte bioteknologien som videnskab at udvikle sig i 1896. Fremdriften var behovet for at skabe forebyggende og terapeutiske midler mod sygdomme som miltbrand, kvægpest, rabies, mund- og klovsyge og trikinose. I slutningen af ​​det 19. århundrede. Hvert år døde mere end 50 tusinde dyr og 20 tusinde mennesker af miltbrand. For 1881-1906 3,5 millioner køer døde af pesten. Betydelige skader blev forårsaget af driller, som dræbte heste og mennesker.

Succeserne for indenlandsk veterinærvidenskab og praksis med at udføre specifik forebyggelse af infektionssygdomme er forbundet med store videnskabelige opdagelser gjort i slutningen af ​​det 19. og begyndelsen af ​​det 20. århundrede. Det drejede sig om udvikling og indførelse i veterinærpraksis af forebyggende og diagnostiske lægemidler til karantæne og især farlige dyresygdomme (vacciner mod miltbrand, pest, rabies, allergener til diagnosticering af tuberkulose, kirtler mv.). Muligheden for at fremstille terapeutiske og diagnostiske hyperimmune serum er blevet videnskabeligt bevist.

Denne periode markerer den faktiske organisering af en uafhængig biologisk industri i Rusland.

Siden 1930 begyndte de eksisterende veterinære bakteriologiske laboratorier og institutter i Rusland at udvide betydeligt, og på grundlag heraf begyndte opførelsen af ​​store biologiske fabrikker og bioprocesanlæg til produktion af vacciner, serum og diagnostik til veterinære formål. I denne periode udvikles teknologiske processer, videnskabelig og teknologisk dokumentation samt ensartede metoder (standarder) for produktion, kontrol og brug af lægemidler i husdyrhold og veterinærmedicin.

I 30'erne blev de første fabrikker bygget til at producere fodergær fra træhydrolysater, landbrugsaffald og sulfitvæske under ledelse af V.N. Teknologien til mikrobiologisk produktion af acetone og butanol er med succes blevet introduceret (fig. 2).

Hans undervisning om fermenteringens tofasede natur spillede en stor rolle i at skabe grundlaget for indenlandsk bioteknologi. I 1926 blev de bioenergetiske mønstre for kulbrinteoxidation af mikroorganismer undersøgt i USSR. I de efterfølgende år blev den bioteknologiske udvikling i vid udstrækning brugt i vores land til at udvide "sortimentet" af antibiotika til medicin og dyrehold, enzymer, vitaminer, vækststoffer og pesticider.

Siden oprettelsen af ​​All-Union Scientific Research Institute of Biosynthesis of Protein Substances i 1963, er storskalaproduktion blevet etableret i vores land rig på proteiner biomasse af mikroorganismer som foder.

I 1966 blev den mikrobiologiske industri opdelt i en separat industri, og hoveddirektoratet for den mikrobiologiske industri under USSR's ministerråd - Glavmicrobioprom - blev oprettet.

Siden 1970 er der i vores land udført intensiv forskning i udvælgelse af mikroorganismekulturer til kontinuerlig dyrkning til industrielle formål.

Sovjetiske forskere blev involveret i udviklingen af ​​gensplejsningsmetoder i 1972. Det er værd at påpege den vellykkede implementering af "Revertase"-projektet i USSR - produktionen af ​​enzymet "revers transkriptase" i industriel skala.

Udviklingen af ​​metoder til at studere strukturen af ​​proteiner, belysning af funktionsmekanismerne og regulering af enzymaktivitet åbnede vejen for målrettet modifikation af proteiner og førte til fødslen af ​​ingeniørenzymologi. Meget stabile immobiliserede enzymer er ved at blive et stærkt værktøj til katalytiske reaktioner i forskellige industrier.

Alle disse præstationer har bragt bioteknologi til et nyt niveau, kvalitativt forskelligt fra det forrige med evnen til bevidst at kontrollere cellulære biosynteseprocesser.

I løbet af årene med dannelsen af ​​den industrielle produktion af biologiske lægemidler i vores land er der sket betydelige kvalitative ændringer i bioteknologiske metoder til deres produktion:

Der er blevet udført forskning for at opnå persistente, arveligt fikserede, avirulente stammer af mikroorganismer, hvorfra der fremstilles levende vacciner;

Der er udviklet nye næringsmedier til dyrkning af mikroorganismer, herunder dem, der er baseret på hydrolysater og ekstrakter fra non-food råvarer;

Der er opnået vallenæringsmedier af høj kvalitet til Leptospira og andre vanskelige at dyrke mikroorganismer;

Der er udviklet en dyb reaktormetode til at dyrke mange typer bakterier, svampe og nogle vira;

Nye stammer og cellelinjer, der er følsomme over for mange vira, er blevet opnået, hvilket har muliggjort fremstilling og produktion af standard- og mere aktive antivirale vacciner;

Alle produktionsprocesser er mekaniserede og automatiserede;

Moderne metoder til at koncentrere mikrobielle kulturer og frysetørring af biologiske produkter er blevet udviklet og indført i produktionen;

Energiomkostningerne pr. produktionsenhed er blevet reduceret, kvaliteten af ​​biologiske produkter er blevet standardiseret og forbedret;

Kulturen for produktion af biologiske produkter er blevet forbedret.

Med stor opmærksomhed på udviklingen af ​​veterinære biologiske produkter til forebyggelse, diagnosticering af infektionssygdomme og behandling af syge dyr, arbejder vores land konstant på at forbedre industriel teknologi og mestre produktionen af ​​mere effektive, billigere og standardlægemidler. De vigtigste krav er:

Brug af global erfaring;

Besparelse af ressourcer;

Bevarelse af produktionsområder;

Køb og installation af moderne udstyr og teknologiske linjer;

Udførelse af videnskabelig forskning i udvikling og opdagelse af nye typer bioprodukter, nye og billige opskrifter til fremstilling af næringsmedier;

At finde mere aktive stammer af mikroorganismer i forhold til deres antigene, immunogene og produktive egenskaber.

Federal State Educational Institute of Higher Professional Education "Moskva statsakademiet veterinærmedicin og bioteknologi opkaldt efter. K.I. Skryabian"

Abstrakt om bioteknologi

"Foredrag nr. 1"

Arbejdet er afsluttet

FVM-studerende

4 kurser, 11 grupper

Gordon Maria

Den disciplin, der studerer, hvordan organismer bruges til at løse teknologiske problemer, er, hvad bioteknologi er. Kort sagt er det en videnskab, der studerer levende organismer på jagt efter nye måder at opfylde menneskelige behov på. For eksempel er genteknologi eller kloning nye discipliner, der bruger både organismer og de nyeste computerteknologier med lige stor aktivitet.

Bioteknologi: kort fortalt

Meget ofte forveksles begrebet "bioteknologi" med genteknologi, som opstod i det 20.-21. århundrede, men bioteknologi refererer til en bredere specificitet af arbejdet. Bioteknologi har specialiseret sig i at modificere planter og dyr gennem hybridisering og kunstig selektion til menneskelige behov.

Denne disciplin har givet menneskeheden mulighed for at forbedre kvaliteten af ​​fødevarer, øge levetiden og produktiviteten for levende organismer - det er det, bioteknologi er.

Indtil 70'erne af forrige århundrede blev dette udtryk udelukkende brugt i fødevareindustrien og landbruget. Det var først i 1970'erne, at videnskabsmænd begyndte at bruge udtrykket "bioteknologi" i laboratorieforskning, såsom dyrkning af levende organismer i reagensglas eller skabelse af rekombinant DNA. Denne disciplin er baseret på videnskaber som genetik, biologi, biokemi, embryologi samt robotteknologi, kemisk og informationsteknologi.

Med udgangspunkt i nye videnskabelige og teknologiske tilgange er der udviklet bioteknologiske metoder, som består af to hovedpositioner:

• Storstilet og dyb dyrkning af biologiske objekter i en periodisk kontinuerlig tilstand.
• Dyrkning af celler og væv under særlige forhold.

Nye bioteknologiske metoder gør det muligt at manipulere gener, skabe nye organismer eller ændre eksisterende levende cellers egenskaber. Dette gør det muligt i større udstrækning at udnytte organismers potentiale og letter menneskelig økonomisk aktivitet.

Bioteknologiens historie

Uanset hvor mærkeligt det kan lyde, har bioteknologi sin oprindelse fra en fjern fortid, hvor folk lige var begyndt at engagere sig i vinfremstilling, bagning og andre madlavningsmetoder. For eksempel var den bioteknologiske fermenteringsproces, hvor mikroorganismer deltog aktivt, kendt tilbage i det gamle Babylon, hvor den blev meget brugt.

Bioteknologi begyndte først at blive betragtet som en videnskab i begyndelsen af ​​det 20. århundrede. Dens grundlægger var den franske videnskabsmand, mikrobiolog Louis Pasteur, og selve udtrykket blev først introduceret i brug af den ungarske ingeniør Karl Ereki (1917). Det 20. århundrede var præget af den hurtige udvikling af molekylærbiologi og genetik, hvor resultaterne af kemi og fysik blev aktivt brugt. Et af de vigtigste stadier i forskningen var udviklingen af ​​metoder til dyrkning af levende celler. Oprindeligt blev kun svampe og bakterier dyrket til industrielle formål, men efter flere årtier kan videnskabsmænd skabe hvilke som helst celler, fuldstændig kontrollere deres udvikling.

I begyndelsen af ​​det 20. århundrede udviklede fermenterings- og mikrobiologiske industrier sig aktivt. På dette tidspunkt blev der gjort de første forsøg på at etablere produktionen af ​​antibiotika. De første fødevarekoncentrater er under udvikling, niveauet af enzymer i animalske produkter overvåges og planteoprindelse. I 1940 lykkedes det forskerne at opnå det første antibiotikum - penicillin. Dette blev drivkraften til udviklingen af ​​industriel produktion af lægemidler opstod en hel gren af ​​den farmaceutiske industri, som repræsenterer en af ​​cellerne i moderne bioteknologi.

I dag bruges bioteknologier i fødevareindustrien, medicin, landbrug og mange andre områder af menneskelig aktivitet. Derfor mange nye videnskabelige retninger med præfikset "bio".

Bioteknik

På spørgsmålet om, hvad bioteknologi er, vil størstedelen af ​​befolkningen uden tvivl svare, at det ikke er andet end genteknologi. Dette er delvist rigtigt, men ingeniørarbejde er kun en del af den brede disciplin bioteknologi.

Bioengineering er en disciplin, hvis hovedaktivitet er rettet mod at forbedre menneskers sundhed ved at kombinere viden fra områderne ingeniørvidenskab, medicin, biologi og anvende dem i praksis. Det fulde navn på denne disciplin er biomedicinsk teknik. Hendes hovedspecial er løsninger medicinske problemer. Brugen af ​​bioteknologi i medicin gør det muligt at modellere, udvikle og studere nye stoffer, udvikle lægemidler og endda redde en person fra medfødte sygdomme, der overføres via DNA. Specialister på dette område kan skabe enheder og udstyr til at udføre nye procedurer. Takket være brugen af ​​bioteknologi i medicin er der udviklet kunstige led, pacemakere, hudproteser og hjerte-lunge-maskiner. Ved hjælp af nye computerteknologier kan bioingeniører skabe proteiner med nye egenskaber ved hjælp af computersimuleringer.

Biomedicin og farmakologi

Udviklingen af ​​bioteknologi har gjort det muligt at se på medicin på en ny måde. Ved at udvikle et teoretisk grundlag om den menneskelige krop har specialister inden for dette område mulighed for at bruge nanoteknologi til at ændre biologiske systemer. Udviklingen af ​​biomedicin har sat skub i fremkomsten af ​​nanomedicin, hvis hovedaktivitet er at overvåge, korrigere og designe levende systemer på molekylært niveau. Eksempelvis målrettet udlevering af medicin. Er ikke hurtiglevering fra apoteket til hjemmet, og overførsel af lægemidlet direkte til den syge celle i kroppen.

Biofarmakologi er også under udvikling. Den undersøger de virkninger, som stoffer af biologisk eller bioteknologisk oprindelse har på kroppen. Forskning inden for dette vidensområde fokuserer på studiet af biofarmaceutiske midler og udviklingen af ​​metoder til deres skabelse. I biofarmakologi lægemidler opnået fra levende biologiske systemer eller kropsvæv.

Bioinformatik og bionik

Men bioteknologi er ikke kun studiet af molekyler af væv og celler fra levende organismer, det er også anvendelsen af ​​computerteknologi. Således finder bioinformatik sted. Det omfatter et sæt tilgange som:

• Genomisk bioinformatik. Det vil sige computeranalysemetoder, der bruges i komparativ genomik.
• Strukturel bioinformatik. Udvikling af computerprogrammer, der forudsiger den rumlige struktur af proteiner.
• Beregning. Oprettelse af beregningsmetoder, der kan styre biologiske systemer.

I denne disciplin anvendes metoder inden for matematik, statistisk beregning og datalogi sammen med biologiske metoder. Ligesom man i biologien bruger datalogi og matematik, så i eksakte videnskaber i dag kan de bruge læren om organisering af levende organismer. Ligesom i bionik. Dette er en anvendt videnskab, hvor tekniske enheder principper og strukturer i den levende natur anvendes. Vi kan sige, at dette er en slags symbiose af biologi og teknologi. Disciplinære tilgange i bionik betragtes fra nyt punkt vision for både biologi og teknologi. Bionics betragtes som lignende og Karakteristiske træk disse discipliner. Denne disciplin har tre undertyper - biologisk, teoretisk og teknisk. Biologisk bionik studerer de processer, der forekommer i biologiske systemer. Teoretisk bionik bygger matematiske modeller biosystemer Og teknisk bionik anvender udviklingen af ​​teoretisk bionik til at løse forskellige problemer.

Som du kan se, er bioteknologiens resultater udbredt i moderne medicin og sundhedsvæsen, men dette er kun toppen af ​​isbjerget. Som allerede nævnt begyndte bioteknologi at udvikle sig fra det øjeblik, en person begyndte at tilberede sin egen mad, og derefter blev den meget brugt i landbruget til at dyrke nye avlsafgrøder og avle nye racer af husdyr.

Celleteknik

En af de vigtigste teknikker inden for bioteknologi er gen- og celleteknologi, som fokuserer på at skabe nye celler. Ved hjælp af disse værktøjer har menneskeheden været i stand til at skabe levedygtige celler fra helt forskellige elementer, der tilhører forskellige arter. Dermed skabes et nyt sæt gener, som ikke findes i naturen. Genteknologi gør det muligt for en person at opnå de ønskede kvaliteter fra modificerede plante- eller dyreceller.

Præstationerne af genteknologi i landbruget værdsættes især. Dette gør det muligt at dyrke planter (eller dyr) med forbedrede kvaliteter, såkaldte selektive arter. Avlsaktivitet er baseret på udvælgelse af dyr eller planter med udtalte gunstige egenskaber. Disse organismer krydses derefter, og der opnås en hybrid med den nødvendige kombination af nyttige egenskaber. Selvfølgelig lyder alt enkelt i ord, men at få den ønskede hybrid er ret svært. I virkeligheden er det muligt at opnå en organisme med kun et eller få gavnlige gener. Det vil sige, at der kun tilføjes nogle få ekstra kvaliteter til kildematerialet, men selv dette gjorde det muligt at tage et stort skridt i udviklingen af ​​landbruget.

Udvælgelse og bioteknologi har gjort landmændene i stand til at øge udbyttet, gøre frugterne større, mere velsmagende og vigtigst af alt, modstandsdygtige over for frost. Udvælgelse går ikke uden om husdyrsektoren. Hvert år opstår der nye racer af husdyr, som kan give flere husdyr og føde.

Præstationer

Forskere skelner mellem tre bølger i skabelsen af ​​avlsplanter:

1. Slutningen af ​​80'erne. Det var da forskerne først begyndte at avle planter, der var resistente over for virus. For at gøre dette tog de et gen fra arter, der kunne modstå sygdomme, "transplanterede" det ind i andre planters DNA-struktur og fik det til at "virke".
2. Begyndelsen af ​​2000'erne. I denne periode begyndte man at skabe planter med nye forbrugeregenskaber. Eksempelvis med et højt indhold af olier, vitaminer mv.
3. Vores dage. I de næste 10 år planlægger forskere at bringe vaccineplanter, lægemiddelplanter og biogenvindingsanlæg på markedet, der vil producere komponenter til plastik, farvestoffer osv.

Selv inden for dyrehold er løftet om bioteknologi spændende. Der er længe skabt dyr, der har et transgent gen, det vil sige, at de har en form for funktionelt hormon, for eksempel væksthormon. Men disse var kun indledende eksperimenter. Forskning har resulteret i transgene geder, der kan producere et protein, der stopper blødning hos patienter, der lider af dårlig blodpropper.

I slutningen af ​​90'erne af forrige århundrede begyndte amerikanske videnskabsmænd at arbejde tæt sammen om kloning af animalske embryoceller. Dette ville gøre det muligt at dyrke husdyr i reagensglas, men indtil videre mangler denne metode stadig at blive forbedret. Men i xenotransplantation (transplantation af organer fra en art til en anden) har forskere inden for anvendt bioteknologi opnået betydelige fremskridt. For eksempel kan grise med det menneskelige genom bruges som donorer, så er der minimal risiko for afvisning.

Fødevarebioteknologi

Som allerede nævnt blev bioteknologiske forskningsmetoder oprindeligt brugt i fødevareproduktionen. Yoghurt, surdeje, øl, vin, bageriprodukter- Det er produkter, der er fremstillet ved hjælp af fødevarebioteknologi. Dette forskningssegment involverer processer rettet mod at ændre, forbedre eller skabe specifikke egenskaber for levende organismer, især bakterier. Specialister inden for dette vidensfelt udvikler nye teknikker til fremstilling af forskellige fødevareprodukter. De leder efter og forbedrer mekanismer og metoder til deres forberedelse.

Den mad, en person spiser hver dag, bør være rig på vitaminer, mineraler og aminosyrer. Men fra i dag er der ifølge FN et problem med at forsyne folk med mad. Næsten halvdelen af ​​befolkningen har ikke mad nok, 500 millioner er sultne, og en fjerdedel af verdens befolkning spiser utilstrækkelig kvalitetsfødevarer.

I dag er der 7,5 milliarder mennesker på planeten, og hvis der ikke sættes ind for at forbedre kvaliteten og kvantiteten af ​​fødevarer, hvis dette ikke gøres, vil mennesker i udviklingslandene lide ødelæggende konsekvenser. Og hvis det er muligt at erstatte lipider, mineraler, vitaminer, antioxidanter med fødevarebioteknologiske produkter, så er det næsten umuligt at erstatte protein. Mere end 14 millioner tons protein hvert år er ikke nok til at opfylde menneskehedens behov. Men det er her, bioteknologien kommer til undsætning. Moderne proteinproduktion er baseret på kunstig dannelse af proteinfibre. De er imprægneret med de nødvendige stoffer, givet form, den passende farve og lugt. Denne tilgang gør det muligt at erstatte næsten ethvert protein. Og smagen og udseendet adskiller sig ikke fra det naturlige produkt.

Kloning

Et vigtigt vidensområde inden for moderne bioteknologi er kloning. I flere årtier nu har forskere forsøgt at skabe identiske afkom uden at ty til seksuel reproduktion. Kloningsprocessen bør resultere i en organisme, der ligner forælderen, ikke kun i udseende, men også i genetisk information.

I naturen er kloningsprocessen almindelig blandt nogle levende organismer. Hvis en person føder enæggede tvillinger, kan de betragtes som naturlige kloner.

Kloning blev første gang udført i 1997, da fåret Dolly blev kunstigt skabt. Og allerede i slutningen af ​​det tyvende århundrede begyndte videnskabsmænd at tale om muligheden for menneskelig kloning. Derudover blev begrebet delvis kloning udforsket. Det vil sige, at det ikke er muligt at genskabe hele organismen, men dens individuelle dele eller væv. Hvis du forbedrer denne metode, kan du få en "ideel donor." Derudover vil kloning hjælpe med at bevare sjældne dyrearter eller genoprette uddøde bestande.

Moralsk aspekt

Selvom det grundlæggende i bioteknologi kan have en afgørende indflydelse på udviklingen af ​​hele menneskeheden, bliver denne videnskabelige tilgang dårligt modtaget af offentligheden. Det overvældende flertal af moderne religiøse ledere (og nogle videnskabsmænd) forsøger at advare bioteknologer mod at lade sig rive med af deres forskning. Dette er især akut, når det kommer til spørgsmål om genteknologi, kloning og kunstig reproduktion.

På den ene side ser bioteknologi ud til at være en lysende stjerne, en drøm og et håb, der bliver til virkelighed i den nye verden. I fremtiden vil denne videnskab give menneskeheden mange nye muligheder. Det bliver muligt at overvinde dødelige sygdomme, fysiske problemer vil blive elimineret, og en person vil før eller siden være i stand til at opnå jordisk udødelighed. Selvom genpuljen på den anden side kan være påvirket af det konstante forbrug af genetisk modificerede produkter eller udseendet af mennesker, der er skabt kunstigt. Der vil være et forandringsproblem sociale strukturer, og det er sandsynligt, at vi bliver nødt til at se den medicinske fascismens tragedie i øjnene.

Det er, hvad bioteknologi er. Videnskab, der kan bringe strålende udsigter til menneskeheden ved at skabe, ændre eller forbedre celler, levende organismer og systemer. Hun vil være i stand til at give en person en ny krop, og drømmen om evigt liv bliver til virkelighed. Men du skal betale en betydelig pris for dette.

Selvom lægemidler og produkter afledt af industrielle (“hvide”) bioteknologiske processer i øjeblikket dominerer det bioteknologiske produktmarked, er de mest imponerende succeser og gennembrud på dette område forbundet med brugen af ​​cellulær og genteknologi.

Genomics er en gren af ​​bioteknologi, der beskæftiger sig med studiet af genomer og de roller, som forskellige gener spiller, individuelt og kollektivt, i at bestemme struktur, styre vækst og udvikling og regulere biologiske funktioner. Der er strukturel og funktionel genomik.

Emnet for strukturel genomik er skabelsen og sammenligningen af ​​forskellige typer genomiske kort og storskala DNA-sekventering. Human Genome Project og det mindre kendte Plant Genome Research Program er de største undersøgelser af strukturel genomik. Strukturel genomik omfatter også identifikation, lokalisering og karakterisering af gener.

Som et resultat af private og offentlige projekter om strukturel genomik er genomkort blevet oprettet og DNA-sekvenser blevet dechifreret stor mængde organismer, herunder afgrødeplanter, sygdomsfremkaldende bakterier og vira, gær, der er nødvendig i nogle fødevarer og ølproduktion, nitrogenfikserende bakterier, Plasmodium falciparum og de myg, der bærer det, og mikroorganismer, der bruges af mennesker i en lang række industrielle processer. I 2003 blev Human Genome Project afsluttet.

Emnet og området for funktionel genomik er genomsekventering, identifikation og kortlægning af gener, identifikation af genfunktioner og reguleringsmekanismer. For at forstå forskellene mellem arter er hovedrollen ikke viden om antallet af gener, men en forståelse af hvordan de adskiller sig i sammensætning og funktion, viden om de kemiske og strukturelle forskelle i gener, som ligger til grund for forskellene mellem organismer. Evolutionær analyse er efterhånden ved at blive den vigtigste metode til at belyse funktioner og interaktioner af gener i genomet.

På grund af det faktum, at den genetiske kode er universel, og alle levende organismer er i stand til at dechifrere den genetiske information fra andre organismer og udføre de biologiske funktioner, der er iboende i den, kan ethvert gen identificeret under et bestemt genomisk projekt bruges i bredt udvalg praktiske anvendelser:
- for målrettet at ændre planters egenskaber og give dem de ønskede egenskaber;
- isolering af specifikke rekombinante molekyler eller mikroorganismer;
- identifikation af gener involveret i komplekse processer styret af mange gener og også afhængige af miljøpåvirkninger;
- påvisning af mikrobiel kontaminering af cellekulturer mv.

Proteomics er videnskaben, der studerer strukturen, funktionen, lokaliseringen og interaktionen af ​​proteiner i og mellem celler. Samlingen af ​​proteiner i en celle kaldes dens proteom. Sammenlignet med genomik udgør proteomik langt flere og sværere udfordringer for forskere. Strukturen af ​​proteinmolekyler er meget mere kompleks end strukturen af ​​DNA-molekyler, som er lineære molekyler bestående af fire uregelmæssigt gentagne elementer (nukleotider).

Formen, som et proteinmolekyle tager, afhænger af sekvensen af ​​aminosyrer, men alle mekanismerne for snoning og foldning af aminosyrekæden er ikke fuldt ud forstået. Opgaven for forskerne, der arbejdede på Human Genome Project, var at udvikle metoder, der kunne nå deres mål.

Forskere involveret i proteomik er nu i en lignende position: de skal udvikle et tilstrækkeligt antal metoder og teknikker, der kan give effektivt arbejde med et stort antal spørgsmål:
- katalogisering af alle syntetiserede proteiner forskellige typer celler;
- belysning af arten af ​​indflydelsen af ​​alder, miljøforhold og sygdomme på proteiner syntetiseret af cellen;
- belysning af identificerede proteiners funktioner;
- undersøgelse af forskellige proteiners interaktioner med andre proteiner inde i cellen og i det ekstracellulære rum.

Potentialet ved proteinteknologi gør det muligt at forbedre egenskaberne af proteiner, der anvendes i bioteknologi (enzymer, antistoffer, cellulære receptorer) og skabe fundamentalt nye proteiner, der er egnede som lægemidler til forarbejdning og forbedring af fødevarers ernæringsmæssige og smagsmæssige kvaliteter. De væsentligste fremskridt inden for proteinteknologi er i biokatalyse. Der er udviklet nye typer katalysatorer, herunder dem, der anvender enzymimmobiliseringsteknikker, der er i stand til at fungere i et ikke-vandigt medium, med betydelige skift i pH og temperatur, såvel som dem, der er opløselige i vand og katalyserer biologiske reaktioner ved neutral pH og ved relativt lave temperaturer.

Proteinteknologier gør det muligt at opnå nye typer proteiner til biomedicinske formål, for eksempel dem, der er i stand til at binde sig til vira og mutante onkogener og neutralisere dem; skabe højeffektive vacciner og celleoverfladereceptorproteiner, der tjener som mål for lægemidler, såvel som stofbindende midler og biologiske midler, der kan bruges til kemiske og biologiske angreb. Hydrolase-enzymer er således i stand til at neutralisere både nervegasser og pesticider, der bruges i landbruget, og deres produktion, opbevaring og anvendelse er ikke farlige for miljøet og menneskers sundhed.

De nyeste bioteknologiske metoder gør det muligt at diagnosticere mange sygdomme og patologiske tilstande hurtigt og med høj nøjagtighed. For at udføre en standardtest til bestemmelse af tilstedeværelsen af ​​lavdensitetslipoproteiner ("dårligt" kolesterol) i blodet kræves der således tre separate dyre tests: identifikation af indholdet af totalkolesterol, triglycerider og højdensitetslipoproteiner. Derudover rådes patienten til at undlade at spise i 12 timer før testen.

Den nye bioteknologiske test består af et trin og kræver ikke forudgående faste. Disse tests, ud over at være hurtige, reducerer omkostningerne til diagnostik betydeligt. Til dato er bioteknologiske test blevet udviklet og brugt til diagnosticering af visse typer tumorprocesser, der kræver en lille mængde blod, hvilket udelukker en total biopsi i de indledende stadier af diagnosen.

Ud over at reducere omkostningerne og øge nøjagtigheden og hastigheden af ​​diagnosticering gør bioteknologi det muligt at diagnosticere sygdomme på meget tidligere stadier, end det tidligere var muligt. Dette giver til gengæld patienterne en meget større chance for helbredelse. De nyeste bioteknologiske metoder til proteomik gør det muligt at identificere molekylære markører, der signalerer en nærmer sig sygdom, selv før fremkomsten af ​​registrerede cellulære ændringer og symptomer på sygdommen.

Den enorme mængde information, der stilles til rådighed som følge af den vellykkede gennemførelse af Human Genome Project, bør spille en særlig rolle i udviklingen af ​​metoder til diagnosticering af arvelige sygdomme som type I diabetes, cystisk fibrose, Alzheimers og Parkinsons sygdomme. Tidligere blev sygdomme i denne klasse kun diagnosticeret efter udseendet af kliniske symptomer; nyeste metoder give os mulighed for at identificere risikogrupper, der er disponerede for sygdomme af denne art, før de kliniske tegn opstår.

Diagnostiske test udviklet ved hjælp af bioteknologi forbedrer ikke kun diagnosticeringen af ​​sygdomme, men forbedrer også kvaliteten af ​​sundhedsplejen. De fleste bioteknologiske tests er bærbare, hvilket gør det muligt for læger at udføre test, fortolke resultater og ordinere passende behandling ved patientens seng. Bioteknologiske metoder til at identificere patogener er vigtige ikke kun for diagnosticering af sygdomme.

En af de mest illustrative eksempler deres anvendelse - screening af donorblod for tilstedeværelsen af ​​HIV-infektion og hepatitis B- og C-vira. Måske vil bioteknologiske tilgange over tid gøre det muligt for læger at bestemme arten af ​​det smitsomme stof og i hvert enkelt tilfælde vælge det mest effektive antibakterielle middel. stoffer ikke i en uge, som det gøres med moderne metoder , og i løbet af få timer.

Indførelsen af ​​bioteknologiske tilgange over tid vil give læger mulighed for ikke kun at forbedre eksisterende terapimetoder, men også at udvikle fundamentalt nye, fuldstændig baseret på nye teknologier. Hidtil er en række bioteknologiske behandlinger blevet godkendt af US Food and Drug Administration (FDA). Listen over sygdomme, der er underlagt sådanne terapimetoder, omfatter: anæmi, cystisk fibrose, væksthæmning, reumatoid arthritis, hæmofili, hepatitis, kønsvorter, transplantationsafstødning samt leukæmi og en række andre ondartede sygdomme.

Brugen af ​​bioteknologiske metoder gør det muligt at skabe såkaldte "spiselige vacciner", syntetiseret af genetisk modificerede planter og dyr. Der er således skabt genmodificerede geder, hvis mælk indeholder en vaccine mod malaria. Opmuntrende resultater er opnået i kliniske forsøg med bananer indeholdende en vaccine mod hepatitis og kartofler indeholdende vacciner mod kolera og patogene stammer af E. coli. Sådanne vacciner (for eksempel i form af frysetørret pulver til fremstilling af drikkevarer), som ikke kræver køling, sterilisering af udstyr eller køb af engangssprøjter, er særligt lovende til brug i udviklingslande.

Patch-vacciner mod stivkrampe, miltbrand, influenza og E. coli er også under udvikling. Der er allerede opnået transgene planter, som syntetiserer terapeutiske proteiner (antistoffer, antigener, vækstfaktorer, hormoner, enzymer, blodproteiner og kollagen). Disse proteiner, fremstillet af en række forskellige planter, herunder lucerne, majs, andemad, kartofler, ris, solsikker, sojabønner og tobak, er hovedkomponenterne i innovative behandlingsformer for en række kræftformer, AIDS, hjerte- og nyresygdomme, diabetes, Alzheimers sygdom , Crohns sygdom, cystisk fibrose, multipel sklerose, rygmarvsskade, hepatitis C, kronisk obstruktiv lungesygdom, fedme, cancer mv.

Cellulære teknologier er i stigende grad bred anvendelse til udvælgelse, formering og forøgelse af nytteplanters produktivitet samt opnåelse af biologisk aktive stoffer og lægemidler.

PÅ DEN. Voinov, T.G. Volova