Ved du, hvad bioteknologi er? Du har sikkert hørt noget om hende. Dette er en vigtig gren af ​​moderne biologi. Det blev ligesom fysik en af ​​hovedprioriteterne i verdensøkonomien og videnskaben i slutningen af ​​det 20. århundrede. For et halvt århundrede siden vidste ingen, hvad bioteknologi var. Dens grundlag blev imidlertid lagt af en videnskabsmand, der levede i det 19. århundrede. Bioteknologi fik en kraftig fremdrift for udvikling takket være den franske forsker Louis Pasteurs arbejde (levede 1822-1895). Han er grundlæggeren af ​​moderne immunologi og mikrobiologi.

I det 20. århundrede udviklede genetik og molekylærbiologi sig hurtigt ved hjælp af fremskridt inden for fysik og kemi. På dette tidspunkt var den vigtigste retning udviklingen af ​​metoder, hvormed det ville være muligt at dyrke dyre- og planteceller.

Forskningsstigning

1980'erne oplevede en stigning i bioteknologisk forskning. På dette tidspunkt var der skabt nye metodiske og metodiske tilgange, som sikrede overgangen til brug af bioteknologi i videnskab og praksis. Det er der mulighed for at få stor fortjeneste af. Ifølge prognoser forventedes bioteknologiske varer at udgøre en fjerdedel af verdensproduktionen i begyndelsen af ​​det nye århundrede.

Arbejde udført i vores land

Den aktive udvikling af bioteknologi fandt sted på dette tidspunkt i vores land. I Rusland blev der også opnået en betydelig udvidelse af arbejdet på dette område og indførelsen af ​​deres resultater i produktionen i 1980'erne. I vores land blev det første nationalt bioteknologiske program i denne periode udviklet og implementeret. Særlige tværfaglige centre blev oprettet, bioteknologer blev uddannet, afdelinger blev grundlagt og laboratorier blev dannet på universiteter og forskningsinstitutioner.

Bioteknologi i dag

I dag er vi så vant til dette ord, at få mennesker stiller sig selv spørgsmålet: "Hvad er bioteknologi?" I mellemtiden ville det ikke være forkert at lære hende at kende mere detaljeret. Moderne processer på dette område er baseret på metoder, der anvender rekombinant DNA og cellulære organeller eller celler. Moderne bioteknologi er videnskaben om cellulære og genteknologiske teknologier og metoder til at skabe og bruge transformerede genetisk biologiske objekter for at intensivere produktionen eller skabe nye typer produkter. Der er tre hovedretninger, som vi nu vil tale om.

Industriel bioteknologi

I denne retning kan rødt skelnes som en sort. Det betragtes som det vigtigste anvendelsesområde for bioteknologi. De spiller en stadig vigtigere rolle i udviklingen af ​​lægemidler (især til behandling af kræft). Bioteknologi har også stor betydning i diagnostik. De bruges for eksempel til fremstilling af biosensorer og DNA-chips. I Østrig nyder rød bioteknologi i dag velfortjent anerkendelse. Det betragtes endda som udviklingsmotoren for andre industrier.

Lad os gå videre til den næste type industriel bioteknologi. Dette er grøn bioteknologi. Det bruges, når udvælgelsen udføres. Denne bioteknologi giver i dag specielle metoder, ved hjælp af hvilke modforanstaltninger mod herbicider, vira, svampe og insekter udvikles. Alt dette er også meget vigtigt, vil du være enig i.

Genteknologi er af særlig betydning for området grøn bioteknologi. Med dens hjælp skabes forudsætningerne for overførsel af gener fra én planteart til andre, og dermed kan forskerne påvirke udviklingen af ​​stabile egenskaber og egenskaber.

Grå bioteknologi bruges til at beskytte miljøet. Dets metoder bruges til spildevandsrensning, jordrensning, gas- og udstødningsluftrensning og genanvendelse af affald.

Men det er ikke alt. Der er også hvid bioteknologi, som dækker anvendelsesområdet i den kemiske industri. Bioteknologiske metoder i dette tilfælde bruges til miljømæssig sikker og effektiv produktion af enzymer, antibiotika, aminosyrer, vitaminer og alkohol.

Og endelig den sidste sort. Blå bioteknologi er baseret på den tekniske anvendelse af forskellige organismer samt marinebiologiske processer. I dette tilfælde er fokus for forskningen på de biologiske organismer, der bebor Verdenshavet.

Lad os gå videre til den næste retning - celleteknik.

Celleteknik

Hun er involveret i at producere hybrider, kloning, studere cellulære mekanismer, "hybride" celler og udarbejde genetiske kort. Dens begyndelse går tilbage til 1960'erne, hvor hybridiseringsmetoden dukkede op. På dette tidspunkt var dyrkningsmetoder allerede blevet forbedret, og metoder til dyrkning af væv var også dukket op. Somatisk hybridisering, hvor hybrider skabes uden deltagelse af den seksuelle proces, udføres nu ved at dyrke forskellige celler af linjer af samme art eller ved at bruge celler af forskellige arter.

Hybridomer og deres betydning

Hybridomer, det vil sige hybrider mellem lymfocytter (regulære celler i immunsystemet) og tumorceller, har egenskaberne af forældrenes cellelinjer. De er i stand til, ligesom kræftceller, at dele sig i det uendelige på kunstige næringsmedier (det vil sige, de er "udødelige") og kan også, ligesom lymfocytter, producere homogene celler med en vis specificitet. Disse antistoffer anvendes til diagnostiske og terapeutiske formål, som følsomme reagenser for organiske stoffer mv.

Et andet område inden for celleteknik er manipulation af celler, der ikke har kerner, med frie kerner såvel som med andre fragmenter. Disse manipulationer kommer ned til at kombinere celledele. Lignende eksperimenter udføres sammen med mikroinjektioner af farvestoffer eller kromosomer i cellen for at finde ud af, hvordan cytoplasma og kerne påvirker hinanden, hvilke faktorer der regulerer aktiviteten af ​​bestemte gener mv.

Ved at kombinere celler fra forskellige embryoner på tidlige udviklingsstadier, dyrkes såkaldte mosaikdyr. Ellers kaldes de kimærer. De består af 2 typer celler, der adskiller sig i genotyper. Gennem disse eksperimenter finder de ud af, hvordan differentiering af væv og celler sker under kroppens udvikling.

Kloning

Moderne bioteknologi er utænkelig uden kloning. Eksperimenter relateret til transplantation af kerner fra forskellige somatiske celler til enucleated (det vil sige, nucleated) dyreæg med yderligere dyrkning af det resulterende embryo til en voksen organisme har været i gang i årtier. De er dog blevet meget kendte siden slutningen af ​​det 20. århundrede. I dag kalder vi sådanne forsøg for dyrekloning.

Få mennesker i dag er ukendte med fåret Dolly. I 1996, nær Edinburgh (Skotland) på Rosslyn Institute, blev den første kloning af et pattedyr udført, som blev udført fra en voksen celle. Det var fåret Dolly, der blev den første sådan klon.

Genteknologi

Efter at have dukket op i begyndelsen af ​​1970'erne, har den i dag opnået betydelig succes. Hendes metoder forvandler celler fra pattedyr, gær og bakterier til rigtige "fabrikker" til produktion af ethvert protein. Denne videnskabspræstation giver mulighed for i detaljer at studere proteiners funktioner og struktur for at bruge dem som medicin.

Det grundlæggende i bioteknologi er meget brugt i dag. Escherichia coli er for eksempel i vores tid blevet leverandør af de vigtige hormoner somatotropin og insulin. Anvendt genteknologi har til formål at konstruere rekombinante DNA-molekyler. Når de indføres i et bestemt genetisk apparat, kan de give kroppen egenskaber til gavn for mennesker. For eksempel er det muligt at få "biologiske reaktorer", det vil sige dyr, planter og mikroorganismer, der ville producere stoffer, der er farmakologisk vigtige for mennesker. Fremskridt inden for bioteknologi har gjort det muligt at udvikle dyreracer og plantesorter med egenskaber, der er værdifulde for mennesker. Ved hjælp af genteknologiske metoder er det muligt at udføre genetisk certificering, skabe DNA-vacciner, diagnosticere forskellige genetiske sygdomme mv.

Konklusion

Så vi har besvaret spørgsmålet: "Hvad er bioteknologi?" Naturligvis giver artiklen kun grundlæggende oplysninger om det og viser kort anvisningerne. Denne indledende information giver en generel idé om, hvilke moderne bioteknologier der findes, og hvordan de bruges.

Bioengineering er et af de mest lovende videnskabelige områder, ved hjælp af hvilket det er muligt at skabe nye organer eller endda kropsdele til deres videre transplantation til en levende person. På længere sigt vil bioteknik give en syg mulighed for at få nyt øje, hjerte og andre vitale organer.

Mange tror, ​​at bioingeniører forsøger at "lege Gud", og deres præstationer kan ikke bruges til at redde liv, men til at forbedre den menneskelige krop, i modsætning til naturens love. Nu ser det fantastisk ud, men de seneste fremskridt inden for bioteknologi tyder på noget andet.

Øre

Det menneskelige øre er et ret komplekst organ i sin struktur. Bioengineering, som det viser sig, er dog i stand til meget. Således lykkedes det for forskere ved Princeton University, ledet af lektor Michael McAlpine, at skabe et kunstigt menneskeligt øre, som de præsenterede i maj 2013. For at gøre dette brugte bioingeniører tredimensionel printteknologi, hvormed de skabte et øre fra dyreceller ved hjælp af elektroniske enheder. Hvis det transplanteres til en person, vil han være i stand til at opdage radiofrekvenser, der tidligere var utilgængelige for ham.

Blodkar

Det menneskelige kredsløb er en meget kompleks mekanisme, hvis svigt kan føre til diabetes, hjerte-kar- og nyresygdomme. Men bioteknik gør underværker. I 2011 lykkedes det Cytograft Tissue Engineering-specialister at skabe kunstige blodkar. De blev implanteret i tre patienter, der led af nyresygdomme. Resultaterne af eksperimentet overraskede forskerne: 8 måneder efter operationen fungerede de blodkar, der blev skabt ved hjælp af bioteknologi, stadig korrekt.

Hjerte

I 1980'erne fik hjertekirurger et reelt gennembrud ved at transplantere et kunstigt hjerte ind i en person. Selvfølgelig er et levende hjerte svært at erstatte, men med udviklingen af ​​videnskaben har fremskridt inden for bioteknologi gjort det muligt at forbedre det kunstige hjerte ved hjælp af biologiske materialer, og specialister fra Massachusetts Institute of Technology har endda formået at trykke et hjerte på en 3D-printer fra gnaverceller. Lad os håbe, at fremskridt inden for bioteknologi snart vil gøre det muligt at "printe" et kunstigt menneskeligt hjerte, der ikke er ringere end det virkelige.

Lever

Bioengineering er allerede tæt på at skabe en kunstig menneskelig lever. Således blev miniatureprøver af dette organ skabt i 2010 af specialister ved Baltic Medical Center ved Wake Forest University ved hjælp af dyre- og menneskeceller. Derudover blev der udført et eksperiment på Yokohama University, som et resultat af hvilket lever "embryoner" blev skabt. Men for at skabe et fungerende organ vil tusindvis af sådanne elementer være nødvendige.

Luftrør

Selvom bioteknik endnu ikke kan give menneskeheden en kunstig lever, kan den skabe et luftrør. I den amerikanske stat Illinois blev 2,5-årige Hannah Warren således transplanteret med en kunstigt dyrket luftrør. Operationen lykkedes, men den 7. juli 2013 døde pigen som følge af en tidligere operation i spiserøret.

Intervertebrale diske

Selv en let forskydning af mellemhvirvelskiverne fører i bedste fald til alvorlige rygsmerter, og i værste fald kan operation ikke undgås. Men som et resultat af operationen forbinder læger simpelthen ryghvirvlerne til hinanden, hvilket fratager personen mobilitet. I sjældne tilfælde bruges kunstige skiver, som hurtigt slides. Heldigvis levede bioteknik også her op til alle forventninger. I år skabte forskere fra Duke University en disk, der, når den implanteres i det interdiscale rum, er i stand til at genoprette det tilsvarende væv, og i det væsentlige vokse en intervertebral disk i patientens krop.

Tarme

Brugen af ​​kollagen og stamceller har gjort det muligt for bioteknologi at skabe en kunstig tyndtarm. Forskere har dog stadig lang vej igen for at skabe et fuldgyldigt organ.

Knop

Nyren er et af de mest eftertragtede organer. Alene i USA er omkring 60 tusinde patienter, der lider af nyresvigt, på en venteliste til en nyretransplantation. Måske vil specialister fra University of California være i stand til at løse dette problem. Ved at bruge de seneste fremskridt inden for bioteknologi arbejder de på at skabe en kunstig nyre lavet af silikone nanofiltre og menneskelige nyreceller. Allerede i 2017 håber forskerne at teste denne enhed.

Vigtigste resultater og perspektiver for udvikling af landbrugsbioteknologi

Bioteknologiske tilgange tillader moderne planteavlere at isolere individuelle gener, der er ansvarlige for ønskede egenskaber, og flytte dem fra genomet af en plante til genomet af en anden - transgenese.

Takket være bioteknologi er planter blevet produceret med forbedrede ernæringsmæssige egenskaber, herbicidresistens og med indbygget beskyttelse mod virus og skadedyr (sojabønner, tomater, bomuld, papaya). GM-afgrøder brugt i husdyrproduktion - majs, sojabønner, raps og bomuld

Ved hjælp af genetiske metoder blev der også opnået stammer af mikroorganismer (Ashbya gossypii, Pseudomonas denitrificans osv.), som producerer titusindvis af gange flere vitaminer (C, B 3, B 13 osv.) end de oprindelige former.

Udsigter:

1. Bioteknologiske specialister udvikler måder at øge mængden af ​​protein i planter, hvilket vil gøre det muligt at opgive kød i fremtiden.

2. For landbrugskomplekset er udviklingen i gang i retning af at forbedre planters selvforsvarsfunktioner mod skadedyr gennem frigivelse af gift.

3. En af de hastigt udviklende grene af bioteknologi er teknologien til mikrobiel syntese af stoffer, der er værdifulde for mennesker. Yderligere udvikling af denne industri vil indebære en omfordeling af rollerne af afgrødeproduktion og husdyrhold på den ene side og mikrobiel syntese på den anden side i dannelsen af ​​menneskehedens fødegrundlag.

4. Den industrielle brug af bioteknologiske 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.

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

6. Bionedbrydning (genanvendelse) af cellulose. Fuldstændig nedbrydning af cellulose til glukose kan løse mange problemer - at få store mængder kulhydrater og rense miljøet fra skovaffald og landbrugsproduktion. I øjeblikket er gener for cellulolytiske enzymer allerede blevet isoleret fra nogle mikroorganismer. Der udvikles metoder til at overføre dem til gær, som først kunne hydrolysere cellulose til glukose og derefter omdanne det til alkohol.

Seneste fremskridt inden for medicinsk bioteknologi

Inden for medicinsk bioteknologi er der udviklet interferoner - proteiner, der kan undertrykke reproduktionen af ​​vira.

Produktion af human insulin ved hjælp af genetisk modificerede bakterier, produktion af erythropoietin (et hormon, der stimulerer dannelsen af ​​røde blodlegemer i knoglemarven.

Det er blevet muligt at fremstille polymerer, der erstatter menneskelige organer og væv (nyrer, blodkar, ventiler, hjerte-lunge-apparater osv.).

Masseimmunisering (vaccination) er blevet den mest tilgængelige og omkostningseffektive måde at forebygge infektionssygdomme på. Over 30 års vaccination af russiske børn mod mæslinger er forekomsten af ​​mæslinger således faldet med 620 gange.

Der er udviklet metoder til fremstilling af antibiotika. Opdagelsen af ​​antibiotika revolutionerede behandlingen af ​​infektionssygdomme. Forsvundet er ideerne om uhelbredeligheden af ​​mange bakterielle infektioner (pest, tuberkulose, sepsis, syfilis osv.).

En af de seneste resultater inden for bioteknologisk diagnostik er metoden med biosensorer, som "fanger" molekyler forbundet med sygdomme og sender signaler til sensorer. Biosensordiagnostik bruges til at bestemme glukose i blodet hos diabetespatienter. Det er håbet, at det med tiden vil være muligt at implantere biosensorer i blodkarrene hos patienter for mere præcist at overvåge deres insulinbehov.

Det er 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 umiddelbart efter fødslen, for at bestemme disposition for forskellige sygdomme, muligvis utilstrækkelig (allergisk) reaktion på visse medikamenter, samt en tendens til visse typer aktiviteter). Genetisk certificering gør det muligt at forudsige og reducere risikoen for hjerte-kar-sygdomme og kræft, studere og forebygge neurodegenerative sygdomme og aldringsprocesser mv.

Forskere har været i stand til at identificere gener, der er ansvarlige for manifestationen af ​​forskellige patologier og bidrager til en stigning i forventet levetid.

Der er opstået muligheder for tidlig diagnosticering af arvelige sygdomme og rettidig forebyggelse af arvelig patologi.

Det vigtigste område for medicinsk bioteknologi er blevet celleteknik, især teknologien til at producere monoklonale antistoffer, som produceres i kultur eller i dyrets krop af hybride lymfoide celler - hybridomer. Monoklonal antistofteknologi har haft stor indflydelse på grundlæggende og anvendt medicinsk forskning og medicinsk praksis. Baseret på dem er der udviklet og brugt nye immunologiske analysesystemer - radioimmunoassay og enzymimmunoassay. De gør det muligt at bestemme forsvindende små koncentrationer af specifikke antigener og antistoffer i kroppen.

Mikrochips betragtes nu som den mest avancerede teknologi til diagnosticering af sygdomme. De bruges til tidlig diagnose af infektionssygdomme, onkologiske og genetiske sygdomme, allergener samt i undersøgelsen af ​​nye lægemidler.

Relaterede oplysninger.

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 ​​det 19. og begyndelsen af ​​det 20. århundrede, da 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 gav skub til udviklingen af ​​zymologi. For eksempel kræves alfa-amylase for at nedbryde stivelse.

Samtidig blev der gjort vigtige opdagelser inden for spirende genetik, uden hvilke 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 botanikeren 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 industriel skala allerede i 1940'erne. 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. I bogstaveligt talt 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 et produkt ændrer dets form eller aggregeringstilstand uden at ændre dets kemiske sammensætning (for eksempel træbearbejdningsteknologi til fremstilling af træmøbler, forskellige metoder til fremstilling af metalprodukter: søm, maskine dele 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 brug af konventionelle, ikke-transgene (naturlige og avl) planter, dyr og mikroorganismer under naturlige og kunstige forhold .

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 for biologiske processer gør det muligt betydeligt at reducere omkostningerne ved 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 prioriteres højest 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, supramembranstrukturer (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. For det første skal affaldet bruges godt. For det andet kan de sendes til genbrug, hvilket skaber et lukket teknologisk kredsløb. Endelig kan selve arbejdssystemet modificeres for at reducere spild.

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 kemiisering 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 kan der oprettes 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 denne bivirkning er nogle virksomheder begyndt at udvikle lægemidler, der stopper cellecyklusserne for raske celler umiddelbart før indgivelse 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 for andre. Denne individuelle terapeutiske tilgang, baseret på viden om patientens genom, kaldes farmakogenomik.

Bioteknologi er den bevidste produktion af produkter og materialer, der er nødvendige for mennesker, ved hjælp af levende organismer og biologiske processer.

I umindelige tider er bioteknologi hovedsageligt blevet brugt i fødevare- og lette industrier: i vinfremstilling, bageri, gæring af mejeriprodukter, i forarbejdning af hør og læder, baseret på brug af mikroorganismer. I de seneste årtier er bioteknologiens muligheder udvidet enormt. Dette skyldes det faktum, at dets metoder er mere rentable end konventionelle af den simple grund, at i levende organismer forekommer biokemiske reaktioner katalyseret af enzymer under optimale forhold (temperatur og tryk), er mere produktive, miljøvenlige og ikke kræver kemiske reagenser, der forgifter miljøet.

Bioteknologiske objekter er talrige repræsentanter for grupper af levende organismer - mikroorganismer (vira, bakterier, protozoer, gær), planter, dyr, såvel som celler isoleret fra dem og subcellulære komponenter (organeller) og endda enzymer. Bioteknologi er baseret på fysiologiske og biokemiske processer, der forekommer i levende systemer, som resulterer i frigivelse af energi, syntese og nedbrydning af stofskifteprodukter og dannelse af kemiske og strukturelle komponenter i cellen.

Bioteknologiens hovedretning er produktion, ved hjælp af mikroorganismer og dyrkede eukaryote celler, af biologisk aktive forbindelser (enzymer, vitaminer, hormoner), medicin (antibiotika, vacciner, serum, meget specifikke antistoffer osv.) samt værdifulde forbindelser (fodertilsætningsstoffer, f.eks. , essentielle aminosyrer, foderproteiner osv.).

Genteknologiske metoder har gjort det muligt at syntetisere i industrielle mængder hormoner som insulin og somatotropin (væksthormon), som er nødvendige til behandling af menneskelige genetiske sygdomme.

Et af de vigtigste områder inden for moderne bioteknologi er også brugen af ​​biologiske metoder til at bekæmpe miljøforurening (biologisk rensning af spildevand, forurenet jord osv.).

Til at udvinde metaller fra spildevand kan bakteriestammer, der er i stand til at akkumulere uran, kobber og kobolt, derfor anvendes i vid udstrækning. Andre bakterier af slægterne Rhodococcus og Nocardia bruges med succes til emulgering og sorption af petroleumskulbrinter fra vandmiljøet. De er i stand til at adskille vand- og oliefaserne, koncentrere olie og rense spildevand fra olieurenheder. Ved at assimilere petroleumskulbrinter omdanner sådanne mikroorganismer dem til proteiner, B-vitaminer og carotener.

Nogle af halobakteriestammerne bruges med succes til at fjerne brændselsolie fra sandstrande. Der er også opnået gensplejsede stammer, der kan nedbryde oktan, kamfer, naphthalen og xylen og effektivt udnytte råolie.

Brugen af ​​bioteknologiske metoder til at beskytte planter mod skadedyr og sygdomme er af stor betydning.

Bioteknologi er på vej ind i sværindustrien, hvor mikroorganismer bruges til at udvinde, omdanne og forarbejde naturressourcer. Allerede i oldtiden fik de første metallurger jern fra mosemalme produceret af jernbakterier, som er i stand til at koncentrere jern. Nu er der udviklet metoder til bakteriekoncentration af en række andre værdifulde metaller: mangan, zink, kobber, krom osv. Disse metoder bruges til at udvikle affaldsdepoter af gamle miner og dårlige forekomster, hvor traditionelle minedriftsmetoder ikke er økonomisk rentable. .

Bioteknologi løser ikke kun specifikke problemer inden for videnskab og produktion. Det har en mere global metodisk opgave - det udvider og accelererer omfanget af menneskelig påvirkning af den levende natur og fremmer tilpasningen af ​​levende systemer til betingelserne for den menneskelige eksistens, dvs. til noosfæren. Bioteknologi fungerer således som en stærk faktor i menneskeskabt adaptiv evolution.

Bioteknologi, genteknologi og celleteknologi har lovende udsigter. Efterhånden som flere og flere nye vektorer dukker op, vil folk bruge dem til at introducere de nødvendige gener i cellerne hos planter, dyr og mennesker. Dette vil gøre det muligt gradvist at slippe af med mange arvelige menneskelige sygdomme, tvinge celler til at syntetisere de nødvendige lægemidler og biologisk aktive forbindelser og derefter direkte proteiner og essentielle aminosyrer, der bruges i fødevarer. Ved at bruge metoder, der allerede er mestret af naturen, håber bioteknologer at opnå brint gennem fotosyntese - fremtidens mest miljøvenlige brændstof, elektricitet, og omdanne atmosfærisk nitrogen til ammoniak under normale forhold.