Lekcija par biotehnoloģiju Nr.1

Ievads biotehnoloģijā. Vides, lauksaimniecības, rūpnieciskās biotehnoloģijas.

Olbaltumvielu, enzīmu, antibiotiku, vitamīnu, interferona biotehnoloģiskā ražošana.

Jautājums Nr.1

Kopš seniem laikiem cilvēki ir izmantojuši biotehnoloģiju vīna darīšanā, alus darīšanā vai cepšanā. Taču procesi, kas ir šo nozaru pamatā, ilgu laiku palika noslēpumaini. Viņu būtība kļuva skaidra tikai gadā XIX beigas- divdesmitā gadsimta sākums, kad tika izstrādātas metodes mikroorganismu kultivēšanai un pasterizācijai, tika izolētas tīras baktēriju un fermentu līnijas. Lai apzīmētu dažādas ar bioloģiju visciešāk saistītās tehnoloģijas, iepriekš tika lietoti tādi nosaukumi kā “lietišķā mikrobioloģija”, “lietišķā bioķīmija”, “enzīmu tehnoloģija”, “bioinženierzinātne”, “lietišķā ģenētika”, “lietišķā bioloģija”. Tas noveda pie jaunas nozares - biotehnoloģijas - rašanās.

Franču ķīmiķis Luiss Pastērs 1867. gadā pierādīja, ka fermentācija ir mikroorganismu darbības rezultāts. Vācu bioķīmiķis Eduards Buhners precizēja, ka to izraisa arī bezšūnu ekstrakts, kas satur enzīmus, kas katalizē ķīmiskās reakcijas. Tīru enzīmu izmantošana izejvielu pārstrādē deva impulsu zimoloģijas attīstībai. Piemēram, cietes sadalīšanai ir nepieciešama alfa-amilāze.

Izgatavots tajā pašā laikā svarīgi atklājumi jaunās ģenētikas jomā, bez kuras mūsdienu biotehnoloģija nebūtu iedomājama. 1865. gadā austriešu mūks Gregors Mendels iepazīstināja Brunnas dabaszinātnieku biedrību ar saviem “Eksperimentiem par augu hibrīdiem”, kurā viņš aprakstīja iedzimtības likumus. 1902. gadā biologi Valters Satons un Teodors Boveri ierosināja, ka iedzimtības pārnešana ir saistīta ar materiāla nesējiem – hromosomām. Jau toreiz bija zināms, ka dzīvs organisms sastāv no šūnām. Vācu patologs Rūdolfs Virčovs šūnu teoriju papildina ar principu “katra šūna ir no šūnas”. Un botāniķa Gotlija Hāberlanda eksperimenti pierādīja, ka šūna var pastāvēt mākslīgā vidē un atsevišķi no ķermeņa. Pēdējo eksperimentu rezultātā tika atklāta vitamīnu, minerālvielu piedevu un hormonu nozīme.

Tad bija vārds

Par jēdziena “biotehnoloģija” dzimšanas gadu tiek uzskatīts 1919. gads, kad tika publicēts manifests “Gaļas, tauku un piena pārstrādes biotehnoloģija lielajās lauksaimniecības saimniecībās”. Tās autors ir ungāru lauksaimniecības ekonomists, toreizējais pārtikas ministrs Karls Erekijs. Manifestā bija aprakstīta lauksaimniecības izejvielu pārstrāde citos pārtikas produktos, izmantojot bioloģiskos organismus. Ereki paredzēja jaunu laikmetu cilvēces vēsturē, salīdzinot šīs metodes atklāšanu ar pagātnes lielākajām tehnoloģiskajām revolūcijām: produktīvās ekonomikas rašanos neolīta laikmetā un metalurģiju bronzas laikmetā. Taču līdz 20. gadu beigām biotehnoloģija nozīmēja vienkārši mikroorganismu izmantošanu fermentācijai. 30. gados attīstījās medicīniskā biotehnoloģija. 1928. gadā atklāja Aleksandrs Flemings, no sēnītes Penicillium notatum iegūto penicilīnu sāka ražot 1940. gados. rūpnieciskā mērogā. Un 60. gadu beigās un 70. gadu sākumā tika mēģināts apvienot pārtikas rūpniecību ar naftas pārstrādes nozari. British Petroleum ir izstrādājis tehnoloģiju barības olbaltumvielu baktēriju sintēzei no naftas rūpniecības atkritumiem.

1953. gadā tika veikts atklājums, kas vēlāk izraisīja revolūciju biotehnoloģijā: Džeimss Vatsons un Frensiss Kriks atšifrēja DNS struktūru. Un 20. gadsimta 70. gados biotehnoloģiskām metodēm tika pievienotas manipulācijas ar iedzimtu materiālu. Burtiski divu gadu desmitu laikā tika atklāti visi tam nepieciešamie rīki: tika izolēta reversā transkriptāze - enzīms, kas ļauj “pārrakstīt” ģenētisko kodu no RNS atpakaļ DNS, tika atklāti fermenti DNS griešanai, kā arī polimerāzes ķēde. reakcija atsevišķu DNS fragmentu atkārtotai reprodukcijai.

1973. gadā tika izveidots pirmais ģenētiski rekombinantais organisms: ģenētiskais elements no vardes tika pārnests uz baktēriju. Sākās gēnu inženierijas laikmets, kas gandrīz uzreiz beidzās: 1975. gadā Asilomāras pilsētā (ASV) Starptautiskajā kongresā, kas bija veltīts rekombinanto DNS molekulu izpētei, pirmo reizi tika paustas bažas par jauno tehnoloģiju izmantošanu.

"Tas nebija politiķi, reliģiskās grupas vai žurnālisti, kas lika trauksmi, kā varētu gaidīt. Tie bija paši zinātnieki,” atcerējās viens no konferences organizatoriem un rekombinanto DNS molekulu radīšanas pionieris Pols Bergs. "Daudzi zinātnieki baidījās, ka publiskās debates izraisīs nepamatotus molekulārās bioloģijas ierobežojumus, taču viņi veicināja atbildīgas debates, kas noveda pie vienprātības." Kongresa dalībnieki aicināja noteikt moratoriju vairākiem potenciāli bīstamiem pētījumiem.

Tikmēr sintētiskā bioloģija ir attīstījusies no biotehnoloģijas un gēnu inženierijas, kas nodarbojas ar jaunu bioloģisko komponentu un sistēmu projektēšanu un esošo pārprojektēšanu. Pirmā sintētiskās bioloģijas pazīme bija mākslīgā pārneses RNS sintēze 1970. gadā, un šodien jau ir iespējams sintezēt veselus genomus no elementārām struktūrām. 1978. gadā Genentech laboratorijā uzbūvēja E. coli baktēriju, kas sintezē cilvēka insulīnu. No šī brīža ģenētiskā rekombinācija beidzot iekļuva biotehnoloģijas arsenālā un tiek uzskatīta par gandrīz tai sinonīmu. Tajā pašā laikā tika veikta pirmā jaunu gēnu pārnešana dzīvnieku un augu šūnu genomos. 1980. gada Nobela prēmijas laureāts Valters Gilberts teica: "Medicīniskiem nolūkiem vai komerciālai lietošanai mēs varam iegūt praktiski jebkuru cilvēka proteīnu, kas spēj ietekmēt svarīgas cilvēka ķermeņa funkcijas."

1985. gadā notika pirmie pret herbicīdiem, kukaiņiem, vīrusiem un baktērijām izturīgu transgēnu augu lauka izmēģinājumi. Parādās augu patenti. Molekulārā ģenētika sāk uzplaukt, un strauji attīstās analītiskās metodes, piemēram, sekvencēšana, tas ir, proteīnu un nukleīnskābju primārās secības noteikšana.

1995. gadā tirgū tika laists pirmais transgēnais augs (tomāts Flavr Savr), un līdz 2010. gadam transgēnās kultūras tika audzētas 29 valstīs 148 miljonos hektāru (10% no kopējās kultivētās zemes). 1996. gadā piedzima pirmais klonētais dzīvnieks – aita Dollija. Līdz 2010. gadam bija klonētas vairāk nekā 20 dzīvnieku sugas: kaķi, suņi, vilki, zirgi, cūkas, mufloni.

Biotehnoloģijas jomas un ar tās palīdzību iegūtie produkti

Tehnoloģija un biotehnoloģija

Tehnoloģija- tās ir metodes un paņēmieni, ko izmanto, lai iegūtu noteiktu produktu no izejmateriāla (izejvielām). Ļoti bieži viena produkta iegūšanai ir nepieciešams nevis viens, bet vairāki izejvielu avoti, nevis viena metode vai tehnika, bet gan vairāku secība. Visu tehnoloģiju klāstu var iedalīt trīs galvenajās klasēs:

Fizikālās un mehāniskās tehnoloģijas;

Ķīmiskās tehnoloģijas;

Biotehnoloģija.

Fizikālās un mehāniskās tehnoloģijās izejmateriāls (izejvielas) produkta iegūšanas procesā maina formu vai agregācijas stāvokli, nemainot to ķīmiskais sastāvs(piemēram, kokapstrādes tehnoloģija koka mēbeļu ražošanai, dažādas metāla izstrādājumu ražošanas metodes: naglas, mašīnu daļas u.c.).

Ķīmiskajās tehnoloģijās produkta iegūšanas procesā izejvielām notiek ķīmiskā sastāva izmaiņas (piemēram, polietilēna ražošana no dabasgāzes, spirta ražošana no dabasgāzes vai koksnes, sintētiskā kaučuka no dabasgāzes).

Biotehnoloģiju kā zinātni var aplūkot divās laika un būtiskās dimensijās: modernā un tradicionālā, klasiskā.

Jaunākās biotehnoloģijas (bioinženierijas) ir zinātne par gēnu inženieriju un šūnu metodēm un tehnoloģijām ģenētiski pārveidotu (modificētu) augu, dzīvnieku un mikroorganismu radīšanai un izmantošanai, lai intensificētu ražošanu un iegūtu jauna veida produktus dažādiem mērķiem.

Tradicionāli, klasiski Savā ziņā biotehnoloģiju var definēt kā zinātni par metodēm un tehnoloģijām lauksaimniecības un citu produktu ražošanai, transportēšanai, uzglabāšanai un pārstrādei, izmantojot tradicionālus, netransgēnus (dabiskus un vaislas) augus, dzīvniekus un mikroorganismus dabiskā un mākslīgā veidā. nosacījumiem.

Jaunākās biotehnoloģijas augstākais sasniegums ir ģenētiskā transformācija, svešu (dabisku vai mākslīgi radītu) donoru gēnu pārnešana augu, dzīvnieku un mikroorganismu recipienta šūnās, transgēnu organismu ražošana ar jaunām vai pastiprinātām īpašībām un īpašībām.

Biotehnoloģijas pētījumu mērķis- ražošanas efektivitātes paaugstināšana un bioloģisko sistēmu meklēšana, kuras var izmantot mērķa produkta iegūšanai.

Biotehnoloģijas dod iespēju reproducēt vēlamos produktus neierobežotā daudzumā, izmantojot jaunas tehnoloģijas, kas ļauj pārnest gēnus ražotājšūnās vai visā organismā (transgēnos dzīvniekos un augos), sintezēt peptīdus, radīt mākslīgās vakcīnas.

Biotehnoloģiju attīstības galvenie virzieni

Biotehnoloģijas pielietojuma jomu paplašināšanās būtiski ietekmē cilvēku dzīves līmeņa uzlabošanos (1.2. att.). Biotehnoloģisko procesu ieviešana visātrāk dod rezultātus medicīnā, bet, pēc daudzu ekspertu domām, galvenais ekonomiskais efekts tiks iegūts lauksaimniecībā un ķīmiskajā rūpniecībā.

Mikromatricas, šūnu kultūras, monoklonālās antivielas un proteīnu inženierija ir tikai dažas no mūsdienu biotehnoloģiskām metodēm, ko izmanto dažādos daudzu veidu produktu izstrādes posmos. Izpratne par molekulāro bāzi bioloģiskie procesiļauj būtiski samazināt noteikta produkta izstrādes un ražošanas sagatavošanas izmaksas, kā arī uzlabot tā kvalitāti. Piemēram, lauksaimniecības biotehnoloģiju uzņēmumi, kas izstrādā pret kukaiņiem izturīgas augu šķirnes, var izmērīt aizsargājošā proteīna daudzumu šūnu kultūrā, netērējot resursus pašu augu audzēšanai; Farmācijas uzņēmumi var izmantot šūnu kultūras un mikromasīvus, lai pārbaudītu zāļu drošumu un efektivitāti, kā arī identificētu iespējamās blakusparādības zāļu izstrādes sākumposmā.

Ģenētiski modificēti dzīvnieki, kuru organismā notiek procesi, kas atspoguļo dažādu cilvēku slimību fizioloģiju, sniedz zinātniekiem pilnīgi adekvātus modeļus konkrētas vielas ietekmes uz organismu pārbaudei. Tas arī ļauj uzņēmumiem noteikt drošākās un efektīvākās zāles agrīnā izstrādes stadijā.

Tas viss liecina par biotehnoloģijas nozīmi un plašajām pielietojuma iespējām dažādās tautsaimniecības nozarēs. Kuras jomas šajā jomā ir augstākās prioritātes? Apskatīsim tos.

1. Biotehnoloģiskās ražošanas drošības uzlabošana cilvēkiem un videi. Nepieciešams izveidot darba sistēmas, kas darbosies tikai stingri kontrolētos apstākļos. Piemēram, biotehnoloģijā izmantotajiem E. coli celmiem trūkst supramembrānas struktūras (aploksnes); šādas baktērijas vienkārši nevar pastāvēt ārpus laboratorijām vai ārpus īpašām tehnoloģiskām iekārtām. Daudzkomponentu sistēmām, no kurām katra nav spējīga patstāvīgi pastāvēt, ir arī paaugstināta drošība.

2. Samazināt cilvēku radīto rūpniecisko atkritumu īpatsvaru. Rūpnieciskie atkritumi ir to blakusprodukti, kurus nevar izmantot cilvēki vai citas biosfēras sastāvdaļas un kuru izmantošana ir neizdevīga vai saistīta ar sava veida risku. Šādi atkritumi uzkrājas ražošanas telpās (teritorijās) vai nonāk vidē. Jācenšas mainīt “lietderīgā produkta/atkritumu” attiecību par labu lietderīgam produktam. Tas tiek panākts dažādos veidos. Pirmkārt, ir jāatrod atkritumi noderīga lietojumprogramma. Otrkārt, tos var nosūtīt otrreizējai pārstrādei, veidojot slēgtu tehnoloģisko ciklu. Un visbeidzot, jūs varat mainīt darba sistēma lai samazinātu atkritumu daudzumu.

3. enerģijas izmaksu samazināšana produktu ražošanai, i., enerģiju taupošu tehnoloģiju ieviešana. Šīs problēmas fundamentāls risinājums ir iespējams galvenokārt, izmantojot atjaunojamos enerģijas avotus. Piemēram, fosilā kurināmā ikgadējais enerģijas patēriņš ir salīdzināms ar visu fotosintētisko organismu neto bruto produkciju uz Zemes. Lai pārveidotu saules enerģiju formās, kas pieejamas modernām elektrostacijām, tiek veidotas strauji augošu staciju enerģētiskās plantācijas (tostarp izmantojot šūnu inženierijas metodes). Iegūto biomasu izmanto celulozes, biodegvielas un vermikomposta ražošanai. Šādu tehnoloģiju visaptverošās priekšrocības ir acīmredzamas. Šūnu inženierijas metožu izmantošana pastāvīgai stādāmā materiāla atjaunošanai nodrošina pēc iespējas īsākā laikā liela skaita no vīrusiem un mikoplazmām brīvu augu ražošanu; Tajā pašā laikā nav nepieciešams veidot mātes plantācijas. Tiek samazināta slodze uz kokaugu dabīgajiem stādījumiem (tie lielā mērā tiek nocirsti, lai iegūtu celulozi un kurināmo), un samazinās nepieciešamība pēc fosilā kurināmā (kopumā tas ir videi nelabvēlīgi, jo to sadegšana rada nepietiekami oksidētas vielas). Lietojot biodegvielu, rodas oglekļa dioksīds un ūdens tvaiki, kas nonāk atmosfērā un pēc tam tos rekombinē augi enerģijas plantācijās.

4. Daudzkomponentu iekārtu sistēmu izveide. Lauksaimniecības produktu kvalitāte ievērojami pasliktinās, ja tiek izmantoti minerālmēsli un pesticīdi, kas rada milzīgu kaitējumu dabiskajām ekosistēmām. Ir dažādi veidi, kā pārvarēt lauksaimnieciskās ražošanas ķīmiskās apstrādes negatīvās sekas. Pirmkārt, ir jāatsakās no monokultūrām, t.i., no ierobežota biotipu (šķirņu, šķirņu, celmu) kopuma izmantošanas. Monokultūras trūkumi tika apzināti 19. gadsimta beigās; tie ir acīmredzami. Pirmkārt, monokultūrā palielinās konkurences attiecības starp kultivētajiem organismiem; tajā pašā laikā monokultūrai ir tikai vienpusīga ietekme uz konkurējošiem organismiem (nezālēm). Otrkārt, notiek selektīva minerālvielu barošanas elementu noņemšana, kas noved pie augsnes degradācijas. Visbeidzot, monokultūra nav izturīga pret patogēniem un kaitēkļiem. Tāpēc laikā 20. gs. tas tika saglabāts, pateicoties īpaši augstai ražošanas intensitātei. Protams, intensīvu šķirņu (šķirņu, celmu) monokultūru izmantošana vienkāršo ražošanas tehnoloģijas izstrādi. Piemēram, ar augsto tehnoloģiju palīdzību ir izveidotas pret noteiktu pesticīdu izturīgas augu šķirnes, kuras var izmantot lielās devās, audzējot šīs konkrētās šķirnes. Tomēr šajā gadījumā rodas jautājums par šādas darba sistēmas drošību cilvēkiem un videi. Turklāt agrāk vai vēlāk parādīsies patogēnu (kaitēkļu) rases, kas ir izturīgas pret šo pesticīdu.

Tāpēc ir nepieciešama sistemātiska pāreja no monokultūras uz daudzkomponentu (poliklonālu) kompozīcijām, ieskaitot dažādus kultivēto organismu biotipus. Daudzkomponentu kompozīcijās jāiekļauj organismi ar dažādu attīstības ritmu, ar atšķirīgu attieksmi pret fizikāli ķīmisko vides faktoru dinamiku, konkurentiem, patogēniem un kaitēkļiem. Ģenētiski neviendabīgās sistēmās rodas indivīdu ar dažādiem genotipiem kompensējoša mijiedarbība, samazinot intraspecifiskās konkurences līmeni un automātiski palielinot kultivēto organismu spiedienu uz citu sugu konkurējošiem organismiem (nezālēm). Saistībā ar patogēniem un kaitēkļiem šādai neviendabīgai ekosistēmai ir raksturīga kolektīva grupu imunitāte, ko nosaka daudzu atsevišķu biotipu strukturālo un funkcionālo iezīmju mijiedarbība.

5. Jaunu zāļu izstrāde medicīnā. Šobrīd medicīnas jomā norit aktīvi pētījumi: tiek radīti dažāda veida jauni medikamenti – mērķtiecīgi un individuāli.

Mērķtiecīgas zāles. Galvenie vēža cēloņi ir nekontrolēta šūnu dalīšanās un apoptozes traucējumi. To likvidēšanai paredzēto zāļu darbība var būt vērsta uz jebkuru no šajos procesos iesaistītajām molekulām vai šūnu struktūrām. Funkcionālās genomikas jomā veiktie pētījumi mums jau ir snieguši informāciju par molekulārajām izmaiņām, kas notiek pirmsvēža šūnās. Pamatojoties uz iegūtajiem datiem, var izveidot diagnostiskos testus, lai identificētu molekulāros marķierus, kas signalizē par onkoloģiskā procesa sākšanos, pirms parādās pirmās redzamās šūnu anomālijas vai parādās slimības simptomi.

Lielākā daļa ķīmijterapijas zāļu ir vērstas uz proteīniem, kas iesaistīti šūnu dalīšanās procesā. Diemžēl tas nogalina ne tikai ļaundabīgās šūnas, bet bieži vien normālas dalīšanās šūnas, piemēram, hematopoētiskās sistēmas šūnas un matu folikulu. Lai tas nenotiktu blakusparādība, daži uzņēmumi ir sākuši izstrādāt zāles, kas apturētu veselīgu šūnu šūnu ciklus tieši pirms ķīmijterapijas līdzekļa devas ievadīšanas.

Individuālie sagatavošanās darbi. Pašreizējā zinātnes attīstības stadijā sākas individualizētās medicīnas laikmets, kurā tiks ņemtas vērā pacientu ģenētiskās atšķirības zāļu efektīvākai lietošanai. Izmantojot funkcionālās genomikas datus, ir iespējams identificēt ģenētiskos variantus, kas padara konkrētus pacientus jutīgus pret dažu zāļu negatīvajām blakusparādībām un jutīgus pret citām. Šo individuālo terapeitisko pieeju, kas balstās uz zināšanām par pacienta genomu, sauc par farmakogenomiku.

Autonoma bezpeļņas organizācija

KALININGRADAS BIZNESA KOLEDŽA

Nepilna laika izglītības nodaļa

Abstrakts

Par tēmu: Mūsdienu biotehnoloģijas problēmas un sasniegumi

Pēc disciplīnas: Dabas zinātne

Aizpildījis students

grupas 14-ZG-1

Gerner E.A.

Pārbaudīts:

Vasiļenko N.A.

Kaļiņingrada 2015

Ievads

Galvenā daļa

1.1 Biotehnoloģijas praktiskie sasniegumi

2 Bioloģizācija un apzaļumošana

1.3. Biotehnoloģijas attīstības perspektīvas

1.4. Biotehnoloģijas pielietojums

1.5. Biotehnoloģijas nozīme medicīnā

Secinājums

Izmantoto avotu saraksts

Ievads

Savā darbā es pētu biotehnoloģiju sasniegumu tēmu. Iespējas, ko tas paver cilvēcei gan fundamentālās zinātnes jomā, gan daudzās citās jomās, ir ļoti lielas un bieži vien pat revolucionāras.

Biotehnoloģija ir joma cilvēka darbība, kam raksturīga plaša bioloģisko sistēmu izmantošana visos līmeņos visdažādākajās zinātnes nozarēs, rūpnieciskajā ražošanā, medicīnā, lauksaimniecībā un citās jomās.

Biotehnoloģija atšķiras no lauksaimniecības tehnoloģijām, pirmkārt, ar plašu mikroorganismu pielietojumu: prokariotiem (baktērijas, aktinomicīti), sēnēm un aļģēm. Tas ir saistīts ar faktu, ka mikroorganismi spēj veikt dažādas bioķīmiskas reakcijas.

Tradicionālās biotehnoloģijas ir attīstījušās, pamatojoties uz daudzu cilvēku paaudžu empīrisko pieredzi, tām raksturīgs konservatīvisms un salīdzinoši zema efektivitāte. Taču 19.-20.gadsimtā uz tradicionālo biotehnoloģiju bāzes sāka veidoties augstāka līmeņa tehnoloģijas: augsnes auglības paaugstināšanas tehnoloģijas, notekūdeņu bioloģiskās attīrīšanas tehnoloģijas, biodegvielas ražošanas tehnoloģijas.

Izvēlētās tēmas aktualitāte slēpjas apstāklī, ka biotehnoloģijas kā zināšanu joma un dinamiski augoša rūpniecības nozare ir aicināta risināt daudzas mūsdienu būtiskas problēmas, vienlaikus nodrošinot līdzsvara saglabāšanu attiecību sistēmā “cilvēks – daba. - sabiedrība”, jo uz izmantošanu balstītas bioloģiskās tehnoloģijas (biotehnoloģijas) Dzīvo būtņu potenciāls pēc definīcijas ir vērsts uz cilvēka draudzīgumu un harmoniju ar apkārtējo pasauli.

Darba novitāte slēpjas apstāklī, ka tajā runāts par to, ka biotehnoloģijas ir viens no galvenajiem zinātnes un tehnoloģiju progresa virzieniem, kas aktīvi veicina daudzu problēmu risināšanas paātrināšanu, piemēram, pārtikas, lauksaimniecības, enerģētikas un. vides jautājumiem.

Darba praktiskā nozīme ir tāda, ka tas ļaus mums izsekot biotehnoloģijas evolūcijai.

Darba mērķis ir pierādīt, ka progresīvām biotehnoloģijām var būt nozīmīga loma cilvēka dzīves un veselības kvalitātes uzlabošanā.

Atklājiet biotehnoloģijas praktisko nozīmi.

Identificēt biotehnoloģijas attīstības perspektīvas.

Pētījuma metodes:

1.Literatūras avotu analīze.

2.Informācijas vispārināšana.

1. Galvenā daļa

1.1 Biotehnoloģijas praktiskie sasniegumi

Biotehnoloģija ir radījusi daudzus produktus veselības aprūpei, lauksaimniecības, pārtikas un ķīmiskajai rūpniecībai.

Turklāt ir svarīgi, ka daudzas no tām nevarētu iegūt bez biotehnoloģisko metožu izmantošanas.

Īpaši lielas cerības tiek saistītas ar mēģinājumiem izmantot mikroorganismus un šūnu kultūras, lai samazinātu vides piesārņojumu un ražotu enerģiju.

IN molekulārā bioloģija biotehnoloģisko metožu izmantošana ļauj noteikt genoma uzbūvi, izprast gēnu ekspresijas mehānismu, modelēt šūnu membrānas, lai pētītu to funkcijas u.c.

Nepieciešamo gēnu konstruēšana, izmantojot gēnu un šūnu inženierijas metodes, ļauj kontrolēt dzīvnieku, augu un mikroorganismu iedzimtību un vitālo aktivitāti un radīt organismus ar jaunām, cilvēkam noderīgām īpašībām, kas iepriekš dabā nav novērotas.

Mikrobioloģijas nozare pašlaik izmanto tūkstošiem dažādu mikroorganismu celmu. Vairumā gadījumu tos uzlabo inducēta mutaģenēze un sekojoša atlase. Tas ļauj masveidā sintezēt dažādas vielas.

Dažus proteīnus un sekundāros metabolītus var iegūt, tikai kultivējot eikariotu šūnas. Augu šūnas var kalpot kā avots vairākiem savienojumiem - atropīnam, nikotīnam, alkaloīdiem, saponīniem utt.

Bioķīmijā, mikrobioloģijā un citoloģijā neapšaubāmi interesē gan fermentu, gan veselu mikroorganismu, augu un dzīvnieku šūnu imobilizācijas metodes.

Veterinārmedicīnā plaši tiek izmantotas tādas biotehnoloģiskās metodes kā šūnu un embriju kultūra, in vitro ooģenēze un mākslīgā apsēklošana.

Tas viss liecina, ka biotehnoloģija kļūs par avotu ne tikai jauniem pārtikas produktiem un medikamentiem, bet arī enerģijas un jaunu ķīmiskās vielas, kā arī organismi ar noteiktām īpašībām.

2. Bioloģizācija un apzaļumošana

Šobrīd arvien populārākas kļūst idejas par visu saimniecisko un ražošanas darbību apzaļumošanu un plašākā nozīmē – bioloģizāciju.

Ar zaļināšanu kā bioloģijas sākumposmu varam saprast kaitīgo ražošanas izmešu samazināšanu vidē, mazatkritumu un bezatkritumu rūpniecisko kompleksu izveidi ar slēgtu ciklu u.c.

Bioloģizācija jāsaprot plašāk, kā radikāla ražošanas darbību pārveide, kuras pamatā ir bioloģiskie likumi biosfēras biotiskais cikls.

Šādas transformācijas mērķim vajadzētu būt visu saimniecisko un ražošanas darbību integrēšanai biotiskajā ciklā.

Īpaši skaidri šī vajadzība izpaužas ķīmiskās augu aizsardzības stratēģiskās bezpalīdzības fenomenā:

Fakts ir tāds, ka šobrīd pasaulē nav neviena pesticīda, kuram augu kaitēkļi nebūtu pielāgojušies.

Turklāt tagad ir skaidri parādījies šādas adaptācijas modelis: ja 1917. g. parādījās viena kukaiņu suga, kas pielāgojās DDT, pēc tam 1980. g. ir 432 šādas sugas.

Izmantotie pesticīdi un herbicīdi ir ārkārtīgi kaitīgi ne tikai visai dzīvnieku pasaulei, bet arī cilvēkiem.

Tādā pašā veidā tagad kļūst skaidra ķīmiskā mēslojuma izmantošanas stratēģiskā bezjēdzība. Šādos apstākļos pāreja uz bioloģisko augu aizsardzību un bioorganisko tehnoloģiju ar minimālu ķīmisko mēslojumu ir pilnīgi dabiska.

Biotehnoloģijai var būt izšķiroša loma lauksaimniecības bioloģijas procesā.

Mēs varam un mums vajadzētu runāt par tehnoloģiju, rūpnieciskās ražošanas un enerģētikas biologizāciju.

Strauji augošā bioenerģijas nozare sola revolucionāras pārmaiņas, jo tā koncentrējas uz atjaunojamiem enerģijas avotiem un izejvielām.

3. Biotehnoloģijas attīstības perspektīvas

Galvenā biotehnoloģijas problēma ir bioprocesu intensifikācija, gan palielinot bioloģisko aģentu un to sistēmu potenciālu, gan pilnveidojot iekārtas un biokatalizatoru (imobilizēto enzīmu un šūnu) izmantošanu rūpniecībā, analītiskajā ķīmijā un medicīnā.

Bioloģisko sasniegumu rūpnieciskā izmantošana balstās uz rekombinanto DNS molekulu radīšanas tehniku.

Nepieciešamo gēnu projektēšana dod iespēju kontrolēt dzīvnieku, augu un mikroorganismu iedzimtību un dzīvībai svarīgo aktivitāti un radīt organismus ar jaunām īpašībām.

Jo īpaši ir iespējams kontrolēt atmosfēras slāpekļa fiksācijas procesu un pārnest atbilstošos gēnus no mikrobu šūnām uz augu šūnas genomu.

Kā biotehnoloģiju izejvielu avoti arvien lielāku nozīmi iegūs atjaunojamie neēdamo augu materiālu un lauksaimniecības atkritumu resursi, kas kalpo kā papildu avots gan barības vielu, gan otrreizējās degvielas (biogāzes) un organiskā mēslojuma iegūšanai.

Viena no strauji augošajām biotehnoloģijas nozarēm ir cilvēkam vērtīgu vielu mikrobu sintēzes tehnoloģija. Saskaņā ar prognozēm šīs nozares turpmākā attīstība būs saistīta ar lomu pārdali cilvēces pārtikas bāzes veidošanā: augkopībā un lopkopībā, no vienas puses, un mikrobu sintēzē, no otras puses.

Tikpat svarīgs mūsdienu mikrobioloģiskās tehnoloģijas aspekts ir mikroorganismu līdzdalības biosfēras procesos izpēte un to dzīvībai svarīgās aktivitātes mērķtiecīga regulēšana, lai atrisinātu vides aizsardzības problēmu no tehnogēnā, lauksaimniecības un sadzīves piesārņojuma.

Ar šo problēmu cieši saistīti pētījumi mikroorganismu nozīmes noteikšanai augsnes auglībā (humusa veidošanā un bioloģiskā slāpekļa papildināšanā), lauksaimniecības kultūru kaitēkļu un slimību apkarošanā, pesticīdu un citu ķīmisko savienojumu iznīcināšanā augsnē.

Šajā jomā pieejamās zināšanas liecina, ka cilvēka saimnieciskās darbības stratēģijas maiņa no lauksaimniecības ķīmijizācijas uz bioloģizāciju ir pamatota gan no ekonomikas, gan no vides viedokļa.

Šajā virzienā biotehnoloģija var izvirzīt mērķi ainavu atjaunošanai.

Notiek darbs pie biopolimēru radīšanas, kas spēs aizstāt mūsdienu plastmasu. Šiem biopolimēriem ir ievērojama priekšrocība salīdzinājumā ar tradicionālajiem materiāliem, jo ​​tie ir netoksiski un bioloģiski noārdās, tas ir, pēc lietošanas tie viegli sadalās, nepiesārņojot vidi.

Biotehnoloģijas, kuru pamatā ir mikrobioloģijas sasniegumi, ir visrentablākās, ja tās tiek izmantotas un radītas integrētā veidā ražošana bez atkritumiem kas netraucē ekoloģisko līdzsvaru.

To attīstība ļaus nomainīt daudzas milzīgas ķīmiskās rūpniecības ražotnes ar videi draudzīgām kompaktām ražotnēm.

Svarīga un daudzsološa biotehnoloģijas joma ir videi draudzīgas enerģijas ražošanas metožu izstrāde.

Biogāzes un etanola ražošana tika apspriesta iepriekš, taču šajā virzienā ir arī principiāli jaunas eksperimentālās pieejas.

Viens no tiem ir fotoūdeņraža ražošana:

“Ja no hloroplastiem izolē membrānas, kas satur fotosistēmu 2, tad gaismā notiek ūdens fotolīze - tā sadalīšanās skābeklī un ūdeņradi. Hloroplastos notiekošo fotosintēzes procesu modelēšana ļautu uzkrāt Saules enerģiju vērtīgajā degvielā – ūdeņradī.

Šīs enerģijas iegūšanas metodes priekšrocības ir acīmredzamas:

liekā substrāta, ūdens klātbūtne;

neierobežots enerģijas avots - Saule;

produktu (ūdeņradi) var uzglabāt, nepiesārņojot atmosfēru;

ūdeņradim ir augsta siltumspēja (29 kcal/g), salīdzinot ar ogļūdeņražiem (3,5 kcal/g);

process notiek normālā temperatūrā, neveidojot toksiskus starpproduktus;

process ir ciklisks, jo, patērējot ūdeņradi, tiek reģenerēts substrāts - ūdens.

.4 Biotehnoloģijas pielietojums

Cilvēki vienmēr ir domājuši, kā iemācīties kontrolēt dabu, un meklējuši veidus, kā iegūt, piemēram, augus ar uzlabotām īpašībām: ar augstu ražu, lielākiem un garšīgākiem augļiem vai ar paaugstinātu aukstumizturību. Kopš seniem laikiem galvenā šiem nolūkiem izmantotā metode ir bijusi selekcija. To plaši izmanto līdz pat mūsdienām, un tā mērķis ir radīt jaunas un uzlabot esošās kultivēto augu, mājdzīvnieku šķirņu un mikroorganismu celmus ar cilvēkiem vērtīgām iezīmēm un īpašībām.

Selekcijas pamatā ir augu (dzīvnieku) selekcija ar izteiktām labvēlīgām pazīmēm un šādu organismu tālāka krustošanās, savukārt gēnu inženierija pieļauj tiešu iejaukšanos šūnas ģenētiskajā aparātā. Ir svarīgi atzīmēt, ka tradicionālās audzēšanas laikā ir ļoti grūti iegūt hibrīdus ar vēlamo derīgo īpašību kombināciju, jo ļoti lieli katra vecāka genoma fragmenti tiek pārnesti uz pēcnācējiem, savukārt gēnu inženierijas metodes visbiežāk ļauj strādā ar vienu vai vairākiem gēniem, un to modifikācijas neietekmē citu gēnu darbību. Rezultātā, nezaudējot citus noderīgas īpašības augiem, ir iespējams pievienot vienu vai vairākas noderīgas īpašības, kas ir ļoti vērtīgas jaunu šķirņu un jaunu augu formu veidošanai. Ir kļuvis iespējams mainīt, piemēram, augu izturību pret klimatu un stresu vai jutīgumu pret atsevišķos reģionos izplatītiem kukaiņiem vai slimībām, sausumu u.c. Zinātnieki pat cer iegūt koku sugas, kas būtu ugunsizturīgas. Lai uzlabotu, tiek veikti plaši pētījumi uzturvērtība dažādas lauksaimniecības kultūras, piemēram, kukurūza, sojas pupas, kartupeļi, tomāti, zirņi u.c.

Vēsturiski ģenētiski modificētu augu radīšanā pastāv "trīs viļņi":

Otrais vilnis - 2000. gadu sākums - augu radīšana ar jaunām patēriņa īpašībām: eļļas augu sēklas ar augstāku saturu un modificētu eļļu sastāvu, augļi un dārzeņi ar augstu vitamīnu saturu, barojošāki graudi u.c.

Mūsdienās zinātnieki veido “trešā viļņa” ražotnes, kas tirgū parādīsies tuvāko 10 gadu laikā: vakcīnu ražotnes, bioreaktoru iekārtas rūpniecisko produktu ražošanai (dažādu veidu plastmasu komponenti, krāsvielas, tehniskās eļļas utt.), augi - zāļu fabrikas utt.

Gēnu inženierijas darbam lopkopībā ir cits uzdevums. Pilnīgi sasniedzams mērķis ar pašreizējo tehnoloģiju līmeni ir transgēnu dzīvnieku radīšana ar noteiktu mērķa gēnu. Piemēram, kāda vērtīga dzīvnieku hormona (piemēram, augšanas hormona) gēns tiek mākslīgi ievadīts baktērijās, kas sāk to ražot lielos daudzumos. Vēl viens piemērs: transgēnās kazas attiecīgā gēna ievadīšanas rezultātā var ražot specifisku proteīnu VIII faktoru, kas novērš asiņošanu pacientiem, kuri cieš no hemofilijas, vai enzīmu trombokināzi, kas veicina asins recekļu rezorbciju asinīs. kuģiem, kas ir svarīgi tromboflebīta profilaksei un ārstēšanai cilvēkiem. Transgēnie dzīvnieki šos proteīnus ražo daudz ātrāk, un pati metode ir daudz lētāka nekā tradicionālā.

XX gadsimta 90. gadu beigās. ASV zinātnieki ir nonākuši tuvu lauksaimniecības dzīvnieku iegūšanai, klonējot embriju šūnas, lai gan šis virziens joprojām prasa turpmākus nopietnus pētījumus. Bet ksenotransplantācijā - orgānu pārstādīšanā no viena dzīvā organisma veida uz otru - ir sasniegti neapšaubāmi rezultāti. Lielākie panākumi iegūti, par dažādu orgānu donoriem izmantojot cūkas, kuru genotipā ir pārnesti cilvēka gēni. Šajā gadījumā orgānu atgrūšanas risks ir minimāls.

Zinātnieki arī norāda, ka gēnu pārnese palīdzēs samazināt cilvēku alerģiju pret govs pienu. Mērķtiecīgām izmaiņām govju DNS vajadzētu izraisīt arī piesātināto taukskābju un holesterīna satura samazināšanos pienā, padarot to vēl veselīgāku. Ģenētiski modificēto organismu izmantošanas iespējamās briesmas izpaužas divos aspektos: pārtikas nekaitīgums cilvēku veselībai un ietekme uz vidi. Tieši tāpēc vissvarīgākais posms Veidojot ģenētiski modificētu produktu, ir jāveic tā visaptveroša pārbaude, lai izvairītos no riska, ka produkts satur alerģiju izraisošus proteīnus, toksiskas vielas vai kādas jaunas bīstamas sastāvdaļas.

5. Biotehnoloģijas nozīme medicīnā

biotehnoloģija bioprocess farmācija

Papildus plašai izmantošanai lauksaimniecībā, pamatojoties uz gēnu inženierija ir radusies vesela farmācijas nozares nozare, saukta DNS nozare un pārstāv vienu no mūsdienu biotehnoloģijas nozarēm. Vairāk nekā ceturtā daļa no visām pasaulē pašlaik lietotajām zālēm satur augu izcelsmes sastāvdaļas. Ģenētiski modificēti augi ir lēts un drošs avots pilnībā funkcionējošu ārstniecisko proteīnu (antivielu, vakcīnu, fermentu u.c.) iegūšanai gan cilvēkiem, gan dzīvniekiem. Gēnu inženierijas izmantošanas piemēri medicīnā ir arī cilvēka insulīna ražošana, izmantojot ģenētiski modificētas baktērijas, eritropoetīna ražošana (hormons, kas stimulē sarkano asins šūnu veidošanos kaulu smadzenēs. Šī hormona fizioloģiskā loma ir regulēt sarkano asins šūnu ražošana atkarībā no organisma nepieciešamības pēc skābekļa) šūnu kultūrā (t.i. ārpus cilvēka ķermeņa) vai jaunas eksperimentālo peļu šķirnes zinātniskiem pētījumiem.

Gēnu inženierijas metožu attīstība, kuras pamatā ir rekombinantās DNS radīšana, noveda pie “biotehnoloģijas uzplaukuma”, kam mēs esam liecinieki. Pateicoties zinātnes sasniegumiem šajā jomā, ir kļuvis iespējams ne tikai izveidot “bioloģiskos reaktorus”, transgēnus dzīvniekus, ģenētiski modificētus augus, bet arī veikt ģenētisko sertifikāciju (pilnīgu cilvēka genotipa izpēti un analīzi, ko parasti veic. ārā uzreiz pēc dzemdībām, lai noteiktu noslieci uz dažādām slimībām, iespējamu neadekvātu (alerģisku) reakciju uz noteiktiem medikamentiem, kā arī tieksmi uz noteikta veida aktivitātēm). Ģenētiskā sertifikācija ļauj prognozēt un samazināt sirds un asinsvadu un vēža slimību riskus, pētīt un novērst neirodeģeneratīvas slimības un novecošanas procesus, analizēt indivīda neirofizioloģiskās īpašības molekulārā līmenī), diagnosticēt ģenētiskās slimības, izveidot DNS vakcīnas, gēnu terapiju. dažādām slimībām utt.

20. gadsimtā lielākajā daļā pasaules valstu galvenie medicīnas centieni bija vērsti uz cīņu infekcijas slimības, zīdaiņu mirstības samazināšanās un palielināšanās vidējais ilgums dzīvi. Valstis ar attīstītākām veselības aprūpes sistēmām šādā veidā ir guvušas tik daudz panākumus, ka tās ir atklājušas iespēju novirzīt uzsvaru uz hronisku slimību, slimību ārstēšanu sirds un asinsvadu sistēma un onkoloģiskās slimības, jo tieši šīs slimību grupas nodrošināja lielāko procentuālo mirstības pieaugumu.

Tajā pašā laikā tika meklētas jaunas metodes un pieejas. Būtiski, ka zinātne ir pierādījusi iedzimtas noslieces nozīmīgo lomu tādu plaši izplatītu slimību kā koronārā sirds slimība, hipertensija, peptiska čūla kuņģa un divpadsmitpirkstu zarnas, psoriāzes, bronhiālās astmas u.c. Ir kļuvis skaidrs, ka šo slimību, ar kurām saskaras visu specialitāšu ārstu praksē, efektīvai ārstēšanai un profilaksei ir jāzina vides un iedzimtības mijiedarbības mehānismi. to rašanās un attīstības faktoriem, un līdz ar to arī turpmāka virzība veselības aprūpē nav iespējama bez biotehnoloģisko metožu attīstības medicīnā. Pēdējos gados šīs jomas tiek uzskatītas par prioritātēm un strauji attīstās.

Uzticamu, uz biotehnoloģiskām pieejām balstītu ģenētisko pētījumu nozīme ir acīmredzama arī tāpēc, ka šobrīd ir zināmi vairāk nekā 4000 iedzimtu slimību. Apmēram 5-5,5% bērnu piedzimst ar iedzimtām vai iedzimtām slimībām. Vismaz 30% bērnu mirstības grūtniecības laikā un pēcdzemdību periodā ir saistītas ar iedzimtām malformācijām un iedzimtām slimībām. Pēc 20-30 gadiem sāk parādīties daudzas slimības, kurām cilvēkam bija tikai iedzimta predispozīcija. Tas notiek dažādu vides faktoru ietekmē: dzīves apstākļi, slikti ieradumi, komplikācijas pēc slimībām utt.

Šobrīd jau ir parādījušās praktiskas iespējas būtiski samazināt vai koriģēt iedzimtības faktoru negatīvo ietekmi. Medicīnas ģenētika skaidroja, ka daudzu gēnu mutāciju cēlonis ir mijiedarbība ar nelabvēlīgiem vides apstākļiem, un līdz ar to, risinot vides problēmas, iespējams samazināt saslimstību ar vēzi, alerģijām, sirds un asinsvadu slimībām, diabētu, garīgām slimībām un pat dažām infekcijas slimībām. . Tajā pašā laikā zinātnieki spēja identificēt gēnus, kas ir atbildīgi par dažādu patoloģiju izpausmēm un veicina paredzamā dzīves ilguma palielināšanos. Lietojot medicīniskās ģenētikas metodes, labi rezultāti iegūti 15% slimību ārstēšanā, un ievērojams uzlabojums novērots gandrīz 50% slimību.

Tādējādi ievērojami sasniegumi ģenētikā ir ļāvuši ne tikai sasniegt molekulāro līmeni ķermeņa ģenētisko struktūru izpētē, bet arī atklāt daudzu nopietnu cilvēka slimību būtību un pietuvoties gēnu terapijai.

Turklāt, balstoties uz medicīnas ģenētiskajām zināšanām, ir parādījušās iespējas agrīnai iedzimtu slimību diagnostikai un savlaicīgai iedzimtu patoloģiju profilaksei.

Patlaban vissvarīgākā medicīniskās ģenētikas joma ir jaunu iedzimtu slimību, tostarp slimību ar iedzimtu predispozīciju, diagnosticēšanas metožu izstrāde. Mūsdienās vairs nevienu nepārsteidz preimplantācijas diagnostika - metode embrija diagnosticēšanai agrīnā intrauterīnās attīstības stadijā, kad ģenētiķis, izņemot tikai vienu nedzimuša bērna šūnu ar minimālu draudu viņa dzīvībai, nosaka precīzu diagnozi vai brīdina par diagnozi. iedzimta nosliece uz noteiktu slimību.

Medicīniskā ģenētika kā teorētiskā un klīniskā disciplīna turpina intensīvi attīstīties dažādos virzienos: cilvēka genoma izpēte, citoģenētika, molekulārā un bioķīmiskā ģenētika, imunoģenētika, attīstības ģenētika, populācijas ģenētika, klīniskā ģenētika.

Pateicoties arvien plašākai biotehnoloģisko metožu izmantošanai farmācijā un medicīnā, ir radies jauns “personalizētās medicīnas” jēdziens, kad pacients tiek ārstēts, balstoties uz viņa individuālajām, tajā skaitā ģenētiskajām īpašībām, un tiek izgatavotas pat ārstēšanas procesā izmantotās zāles. individuāli katram konkrētam pacientam, ņemot vērā viņa stāvokli. Šādu zāļu parādīšanās kļuva iespējama, jo īpaši pateicoties tādas biotehnoloģiskās metodes izmantošanai kā šūnu hibridizācija (mākslīgā saplūšana). Šūnu hibridizācijas un hibrīdu ražošanas procesi vēl nav pilnībā izpētīti un attīstīti, taču svarīgi, ka ar to palīdzību ir kļuvis iespējams ražot monoklonālās antivielas. Monoklonālās antivielas ir īpašas “aizsargājošas” olbaltumvielas, kuras ražo cilvēka imūnsistēmas šūnas, reaģējot uz jebkādu svešķermeņu (sauktu par antigēniem) parādīšanos asinīs: baktērijas, vīrusi, indes utt. Monoklonālajām antivielām ir ārkārtēja, unikāla specifika, un katra antiviela atpazīst tikai savu antigēnu, saistās ar to un padara to drošu cilvēkiem. Mūsdienu medicīnā monoklonālās antivielas plaši izmanto diagnostikas nolūkos. Šobrīd tās tiek izmantotas arī kā ļoti efektīvas zāles individuālai ārstēšanai pacientiem, kuri cieš no tādām nopietnām slimībām kā vēzis, AIDS u.c.

Secinājums

Pamatojoties uz iepriekš minēto, varam secināt, ka progresīvām biotehnoloģijām var būt nozīmīga loma dzīves kvalitātes un cilvēku veselības uzlabošanā, valstu ekonomiskās un sociālās izaugsmes nodrošināšanā (īpaši jaunattīstības valstīs).

Biotehnoloģija var radīt jaunas diagnostikas, vakcīnas un zāles. Biotehnoloģija var palīdzēt palielināt galveno labības kultūru ražu, kas ir īpaši svarīgi saistībā ar pieaugošo Zemes iedzīvotāju skaitu. Daudzās valstīs, kur lieli biomasas apjomi ir neizmantoti vai nepietiekami izmantoti, biotehnoloģija varētu piedāvāt veidus, kā tos pārvērst vērtīgos produktos, kā arī pārstrādāt, izmantojot biotehnoloģiskās metodes, lai ražotu dažāda veida biodegvielas. Turklāt, kad pareiza plānošana un apsaimniekošana, biotehnoloģija var rast pielietojumu mazajos reģionos kā lauku industrializācijas instruments mazo nozaru veidošanai, kas nodrošinās aktīvāku tukšo teritoriju attīstību un atrisinās nodarbinātības problēmu.

Biotehnoloģijas attīstības iezīme 21. gadsimtā ir ne tikai tās kā lietišķās zinātnes straujā izaugsme, tā arvien vairāk kļūst par cilvēka ikdienas sastāvdaļu un, kas ir vēl svarīgāk, sniedz izcilas iespējas efektīvai (intensīvai, ne ekstensīva) gandrīz visu tautsaimniecības nozaru attīstība, kļūst par nepieciešamu nosacījumu sabiedrības ilgtspējīgai attīstībai un tādējādi pārveidojoši ietekmē visas sabiedrības attīstības paradigmu.

Biotehnoloģiju plašā iespiešanās pasaules ekonomikā izpaužas faktā, ka ir izveidoti pat jauni termini, kas apzīmē šī procesa globālo raksturu. Tādējādi biotehnoloģisko metožu izmantošanu rūpnieciskajā ražošanā sāka saukt par "balto biotehnoloģiju", farmācijas ražošanā un medicīnā - "sarkano biotehnoloģiju", lauksaimnieciskajā ražošanā un lopkopībā - "zaļo biotehnoloģiju", bet mākslīgā audzēšana un turpmāka ūdens organismu apstrāde (akvakultūra vai marikultūra) – “zilā biotehnoloģija”. Un ekonomiku, kas apvieno visas šīs novatoriskās jomas, sauc par “bioekonomiku”. Uzdevums pāriet no tradicionālās ekonomikas uz jaunu ekonomiku - uz inovācijām balstītu bioekonomiku, kas plaši izmanto biotehnoloģijas iespējas dažādās nozarēs, kā arī cilvēka ikdienas dzīvē, jau daudzās valstīs ir pasludināts par stratēģisku mērķi. pasaule.

Izmantoto avotu saraksts

1.Biotehnoloģija. Principi un pielietojums / Higgins I., Best D., Jones J. M.: World, 1988.

2. Lauksaimniecības augu biotehnoloģija. M.: Agropromizdat, 1987. gads.

3. Biotehnoloģija - lauksaimniecība / Lobanok A.G., Zalashko M.V., Anisimova N.I. un citi, Minska, 1988.

4.Koļesņikovs, S.I. Mēs nokārtojam vides pārvaldības pamatus:

5. gultiņu sērija / S.I. Koļesņikovs. - Rostova n/d: Fēnikss, 2004. - 160 lpp.

6.Lukjančikovs, N.N. Vides pārvaldības ekonomika un organizācija: mācību grāmata universitātēm / N.N. Lukjančikovs, I.M. Potravnija. - 2. izdevums, pārstrādāts. un papildu - M.: VIENOTĪBA-DANA, 2002. - 454 lpp.

7.Protasovs, V.F. Ekoloģija, veselības un vides pārvaldība Krievijā / V.F. Protasovs, A.V. Molčanovs - M.: Finanšu un statistikas izdevniecība, 1995. 528 lpp.

8. Ričkovs R.S., Popovs V.G. Biotehnoloģijas attīstības perspektīvas // Biotehnoloģija. M.: Nauka, 1984. gads.

9. 21. gadsimta tehnoloģija Krievijā. Būt vai nebūt // Zinātne un dzīve. - 2001. - Nr.1. P.3-8.

Apmācība

Nepieciešama palīdzība tēmas izpētē?

Mūsu speciālisti konsultēs vai sniegs apmācību pakalpojumus par jums interesējošām tēmām.
Iesniedziet savu pieteikumu norādot tēmu tieši tagad, lai uzzinātu par iespēju saņemt konsultāciju.

IEVADS

1.1. Vispārīgi noteikumi

pēc likuma Krievijas Federācija“Par veterinārmedicīnu” definē veterinārmedicīnas galvenos uzdevumus “zinātnisko zināšanu un praktiskās darbības jomā, kas vērsta uz dzīvnieku slimību profilaksi un to ārstēšanu, pilnīgu un veterināri drošu dzīvnieku izcelsmes produktu ražošanu un iedzīvotāju aizsardzību no cilvēkiem un dzīvniekiem izplatītām slimībām. ”

Vairākas no šīm problēmām tiek atrisinātas, izmantojot biotehnoloģijas metodes.

Biotehnoloģijas definīciju diezgan pilnībā sniedz Eiropas Biotehnoloģiju federācija, kas dibināta 1978. gadā. Saskaņā ar šo definīciju biotehnoloģija ir zinātne, kas, pamatojoties uz zināšanu pielietojumu mikrobioloģijas, bioķīmijas, ģenētikas, gēnu inženierijas, imunoloģijas, ķīmiskās tehnoloģijas, instrumentu un mašīnbūves jomā, izmanto bioloģiskus objektus (mikroorganismus, dzīvnieku un augu audu šūnas) vai molekulas (nukleīna) skābes, olbaltumvielas, fermenti) , ogļhidrāti utt.) cilvēkiem un dzīvniekiem noderīgu vielu un produktu rūpnieciskai ražošanai.

Kamēr visaptverošais termins biotehnoloģija kļuva vispārpieņemts, tādi nosaukumi kā lietišķā mikrobioloģija, lietišķā bioķīmija, fermentu tehnoloģija, bioinženierija, lietišķā ģenētika un lietišķā bioloģija tika lietoti, lai apzīmētu dažādas ar bioloģiju visciešāk saistītās tehnoloģijas.

Zinātnes sasniegumu izmantošana biotehnoloģijā tiek veikta visvairāk augsts līmenis mūsdienu zinātne. Tikai biotehnoloģija ļauj iegūt dažādas vielas un savienojumus no salīdzinoši lētiem, pieejamiem un atjaunojamiem materiāliem.

Atšķirībā no dabiskās vielas un savienojumi, kas ir mākslīgi sintezēti, prasa lielus ieguldījumus, tos slikti absorbē dzīvnieku un cilvēku organismi, un tiem ir augstas izmaksas.

Biotehnoloģijās izmanto mikroorganismus un vīrusus, kas savu dzīvības procesu gaitā dabiski ražo mums nepieciešamās vielas - vitamīnus, fermentus, aminoskābes, organiskās skābes, spirtus, antibiotikas un citus bioloģiski aktīvus savienojumus.

Dzīva šūna ir pārāka par jebkuru augu ar savu organizatorisko struktūru, procesu saskaņotību, rezultātu precizitāti, efektivitāti un racionalitāti.

Pašlaik mikroorganismus galvenokārt izmanto trīs veidu biotehnoloģiskos procesos:

Biomasas ražošanai;

Iegūt vielmaiņas produktus (piemēram, etanolu, antibiotikas, organiskās skābes utt.);

Gan dabiskas, gan antropogēnas izcelsmes organisko un neorganisko savienojumu apstrādei.

Pirmā veida procesa galvenais uzdevums, ko mūsdienās aicina risināt biotehnoloģiskā ražošana, ir proteīna deficīta novēršana lauksaimniecības dzīvnieku un putnu barībā, jo Augu izcelsmes olbaltumvielās ir aminoskābju deficīts un, galvenais, īpaši vērtīgo, tā saukto neaizvietojamo.

Otrās biotehnoloģisko procesu grupas galvenais virziens šobrīd ir mikrobu sintēzes produktu ražošana, izmantojot dažādu nozaru atkritumus, tostarp pārtikas, naftas un kokapstrādes rūpniecības u.c.

Dažādu ķīmisko savienojumu biotehnoloģiskā apstrāde ir vērsta galvenokārt uz ekoloģiskā līdzsvara nodrošināšanu dabā, cilvēku darbības atkritumu pārstrādi un negatīvās antropogēnās ietekmes uz dabu maksimālu samazināšanu.

Rūpnieciskā mērogā biotehnoloģija ir nozare, kurā var izdalīt šādas nozares:

Polimēru un tekstilrūpniecības izejvielu ražošana;

Metanola, etanola, biogāzes, ūdeņraža ražošana un to izmantošana enerģētikā un ķīmiskajā rūpniecībā;

Olbaltumvielu, aminoskābju, vitamīnu, fermentu u.c. plašā mērogā audzējot raugu, aļģes, baktērijas;

Lauksaimniecības augu un dzīvnieku produktivitātes paaugstināšana;

Herbicīdu un bioinsekticīdu iegūšana;

Plaša gēnu inženierijas metožu ieviešana jaunu dzīvnieku šķirņu, augu šķirņu iegūšanā un augu un dzīvnieku izcelsmes audu šūnu kultūru audzēšanā;

Rūpniecisko un sadzīves atkritumu, notekūdeņu pārstrāde, komposta ražošana, izmantojot mikroorganismus;

Naftas kaitīgo izmešu, augsni un ūdeni piesārņojošo ķīmisko vielu pārstrāde;

Terapeitisko, profilaktisko un diagnostisko zāļu (vakcīnas, serumi, antigēni, alergēni, interferoni, antibiotikas u.c.) ražošana.

Gandrīz visi biotehnoloģijas procesi ir cieši saistīti ar dažādu mikroorganismu grupu - baktēriju, vīrusu, rauga, mikroskopisko sēņu u.c. dzīves aktivitāti, un tiem ir vairākas raksturīgas pazīmes:

1. Mikrobu sintēzes process, kā likums, ir daļa no daudzpakāpju ražošanas, un biosintēzes stadijas mērķa produkts bieži vien nav nopērkams un tiek pakļauts turpmākai apstrādei.

2. Kultivējot mikroorganismus, parasti ir nepieciešams saglabāt aseptiskus apstākļus, kas prasa iekārtu, komunikāciju, izejvielu u.c. sterilizāciju.

3. Mikroorganismu audzēšana tiek veikta neviendabīgās sistēmās, kuru fizikāli ķīmiskās īpašības procesa gaitā var būtiski mainīties.

4. Tehnoloģiskajam procesam ir raksturīga liela mainība sakarā ar bioloģiskā objekta klātbūtni sistēmā, t.i. mikroorganismu populācijas.

5. Mikrobu augšanas un vielmaiņas produktu biosintēzes regulēšanas sarežģītība un daudzfaktoru mehānismi.

6. Sarežģītība un vairumā gadījumu informācijas trūkums par ražošanas barotņu kvalitatīvo un kvantitatīvo sastāvu.

7. Salīdzinoši zemas mērķa produktu koncentrācijas.

8. Procesa spēja pašregulēties.

9. Optimāli apstākļi mikroorganismu augšanai un mērķa produktu biosintēzei ne vienmēr sakrīt.

Mikroorganismi patērē vielas no apkārtējās vides, aug, vairojas, izdala šķidros un gāzveida vielmaiņas produktus, tādējādi īstenojot tās izmaiņas sistēmā (biomasas vai vielmaiņas produktu uzkrāšanās, piesārņojošo vielu patēriņš), kurām tiek veikts audzēšanas process. Līdz ar to mikroorganismu var uzskatīt par biotehnoloģiskās sistēmas centrālo elementu, kas nosaka tā funkcionēšanas efektivitāti.

1.2. Biotehnoloģiju attīstības vēsture

Pēdējo 20 gadu laikā biotehnoloģija, pateicoties tās specifiskajām priekšrocībām salīdzinājumā ar citām zinātnēm, ir veikusi izšķirošu izrāvienu industriālajā līmenī, kas arī lielā mērā ir saistīts ar jaunu pētniecības metožu attīstību un atvērto procesu intensificēšanu. līdz šim nezināmas iespējas bioloģisko produktu ražošanā, izdalīšanas, identifikācijas un bioloģiski attīrīšanas metodes.

Biotehnoloģija veidojās un attīstījās, veidojoties un attīstoties cilvēku sabiedrībai. Tās rašanos, veidošanos un attīstību var iedalīt 4 periodos.

1. Empīriskais periods jeb aizvēsture ir garākais, aptverot aptuveni 8000 gadus, no kuriem vairāk nekā 6000 gadu pirms mūsu ēras. un apmēram 2000. g. p.m.ē. Tā laika senās tautas intuitīvi izmantoja maizes, alus un dažu citu produktu gatavošanas paņēmienus un metodes, ko mēs tagad klasificējam kā biotehnoloģiskos.

Ir zināms, ka šumeri, pirmie Mezopotāmijas (mūsdienu Irākas teritorijā) iedzīvotāji, radīja civilizāciju, kas tajās dienās uzplauka. Viņi cepa maizi no skābās mīklas un apguva alus brūvēšanas mākslu. Iegūtā pieredze tika nodota no paaudzes paaudzē, izplatoties kaimiņu tautu (asīriešu, babiloniešu, ēģiptiešu un seno hinduistu) vidū. Etiķis ir pazīstams jau vairākus tūkstošus gadu un ir gatavots mājās kopš seniem laikiem. Pirmā destilācija vīna darīšanā tika veikta 12. gadsimtā; degvīns no graudaugiem pirmo reizi tika ražots 16. gadsimtā; šampanietis ir pazīstams kopš 18. gadsimta.

Empīriskais periods ietver raudzētu piena produktu, skābo kāpostu, medus ražošanu alkoholiskie dzērieni, lopbarības skābbarība.

Tādējādi tautas no seniem laikiem izmantoja biotehnoloģiskos procesus praksē, neko nezinot par mikroorganismiem. Empīrisms bija raksturīgs arī derīgo augu un dzīvnieku izmantošanas praksei.

1796. gadā tas notika svarīgākais notikums bioloģijā - E. Dženere veica pirmās govs baku vakcinācijas cilvēkiem vēsturē.

2. Biotehnoloģijas attīstības etioloģiskais periods aptver 19. gadsimta otro pusi. un 20. gadsimta pirmā trešdaļa. (1856 - 1933). Viņš ir saistīts ar izcilā franču zinātnieka L. Pastēra (1822 - 95) – zinātniskās mikrobioloģijas pamatlicēja – izcilajiem pētījumiem.

Pasters noteica fermentācijas mikrobu raksturu, pierādīja dzīvības iespējamību bezskābekļa apstākļos, radīja zinātnisko pamatu vakcīnu profilaksei utt.

Tajā pašā laika posmā strādāja viņa izcilie studenti, līdzstrādnieki un kolēģi: E. Duclos, E. Roux, Sh.E. Čemberlens, I.I. Mečņikovs; R. Kohs, D. Listers, G. Rikets, D. Ivanovskis u.c.

1859. gadā L. Pastērs sagatavoja šķidru barotni, un R. Kohs 1881. gadā ierosināja metodi baktēriju kultivēšanai uz sterilām kartupeļu šķēlītēm un agara barotnēm. Un tā rezultātā bija iespējams pierādīt mikrobu individualitāti un iegūt tos tīrkultūrās. Turklāt katru sugu varēja pavairot uz barības vielu barotnēm un izmantot attiecīgo procesu reproducēšanai (fermentācija, oksidēšana utt.).

Starp 2. perioda sasniegumiem īpaši vērts atzīmēt:

1856. gads — čehu mūks G. Mendels atklāja pazīmju dominēšanas likumus un ieviesa iedzimtības vienības jēdzienu diskrēta faktora veidā, kas tiek nodots no vecākiem uz pēcnācējiem;

1869. gads – F. Milers no leikocītiem izolēja “nukleīnu” (DNS);

1883. gads — I. Mečņikovs izstrādāja šūnu imunitātes teoriju;

1984. gads — F. Leflers izolēja un kultivēja difterijas izraisītāju;

1892. gads - D. Ivanovskis atklāj vīrusus;

1893. gads — V. Ostvalds izveidoja fermentu katalītisko funkciju;

1902. gads - G. Haberlands parādīja iespēju kultivēt augu šūnas barības vielu šķīdumos;

1912. gads — K. Noibergs atklāj fermentācijas procesu mehānismu;

1913. gads — L. Michaelis un M. Menten izstrādāja fermentatīvo reakciju kinētiku;

1926. gads — H. Morgans formulēja iedzimtības hromosomu teoriju;

1928. gads – F. Grifits apraksta baktēriju “transformācijas” fenomenu;

1932. gads — M. Knolls un E. Ruska izgudroja elektronu mikroskopu.
Šajā periodā sākās presēto pārtikas produktu ražošana.

raugs, kā arī to vielmaiņas produkti - acetonu, butanolu, citronskābi un pienskābi, Francija sāka veidot bioinstalācijas mikrobioloģiskai notekūdeņu attīrīšanai.

Tomēr lielas viena vecuma šūnu masas uzkrāšanās joprojām bija ārkārtīgi darbietilpīgs process. Tāpēc daudzu problēmu risināšanai biotehnoloģijas jomā bija nepieciešama principiāli atšķirīga pieeja.

3. Biotehniskais periods - sākās 1933. gadā un ilga līdz 1972. gadam.

1933. gadā A. Kluivers un A.H. Pērkins publicēja darbu “Metodes vielmaiņas pētīšanai pelējuma sēnēs”, kurā izklāstīja pamata tehniskos paņēmienus, kā arī pieejas sēņu dziļās kultivēšanas laikā iegūto rezultātu novērtēšanai. Sākta liela mēroga hermētisku iekārtu ieviešana biotehnoloģijā, nodrošinot procesu norisi sterilos apstākļos.

Īpaši spēcīgs impulss rūpniecisko biotehnoloģisko iekārtu attīstībā tika atzīmēts antibiotiku ražošanas veidošanās un attīstības periodā (Otrā pasaules kara laikā, 1939-1945, kad bija steidzami nepieciešami pretmikrobu medikamenti pacientu ārstēšanai ar inficētām brūcēm).

Viss progresīvais biotehnoloģiju un tehnisko disciplīnu jomā līdz tam laikam tika atspoguļots biotehnoloģijā:

1936. gads - tika atrisināti galvenie uzdevumi projektēšanas, izveides un nepieciešamā aprīkojuma ieviešanā, tajā skaitā galvenais - bioreaktors (fermentators, kultivators);

1942. gads — M. Delbriks un T. Andersons pirmo reizi ieraudzīja vīrusus, izmantojot elektronu mikroskopu;

1943. gads - rūpnieciskā mērogā ražots penicilīns;

1949. gadā J. Lederbergs atklāja konjugācijas procesu E.kolijs;

1950. gads — J. Monods izstrādāja teorētiskie pamati nepārtraukta kontrolēta mikrobu audzēšana, ko savos pētījumos izstrādāja M. Stīvensons, I. Moleks, M. Jerusalimskis,
I. Rabotnova, I. Pomozova, I. Basnakjans, V. Birjukovs;

1951. gads - M. Theiler izstrādāja vakcīnu pret dzelteno drudzi;

1952. gads — V. Heiss aprakstīja plazmīdu kā iedzimtības ekstrahromosomālu faktoru;

1953. gads — F. Kriks un Dž. Vatsons atšifrēja DNS struktūru. Tas ir bijis stimuls dažādu izcelsmes šūnu liela mēroga kultivēšanas metožu izstrādei, lai iegūtu šūnu produktus un pašas šūnas;

1959. gads — japāņu zinātnieki atklāj antibiotiku rezistences plazmīdas (K-faktors) dizentērijas baktērijās;

1960. gads - S. Ochoa un A. Kornberg izolēja olbaltumvielas, kas var “sasaistīt” vai “salīmēt” nukleotīdus polimēru ķēdēs, tādējādi sintezējot DNS makromolekulas. Viens šāds enzīms tika izolēts no Escherichia coli un nosaukts par DNS polimerāzi;

1961. gads - M. Nirenbergs nolasa pirmos trīs ģenētiskās vēstules
aminoskābes fenilalanīna kods;

1962. gads - X. Korana ķīmiski sintezēja funkcionālu gēnu;

1969. gads — M. Bekvits un S. Šapiro izolēja 1ac operona gēnu iekšā E.kolijs;

- 1970. gads - tika izolēts restrikcijas enzīms (restrikcijas endonukleāze).

4. Gēnu inženierijas periods sākās 1972. gadā, kad P. Bergs radīja pirmo DNS molekulas rekombināciju, tādējādi demonstrējot iespēju mērķtiecīgi manipulēt ar baktēriju ģenētisko materiālu.

Dabiski, ka bez F. Krika un Dž. Vatsona fundamentālā darba DNS struktūras noteikšanai nebūtu bijis iespējams sasniegt modernus rezultātus biotehnoloģiju jomā. Funkcionēšanas un DNS replikācijas mehānismu noskaidrošana, specifisku enzīmu izolēšana un izpēte noveda pie stingri zinātniskas pieejas veidošanās biotehnisko procesu attīstībai, kas balstīta uz gēnu inženierijas manipulācijām.

Jaunu pētījumu metožu izveide bija nepieciešams priekšnoteikums biotehnoloģijas attīstībai 4. periodā:

1977. gads — M. Maksams un V. Gilberts izstrādāja metodi DNS primārās struktūras analīzei, izmantojot ķīmisko degradāciju, un Dž.Sangers.
- ar polimerāzes kopēšanu, izmantojot terminējošus nukleotīdu analogus;

1981. gads - ASV ir apstiprināts pirmais monoklonālo antivielu diagnostikas komplekts;

1982. gads - pārdošanā nonāca cilvēka insulīns, ko ražo Escherichia coli šūnas; Eiropas valstīs ir apstiprināta vakcīna dzīvniekiem, kas iegūta, izmantojot tehnoloģiju
rekombinantā DNS; ir izstrādāti ģenētiski modificētie interferoni, audzēju nekrotizējošs faktors, interleikīns-2, cilvēka somatotropais hormons u.c.;

1986. gads — K. Mullis izstrādāja polimerāzes ķēdes reakcijas (PCR) metodi;

1988. gads - sākās liela mēroga iekārtu un diagnostikas komplektu ražošana PCR;

1997. gads — pirmais zīdītājs (aita Dollija) tika klonēts no diferencētas somatiskās šūnas.

Tādi izcili pašmāju zinātnieki kā L.S. Cenkovskis, S.N. Višeļesskis, M.V. Lihačovs, N.N. Ginzburga, S.G. Koļesovs, Ya.R. Koļakovs, R.V. Petrovs, V.V. Kafarovs un citi sniedza nenovērtējamu ieguldījumu biotehnoloģijas attīstībā.

Svarīgākie biotehnoloģijas sasniegumi 4. periodā:

1. Uz mērķtiecīgiem, fundamentāliem pētījumiem balstītu intensīvu (nevis ekstensīvu) procesu izstrāde (ar antibiotiku, fermentu, aminoskābju, vitamīnu ražotājiem).

2. Superproducentu iegūšana.

3. Dažādu produktu izveide, nepieciešams cilvēkam, pamatojoties uz gēnu inženierijas tehnoloģijām.

4. Neparastu organismu radīšana, kas iepriekš dabā nepastāvēja.

5. Biotehnoloģisko sistēmu speciālā aprīkojuma izstrāde un ieviešana.

6. Biotehnoloģisko ražošanas procesu automatizācija un datorizācija ar maksimālu izejvielu izmantošanu un minimālu enerģijas patēriņu.

Iepriekš minētie biotehnoloģijas sasniegumi šobrīd tiek īstenoti gadā tautsaimniecība un tiks ieviesti praksē nākamo 10–15 gadu laikā. Pārskatāmā nākotnē tiks noteikti jauni biotehnoloģijas stūrakmeņi, un mūs sagaida jauni atklājumi un sasniegumi.

1.3. Biosistēmas, objekti un metodes biotehnoloģijā

Viens no terminiem biotehnoloģijā ir jēdziens “biosistēma”. Bioloģiskās (dzīvās) sistēmas vispārīgās īpašības var samazināt līdz trim galvenajām tām raksturīgajām iezīmēm:

1. Dzīvās sistēmas ir neviendabīgas atvērtas sistēmas, kas apmainās ar vielām un enerģiju ar vidi.

2. Šīs sistēmas ir pašpārvaldes, pašregulējošas, interaktīvas, t.i. spēj apmainīties ar informāciju ar vidi, lai saglabātu savu struktūru un kontrolētu vielmaiņas procesus.

3. Dzīvās sistēmas pašvairojas (šūnas, organismi).

Atbilstoši to uzbūvei biosistēmas iedala elementos (apakšsistēmās), kas ir savstarpēji saistīti un ko raksturo sarežģīta organizācija (atomi, molekulas, organellas, šūnas, organismi, populācijas, kopienas).

Kontrole šūnā ir proteīnu-enzīmu molekulu sintēzes procesu kombinācija, kas nepieciešama noteiktas funkcijas īstenošanai, un nepārtraukti aktivitātes izmaiņu procesi, mijiedarbojoties ar tripleta DNS kodiem kodolā un makromolekulām ribosomās. Fermentatīvās aktivitātes stiprināšana un kavēšana notiek atkarībā no attiecīgo bioķīmisko reakciju sākotnējo un gala produktu daudzuma. Pateicoties šai sarežģītajai organizācijai, biosistēmas atšķiras no visiem nedzīviem objektiem.

Biosistēmas uzvedība ir tās reakciju kopums, reaģējot uz ārējām ietekmēm, t.i. Visizplatītākais dzīvo organismu kontroles sistēmu uzdevums ir saglabāt savu enerģētisko bāzi mainīgos vides apstākļos.

N.M. Amosovs sadala visas biosistēmas piecos sarežģītības hierarhiskos līmeņos: vienšūnu organismi, daudzšūnu organismi, populācijas, biogeocenoze un biosfēra.

Pie vienšūnu organismiem pieder vīrusi, baktērijas un vienšūņi. Vienšūnu organismu funkcijas ir vielas un enerģijas apmaiņa ar vidi, augšana un dalīšanās, reakcija uz ārējiem stimuliem vielmaiņas un kustību formas izmaiņu veidā. Visas vienšūnu organismu funkcijas tiek atbalstītas, izmantojot fermentatīva rakstura bioķīmiskos procesus un enerģijas metabolismu - no enerģijas iegūšanas metodes līdz jaunu struktūru sintēzei vai esošo sadalīšanai. Vienīgais vienšūnu organismu mehānisms, kas nodrošina to pielāgošanos videi, ir atsevišķu DNS gēnu izmaiņu mehānisms un līdz ar to fermentu proteīnu izmaiņas un bioķīmisko reakciju izmaiņas.

Sistemātiskas pieejas pamatā biosistēmu struktūras analīzei ir tās attēlojums divu komponentu veidā - enerģija un kontrole.

Attēlā 1. parāda vispārinātu shematisku diagrammu par enerģijas un informācijas plūsmām jebkurā biosistēmā. Galvenais elements ir enerģijas komponents, ko apzīmē ar MS (vielmaiņas sistēma), un kontroles komponents, kas apzīmēts ar P (ģenētiskā un fizioloģiskā kontrole) un pārraida vadības signālus uz efektoriem (E). Viena no vielmaiņas sistēmas galvenajām funkcijām ir nodrošināt biosistēmas ar enerģiju.

Rīsi. 1. Enerģijas un informācijas plūsmas biosistēmā.

Biosistēmu struktūru uztur ģenētiskie kontroles mehānismi. Saņemot enerģiju un informāciju no citām sistēmām vielmaiņas produktu (matabolītu) veidā, bet veidošanās periodā - hormonu veidā, ģenētiskā sistēma kontrolē nepieciešamo vielu sintēzes procesu un atbalsta citu ķermeņa sistēmu dzīvībai svarīgo darbību. , un procesi šajā sistēmā norit diezgan lēni.

Neskatoties uz biosistēmu daudzveidību, attiecības starp to bioloģiskajām īpašībām visiem organismiem joprojām ir nemainīgas. IN sarežģīta sistēma adaptācijas iespējas ir daudz lielākas nekā vienkāršās situācijās. Vienkāršā sistēmā šīs funkcijas nodrošina neliels skaits mehānismu, un tās ir jutīgākas pret ārējās vides izmaiņām.

Biosistēmām ir raksturīga kvalitatīva neviendabība, kas izpaužas tajā, ka vienas funkcionālās biosistēmas ietvaros kopā un harmoniski darbojas apakšsistēmas ar kvalitatīvi atšķirīgiem adekvātiem vadības signāliem (ķīmiskiem, fizikāliem, informatīviem).

Biosistēmu hierarhija izpaužas pakāpeniskā funkcijas sarežģīšanā vienā hierarhijas līmenī un pēkšņā pārejā uz kvalitatīvi atšķirīgu funkciju nākamajā hierarhijas līmenī, kā arī dažādu biosistēmu specifiskā konstruēšanā, to analīzē un kontrole tādā secībā, ka pamatā esošā hierarhijas līmeņa galīgā izvades funkcija tiek iekļauta kā augstākā līmeņa elements.

Pastāvīga pielāgošanās videi un evolūcija nav iespējama bez divu pretēju īpašību vienotības: strukturāli funkcionālās organizācijas un strukturāli funkcionālās varbūtības, stohastikas un mainīguma.

Strukturālā un funkcionālā organizācija izpaužas visos biosistēmu līmeņos, un to raksturo augsta bioloģiskās sugas un tās formas stabilitāte. Makromolekulu līmenī šo īpašību nodrošina makromolekulu replikācija, šūnu līmenī - dalīšanās, indivīda un populācijas līmenī - indivīdu vairošanās vairošanās ceļā.

Kā bioloģiskus objektus vai sistēmas, ko izmanto biotehnoloģija, vispirms ir jānosauc vienšūnas mikroorganismi, kā arī dzīvnieku un augu šūnas. Šo objektu izvēli nosaka šādi punkti:

1. Šūnas ir sava veida “biorūpnīcas”, kas savas dzīves laikā ražo dažādus vērtīgus produktus: olbaltumvielas, taukus, ogļhidrātus, vitamīnus, nukleīnskābes, aminoskābes, antibiotikas, hormonus, antivielas, antigēnus, fermentus, spirtus utt. cilvēka dzīvē ārkārtīgi nepieciešamie produkti, kas vēl nav pieejami ražošanai ar “nebiotehnoloģiskām” metodēm izejvielu trūkuma vai augsto izmaksu dēļ
vai tehnoloģisko procesu sarežģītība;

2. Šūnas vairojas ārkārtīgi ātri. Tādējādi baktēriju šūna dalās ik pēc 20 - 60 minūtēm, rauga šūna dalās ik pēc 1,5 - 2 stundām, dzīvnieka šūna dalās ik pēc 24 stundām, kas ļauj salīdzinoši īsā laikā mākslīgi palielināt milzīgus biomasas apjomus rūpnieciskā mērogā. uz salīdzinoši lētām un nedeficītām uzturvielu barotnēm mikrobu, dzīvnieku vai augu šūnām. Piemēram, bioreaktorā ar ietilpību 100 m 3 10" 6 - 10 18 mikrobu šūnas var izaudzēt 2 - 3 dienās. Šūnu dzīves laikā, tās audzējot, nonāk liels daudzums vērtīgu produktu. vide un pašas šūnas ir šo produktu noliktavas;

3. Sarežģītu vielu, piemēram, proteīnu, antibiotiku, antigēnu, antivielu u.c., biosintēze ir daudz ekonomiskāka un tehnoloģiski pieejamāka nekā ķīmiskā sintēze. Tajā pašā laikā sākotnējās biosintēzes izejvielas parasti ir vienkāršākas un pieejamākas nekā izejvielas citām vajadzībām.
sintēzes veidi. Biosintēzei tiek izmantoti lauksaimniecības, zivsaimniecības, pārtikas rūpniecības atkritumi, augu izejvielas (sūkalas, raugs, koks, melase u.c.).

4. Iespēja veikt biotehnoloģisko procesu rūpnieciskā mērogā, t.i. atbilstoša tehnoloģiskā aprīkojuma pieejamība, izejvielu pieejamība, apstrādes tehnoloģijas u.c.

Tādējādi daba pētniekiem ir devusi dzīvu sistēmu, kas satur un sintezē unikālas sastāvdaļas, un, pirmkārt, nukleīnskābes, ar kuru atklāšanu sāka strauji attīstīties biotehnoloģija un pasaules zinātne kopumā.

Biotehnoloģijas objekti ir vīrusi, baktērijas, sēnītes, vienšūņu organismi, augu, dzīvnieku un cilvēku šūnas (audi), bioloģiskas izcelsmes vielas (piemēram, fermenti, prostaglandīni, lektīni, nukleīnskābes), molekulas.

Šajā sakarā mēs varam teikt, ka biotehnoloģijas objekti attiecas vai nu uz mikroorganismiem, vai uz augu un dzīvnieku šūnām. Savukārt ķermeni var raksturot kā ekonomiskas, sarežģītas, kompaktas, mērķtiecīgas sintēzes sistēmu, kas stabili un aktīvi norisinās ar visu nepieciešamo parametru optimālu uzturēšanu.

Biotehnoloģijā izmantotās metodes tiek noteiktas divos līmeņos: šūnu un molekulārā. Abus nosaka biobjekti.

Pirmajā gadījumā tie nodarbojas ar baktēriju šūnām (vakcīnas preparātu iegūšanai), aktinomicītiem (antibiotiku iegūšanai), mikromicetiem (lai iegūtu citronskābe), dzīvnieku šūnas (pretvīrusu vakcīnu ražošanā), cilvēka šūnas (interferona ražošanā) utt.

Otrajā gadījumā viņi nodarbojas ar molekulām, piemēram, nukleīnskābēm. Tomēr pēdējā posmā molekulārais līmenis tiek pārveidots par šūnu līmeni. Dzīvnieku un augu šūnas, mikrobu šūnas dzīves aktivitātes (asimilācijas un disimilācijas) procesā veido jaunus produktus un izdala dažāda fizikālā un ķīmiskā sastāva un bioloģiskās iedarbības metabolītus.

Šūnai augot, tajā notiek milzīgs skaits enzīmu katalizētu reakciju, kā rezultātā veidojas starpproduktu savienojumi, kas savukārt pārvēršas šūnu struktūrās. Starpproduktu savienojumi, celtniecības bloki, ietver 20 aminoskābes, 4 ribonukleotīdus, 4 dezoksiribonukleotīdus, 10 vitamīnus, monosaharīdus, taukskābes un heksozamīnus. No šiem “ķieģeļiem” tiek uzbūvēti “bloki”: aptuveni 2000 proteīnu, DNS, trīs veidu RNS, polisaharīdi, lipīdi, fermenti. Iegūtie “bloki” tiek izmantoti šūnu struktūru veidošanai: kodols, ribosomas, membrāna, šūnu siena, mitohondriji, flagellas utt., kas veido šūnu.

Katrā šūnas “bioloģiskās sintēzes” posmā ir iespējams identificēt tos produktus, kurus var izmantot biotehnoloģijā.

Parasti vienšūnu produktus iedala 4 kategorijās:

a) pašas šūnas kā mērķa produkta avots. Piemēram, izaudzētas baktērijas vai vīrusus izmanto dzīvu vai nogalinātu korpuskulāru vakcīnu ražošanai; raugs kā barības olbaltumviela vai pamats barotņu hidrolizātu iegūšanai utt.;

b) lielas molekulas, kuras augšanas procesā sintezē šūnas: fermenti, toksīni, antigēni, antivielas, peptidoglikāni utt.;

c) primārie metabolīti - zemas molekulmasas vielas (mazāk par 1500 daltoniem), kas nepieciešamas šūnu augšanai, piemēram, aminoskābes, vitamīni, nukleotīdi, organiskās skābes;

d) sekundārie metabolīti (idiolīti) - mazmolekulāri savienojumi, kas nav nepieciešami šūnu augšanai: antibiotikas, alkaloīdi, toksīni, hormoni.

Visi biotehnoloģijā izmantotie mikroobjekti tiek klasificēti kā akarioti, pro- vai eikarioti. No eikariotu grupas, piemēram, tas darbojas kā bioloģiski objekti ar vienšūņu, aļģu un sēņu šūnām, no prokariotu grupas - ar zilaļģu un baktēriju šūnām un akariotiem - ar vīrusiem.

Bioloģiskie objekti no mikrokosmosa atšķiras pēc izmēra no nanometriem (vīrusi, bakteriofāgi) līdz milimetriem un centimetriem (milzu aļģes), un tos raksturo relatīvi ātrs temps pavairošana. Mūsdienu farmācijas rūpniecībā tiek izmantots gigantisks bioloģisko objektu klāsts, kuru grupēšana ir ļoti sarežģīta un vislabāk izdarāma, pamatojoties uz to proporcionalitātes principu.

Milzīgs bioobjektu kopums neizsmeļ visu elementāro bāzi, ar kuru darbojas biotehnoloģija. Jaunākie sasniegumi bioloģijā un gēnu inženierijā ir noveduši pie pilnīgi jaunu bioloģisku objektu - transgēnu (ģenētiski modificētu) baktēriju, vīrusu, sēņu, augu, dzīvnieku, cilvēka šūnu un himēru rašanās.

Lai gan visu lielvalstu locekļi satur ģenētisku materiālu, dažādiem akariotiem trūkst viena veida nukleīnskābes (RNS vai DNS). Tie nespēj funkcionēt (tostarp vairoties) ārpus dzīvas šūnas, un tāpēc ir likumīgi tos saukt par bez kodoliem. Vīrusu parazītisms attīstās ģenētiskā līmenī.

Mērķtiecīgi izpētot dažādas ekoloģiskās nišas, tiek identificētas jaunas ražojošo mikroorganismu grupas noderīgas vielas, ko var izmantot biotehnoloģijā. Biotehnoloģijā izmantoto mikroorganismu sugu skaits nepārtraukti pieaug.

Izvēloties bioloģisko objektu, visos gadījumos jāievēro izgatavojamības princips. Tātad, ja neskaitāmu audzēšanas ciklu laikā kāda bioloģiskā objekta īpašības netiek saglabātas vai būtiski mainās, tad šis bioloģiskais objekts uzskatāms par zemo tehnoloģiju, t.i. nepieņemami tehnoloģiju attīstībai pēc laboratorijas pētījumu posma.

Attīstoties biotehnoloģijai, liela nozīme kļūst specializētām bioloģisko objektu bankām, jo ​​īpaši mikroorganismu kolekcijām ar pētītām īpašībām, kā arī dzīvnieku un augu šūnu kriobankām, kuras jau šobrīd ar speciālām metodēm var veiksmīgi izmantot jaunu būvniecībā. biotehnoloģijai noderīgi organismi. Faktiski šādas specializētas labības bankas ir atbildīgas par ārkārtīgi vērtīga gēnu fonda saglabāšanu.

Kultūru kolekcijām ir liela nozīme jaunu kultūraugu tiesiskajā aizsardzībā un biotehnoloģisko procesu standartizācijā. Kolekcijās tiek veikta mikroorganismu saglabāšana, uzturēšana un nodrošināšana ar celmiem, plazmīdām, fāgiem, šūnu līnijām gan zinātniskiem, gan lietišķiem pētījumiem un atbilstošai ražošanai. Kultūru kolekcijas papildus savam galvenajam uzdevumam - nodrošināt celmu dzīvotspēju un ģenētisko īpašību saglabāšanu - veicina zinātnisko pētījumu attīstību (taksonomijas, citoloģijas, fizioloģijas jomā), kā arī kalpo izglītojošiem mērķiem. Tie veic neaizstājamu patentēto celmu depozitāriju funkciju. Saskaņā ar starptautiskajiem noteikumiem patentēt un deponēt var ne tikai efektīvus ražotājus, bet arī gēnu inženierijā izmantotās kultūras.

Zinātnieki lielu uzmanību pievērš mērķtiecīgai jaunu, dabā neesošu bioloģisku objektu radīšanai. Pirmkārt, jāatzīmē jaunu mikroorganismu, augu, dzīvnieku šūnu radīšana, izmantojot gēnu inženierijas metodes. Jaunu bioloģisko objektu radīšanu, protams, veicina izgudrojumu tiesiskās aizsardzības pilnveidošana gēnu inženierijas un biotehnoloģijas jomā kopumā. Ir izveidojies virziens, kas nodarbojas ar mākslīgo šūnu būvniecību. Šobrīd ir metodes, kas ļauj iegūt mākslīgās šūnas, izmantojot dažādus sintētiskus un bioloģiskus materiālus, piemēram, mākslīgo šūnu membrānu ar noteiktu caurlaidību un virsmas īpašībām. Šādās šūnās var atrasties daži materiāli: enzīmu sistēmas, šūnu ekstrakti, bioloģiskās šūnas, magnētiskie materiāli, izotopi, antivielas, antigēni, hormoni utt. Mākslīgo šūnu izmantošana ir devusi pozitīvus rezultātus interferonu un monoklonālo antivielu ražošanā. imūnsorbentu radīšana utt.

Tiek izstrādātas pieejas mākslīgo enzīmu un fermentu analogu radīšanai ar paaugstinātu stabilitāti un aktivitāti. Piemēram, tiek veikta vēlamās stereokonfigurācijas polipeptīdu sintēze un tiek meklētas virzītās mutaģenēzes metodes, lai enzīma molekulā vienu aminoskābi aizstātu ar citu. Tiek mēģināts izveidot neenzimātiskus katalītiskos modeļus.

Kā visdaudzsološākās ir jānorāda šādas bioloģisko objektu grupas:

Rekombinanti, t.i. gēnu inženierijas ceļā iegūti organismi;

Augu un dzīvnieku audu šūnas;

Termofīli mikroorganismi un fermenti;

Anaerobie organismi;

Sarežģītu substrātu pārveidošanas asociācijas;

Imobilizēti bioloģiskie objekti.

Bioloģiskā objekta (mikroorganisma vai audu šūnas) mākslīgas radīšanas process sastāv no tā ģenētiskās informācijas maiņas, lai novērstu nevēlamās un uzlabotu vēlamās īpašības vai piešķirtu tam pilnīgi jaunas īpašības. Mērķtiecīgākās izmaiņas var veikt ar rekombināciju – pārdalot gēnus vai gēnu daļas un apvienojot ģenētisko informāciju no diviem vai vairākiem organismiem vienā organismā. Jo īpaši rekombinanto organismu ražošanu var panākt ar protoplastu saplūšanu, dabisko plazmīdu pārnesi un gēnu inženierijas metodēm.

Šajā biotehnoloģijas attīstības stadijā netradicionālie bioloģiskie aģenti ietver augu un dzīvnieku audu šūnas, tostarp hibridomas un transplantātus. Zīdītāju šūnu kultūras jau ražo interferonu un vīrusu vakcīnas, tuvākajā nākotnē tiks realizēta liela mēroga monoklonālo antivielu, cilvēka šūnu virsmas antigēnu un angiogēno faktoru ražošana.

Attīstoties biotehnoloģijas metodēm, arvien lielāka uzmanība tiks pievērsta termofīlo mikroorganismu un to enzīmu izmantošanai.

Termofīlo mikroorganismu ražotajiem enzīmiem ir raksturīga termiskā stabilitāte un lielāka izturība pret denaturāciju, salīdzinot ar enzīmiem no mezofiliem. Biotehnoloģisko procesu veikšanai paaugstinātā temperatūrā, izmantojot termofīlo mikroorganismu fermentus, ir vairākas priekšrocības:

1) reakcijas ātrums palielinās;

2) palielinās reaģentu šķīdība un līdz ar to arī procesa produktivitāte;

3) tiek samazināta reakcijas vides mikrobu piesārņojuma iespēja.

Notiek atdzimšana biotehnoloģiskos procesos, kuros izmanto anaerobos mikroorganismus, kas bieži vien ir arī termofīli. Anaerobie procesi piesaista pētnieku uzmanību enerģijas trūkuma un biogāzes ražošanas iespēju dēļ. Tā kā anaerobajā audzēšanā nav nepieciešama vides aerācija un bioķīmiskie procesi ir mazāk intensīvi, siltuma noņemšanas sistēma ir vienkāršota, anaerobos procesus var uzskatīt par energotaupīgiem.

Anaerobos mikroorganismus veiksmīgi izmanto atkritumu (augu biomasas, pārtikas rūpniecības atkritumu, sadzīves atkritumu u.c.) un notekūdeņu (sadzīves un rūpniecības notekūdeņu, kūtsmēslu) pārstrādei biogāzē.

Pēdējos gados paplašinās mikroorganismu jaukto kultūru un to dabisko asociāciju izmantošana. Reālā bioloģiskajā situācijā dabā mikroorganismi eksistē dažādu populāciju kopienu veidā, kas ir cieši saistītas viena ar otru un veic vielu apriti dabā.

Galvenās jaukto kultūru priekšrocības salīdzinājumā ar monokultūrām ir šādas:

Spēja izmantot sarežģītus, neviendabīgus substrātus, kas bieži vien nav piemēroti monokultūrām;

Spēja mineralizēt sarežģītus organiskos savienojumus;

Paaugstināta organisko vielu biotransformācijas spēja;

Paaugstināta izturība pret toksiskas vielas, ieskaitot smagos metālus;

Paaugstināta izturība pret apkārtējās vides ietekmi;

Paaugstināta produktivitāte;

Iespējama ģenētiskās informācijas apmaiņa starp atsevišķām kopienas sugām.

Īpaša uzmanība jāpievērš tādai bioloģisko objektu grupai kā bioloģiskas izcelsmes enzīmi-katalizatori, kuru izpēti lietišķajā aspektā veic inženierenzimoloģija. Tās galvenais uzdevums ir tādu biotehnoloģisko procesu izstrāde, kuros izmanto enzīmu katalītisko darbību, kas parasti ir izolēti no bioloģiskām sistēmām vai atrodas šūnu iekšienē, kurām mākslīgi atņemta augšanas spēja. Pateicoties fermentiem, reakciju ātrums, salīdzinot ar reakcijām, kas notiek bez šo katalizatoru, palielinās par 10 b - 10 12 reizes.

Imobilizētie bioloģiskie objekti jāizceļ kā atsevišķa bioloģisko objektu radīšanas un izmantošanas nozare. Imobilizēts objekts ir harmoniska sistēma, kuras darbību kopumā nosaka pareiza trīs galveno komponentu izvēle: bioloģiskais objekts, nesējs un metode objekta saistīšanai ar nesēju.

Galvenokārt tiek izmantotas šādas bioloģisko objektu mobilizācijas metožu grupas:

Iekļaušana želejās, mikrokapsulās;

Adsorbcija uz nešķīstošiem nesējiem;

Kovalentā saistīšanās ar nesēju;

Šķērssaistīšana ar bifunkcionāliem reaģentiem, neizmantojot nesēju;

- "pašagregācija" neskartu šūnu gadījumā.

Galvenās imobilizēto bioloģisko objektu izmantošanas priekšrocības ir:

Augsta aktivitāte;

Spēja kontrolēt aģenta mikrovidi;

iespēja pilnībā un ātri atdalīt mērķa produktus;

Iespēja organizēt nepārtrauktus procesus ar atkārtotu objekta izmantošanu.

Kā izriet no iepriekš minētā, biotehnoloģiskos procesos ir iespējams izmantot vairākus bioloģiskus objektus, kam raksturīgi dažādi bioloģiskās regulēšanas sarežģītības līmeņi, piemēram, šūnu, subcelulāro, molekulāro. Pieeja visas biotehnoloģiskās sistēmas izveidošanai kopumā ir tieši atkarīga no konkrēta bioloģiskā objekta īpašībām.

Fundamentālo bioloģisko pētījumu rezultātā tiek padziļinātas un paplašinātas zināšanas par dabu un līdz ar to arī par konkrētas bioloģiskās sistēmas kā biotehnoloģiskā procesa aktīvā principa pielietošanas iespējām. Bioloģisko objektu komplekts tiek pastāvīgi atjaunināts.

1.4. Metožu attīstības galvenie virzienibiotehnoloģija veterinārmedicīnā

Pēdējo 40 - 50 gadu laikā lielākā daļa zinātņu ir attīstījušās lēcieniem un robežām, kas ir novedis pie pilnīgas revolūcijas veterināro un medicīnisko bioloģisko produktu ražošanā, transgēnu augu un dzīvnieku radīšanā ar noteiktām unikālām īpašībām. Šādi pētījumi ir prioritāra zinātnes un tehnoloģiju progresa joma 21. gadsimtā. ieņems vadošo vietu starp visām zinātnēm.

Pat vienkāršs bioloģisko produktu komerciālo formu uzskaitījums norāda uz biotehnoloģijas neierobežotajām iespējām. Tomēr šis svarīgais jautājums ir pelnījis sīkāku informāciju.

Mūsuprāt, biotehnoloģijas iespējas ir īpaši iespaidīgas trīs galvenajās jomās.

Pirmā ir liela mēroga mikrobu proteīna ražošana barības vajadzībām (sākotnēji pamatojoties uz koksnes hidrolizātiem un pēc tam uz naftas ogļūdeņražiem).

Svarīga loma ir neaizvietojamo aminoskābju ražošanai, kas nepieciešamas sabalansētam barības piedevu aminoskābju sastāvam.

Līdzās barības olbaltumvielām, aminoskābēm, vitamīniem un citām barības piedevām, kas paaugstina barības uzturvērtību, strauji paplašinās iespējas masveidā ražot un izmantot vīrusu un baktēriju preparātus putnu un lauksaimniecības dzīvnieku slimību profilaksei, efektīva cīņa ar lauksaimniecības augu kaitēkļiem. Mikrobioloģiskie preparāti, atšķirībā no daudziem ķīmiskajiem, ļoti specifiski iedarbojas uz kaitīgiem kukaiņiem un fitopatogēniem mikroorganismiem, tie ir nekaitīgi cilvēkiem un dzīvniekiem, putniem un labvēlīgajiem kukaiņiem. Līdz ar tiešu kaitēkļu iznīcināšanu ārstēšanas periodā tie iedarbojas uz pēcnācējiem, samazinot to auglību, un neizraisa rezistentu kaitīgo organismu formu veidošanos.

Biotehnoloģijas potenciāls fermentu preparātu ražošanā lauksaimniecības izejvielu pārstrādei un jaunas lopbarības radīšanai ir milzīgs.

Otrs virziens ir attīstība bioloģijas zinātnes, veselības aprūpes un veterinārmedicīnas attīstības interesēs. Pamatojoties uz gēnu inženierijas un molekulārās bioloģijas sasniegumiem, biotehnoloģijas var nodrošināt veselības aprūpi ar ļoti efektīvām vakcīnām un antibiotikām, monoklonālajām antivielām, interferonu, vitamīniem, aminoskābēm, kā arī fermentiem un citiem bioloģiskiem produktiem pētniecības un ārstniecības nolūkos. Dažas no šīm zālēm jau veiksmīgi tiek izmantotas ne tikai zinātniskos eksperimentos, bet arī praktiskajā medicīnā un veterinārmedicīnā.

Visbeidzot, trešais virziens ir attīstība rūpniecībā. Jau šobrīd biotehnoloģiskās ražošanas produktus patērē vai izmanto pārtikas un vieglā rūpniecība (fermenti), metalurģija (noteiktu vielu izmantošana flotācijas, precīzās liešanas, precīzās velmēšanas procesos), naftas un gāzes rūpniecībā (izmantošana). no vairākām zālēm sarežģīta apstrāde augu un mikrobu biomasa urbumu urbšanas laikā, selektīvā attīrīšana utt.), gumijas un krāsu un laku rūpniecība (sintētiskā kaučuka kvalitātes uzlabošana, izmantojot noteiktas proteīna piedevas), kā arī vairākas citas nozares.

Biotehnoloģijas jomās, kas aktīvi attīstās, ir bioelektronika un bioelektroķīmija, bionika un nanotehnoloģijas, kurās tiek izmantotas vai nu bioloģiskās sistēmas, vai šādu sistēmu darbības principi.

Zinātniskajos pētījumos plaši izmanto enzīmus saturošus sensorus. Pamatojoties uz tiem, ir izstrādātas vairākas ierīces, piemēram, lēti, precīzi un uzticami analīzes instrumenti. Parādās arī bioelektroniskie imūnsensori, un daži no tiem izmanto tranzistoru lauka efektu. Pamatojoties uz tiem, plānots izveidot salīdzinoši lētas ierīces, kas spēj noteikt un noteiktā līmenī uzturēt visdažādāko vielu koncentrāciju ķermeņa šķidrumos, kas varētu izraisīt revolūciju bioloģiskajā diagnostikā.

Veterinārās biotehnoloģijas sasniegumi. Krievijā biotehnoloģija kā zinātne sāka attīstīties 1896. gadā. Stimuls bija nepieciešamība radīt profilaktiskus un terapeitiskus līdzekļus pret tādām slimībām kā Sibīrijas mēris, govju mēris, trakumsērga, mutes un nagu sērga un trihineloze. 19. gadsimta beigās. Katru gadu no Sibīrijas mēra nomira vairāk nekā 50 tūkstoši dzīvnieku un 20 tūkstoši cilvēku. 1881. - 1906. gadam No mēra nomira 3,5 miljoni govju. Ievērojamus postījumus nodarīja lageris, kas nogalināja zirgus un cilvēkus.

Pašmāju veterinārijas zinātnes un prakses panākumi, veicot specifisku infekcijas slimību profilaksi, ir saistīti ar nozīmīgiem zinātniskiem atklājumiem, kas veikti 19. gadsimta beigās un 20. gadsimta sākumā. Tas attiecās uz karantīnas un īpaši bīstamu dzīvnieku slimību profilaktisko un diagnostisko zāļu izstrādi un ieviešanu veterinārajā praksē (vakcīnas pret Sibīrijas mēri, mēri, trakumsērgu, alergēniem tuberkulozes, ienkas u.c. diagnostikai). Ir zinātniski pierādīta iespēja sagatavot terapeitiskos un diagnostiskos hiperimūnos serumus.

Šis periods iezīmē faktisko neatkarīgas bioloģiskās nozares organizāciju Krievijā.

Kopš 1930. gada Krievijā sāka ievērojami paplašināties esošās veterinārās bakterioloģiskās laboratorijas un institūti, un uz to bāzes sākās lielu bioloģisko rūpnīcu un bioloģisko rūpnīcu celtniecība vakcīnu, serumu un diagnostikas nodrošināšanai veterināriem nolūkiem. Šajā periodā tiek izstrādāti tehnoloģiskie procesi, zinātniskā un tehnoloģiskā dokumentācija, kā arī vienotas metodes (standarti) zāļu ražošanai, kontrolei un lietošanai lopkopībā un veterinārmedicīnā.

Trīsdesmitajos gados V.N. Šapošņikova vadībā tika uzceltas pirmās rūpnīcas, kas ražoja lopbarības raugu no koksnes hidrolizātiem, lauksaimniecības atkritumiem un sulfītu šķidrumiem. Veiksmīgi ieviesta acetona un butanola mikrobioloģiskās ražošanas tehnoloģija (2. att.).

Viņa mācībai par fermentācijas divfāžu raksturu bija liela nozīme vietējās biotehnoloģijas pamatu izveidē. 1926. gadā PSRS tika pētīti mikroorganismu izraisītās ogļūdeņražu oksidēšanās bioenerģētiskie modeļi. Turpmākajos gados biotehnoloģiju attīstība mūsu valstī tika plaši izmantota, lai paplašinātu medicīnā un lopkopībā izmantojamo antibiotiku, fermentu, vitamīnu, augšanas vielu un pesticīdu “klāstu”.

Kopš Vissavienības proteīna vielu biosintēzes zinātniskās pētniecības institūta izveidošanas 1963. gadā mūsu valstī ir izveidota liela mēroga ražošana. bagāts ar olbaltumvielām mikroorganismu biomasa kā barība.

1966. gadā mikrobioloģisko nozari izdalīja atsevišķā nozarē un izveidoja PSRS Ministru padomes pakļautībā esošo Mikrobioloģiskās rūpniecības galveno direkciju - Glavmicrobioprom.

Kopš 1970. gada mūsu valstī tiek veikti intensīvi pētījumi par mikroorganismu kultūru selekciju nepārtrauktai audzēšanai rūpnieciskiem mērķiem.

Padomju pētnieki gēnu inženierijas metožu izstrādē iesaistījās 1972. gadā. Jāatzīmē veiksmīgā projekta “Revertase” realizācija PSRS - “reversās transkriptāzes” enzīma ražošana rūpnieciskā mērogā.

Olbaltumvielu struktūras izpētes metožu izstrāde, funkcionēšanas mehānismu noskaidrošana un enzīmu aktivitātes regulēšana pavēra ceļu mērķtiecīgai olbaltumvielu modifikācijai un noveda pie inženiertehniskās enzimoloģijas rašanās. Ļoti stabili imobilizēti enzīmi kļūst par spēcīgu instrumentu katalītisko reakciju veikšanai dažādās nozarēs.

Visi šie sasniegumi ir pacēluši biotehnoloģiju jaunā līmenī, kas kvalitatīvi atšķiras no iepriekšējās ar spēju apzināti kontrolēt šūnu biosintēzes procesus.

Bioloģisko zāļu rūpnieciskās ražošanas veidošanās gados mūsu valstī ir notikušas būtiskas kvalitatīvas izmaiņas to ražošanas biotehnoloģiskās metodēs:

Veikti pētījumi, lai iegūtu noturīgus, iedzimti fiksētus, avirulentus mikroorganismu celmus, no kuriem gatavo dzīvas vakcīnas;

Izstrādātas jaunas uzturvielu barotnes mikroorganismu kultivēšanai, arī tādas, kuru pamatā ir hidrolizāti un nepārtikas izejvielu ekstrakti;

Iegūtas augstas kvalitātes sūkalu barotnes leptospirām un citiem grūti kultivētiem mikroorganismiem;

Ir izstrādāta dziļā reaktora metode daudzu veidu baktēriju, sēnīšu un dažu vīrusu kultivēšanai;

Ir iegūti jauni pret daudziem vīrusiem jutīgi celmi un šūnu līnijas, kas ļāva sagatavot un ražot standarta un aktīvākas pretvīrusu vakcīnas;

Visi ražošanas procesi ir mehanizēti un automatizēti;

Izstrādātas un ražošanā ieviestas mūsdienīgas metodes mikrobu kultūru koncentrēšanai un liofilizēto bioloģisko produktu koncentrēšanai;

Samazinātas enerģijas izmaksas uz produkcijas vienību, standartizēta un uzlabota bioloģisko produktu kvalitāte;

Uzlabota bioloģisko produktu ražošanas kultūra.

Lielu uzmanību pievēršot veterināro bioloģisko produktu izstrādei profilaksei, infekcijas slimību diagnostikai un slimu dzīvnieku ārstēšanai, mūsu valsts nepārtraukti strādā pie industriālo tehnoloģiju pilnveidošanas un efektīvāku, lētāku un standarta medikamentu ražošanas apguves. Galvenās prasības ir:

Izmantojot globālo pieredzi;

Resursu taupīšana;

Ražošanas telpu saglabāšana;

Mūsdienīgu iekārtu un tehnoloģisko līniju iegāde un uzstādīšana;

Zinātnisko pētījumu veikšana par jaunu bioproduktu veidu izstrādi un atklāšanu, jaunas un lētas barības vielu barotnes sagatavošanas receptes;

Aktīvāku mikroorganismu celmu atrašana saistībā ar to antigēnajām, imunogēnajām un produktīvajām īpašībām.

Federālā valsts augstākās profesionālās izglītības iestāde "Maskava valsts akadēmija vārdā nosauktā veterinārmedicīna un biotehnoloģija. K.I. Skryabian"

Kopsavilkums par biotehnoloģiju

"Lekcija Nr.1"

Pabeidza darbu

FVM students

4 kursi, 11 grupas

Gordons Marija

Biotehnoloģija ir disciplīna, kas pēta, kā organismi tiek izmantoti tehnoloģisku problēmu risināšanai. Vienkārši sakot, tā ir zinātne, kas pēta dzīvos organismus, meklējot jaunus veidus, kā apmierināt cilvēku vajadzības. Piemēram, gēnu inženierija jeb klonēšana ir jaunas disciplīnas, kurās ar līdzvērtīgu aktivitāti tiek izmantoti gan organismi, gan jaunākās datortehnoloģijas.

Biotehnoloģija: īsumā

Ļoti bieži jēdziens “biotehnoloģija” tiek jaukts ar gēnu inženieriju, kas radusies 20.-21.gadsimtā, bet biotehnoloģija attiecas uz plašāku darba specifiku. Biotehnoloģija specializējas augu un dzīvnieku modificēšanā, izmantojot hibridizāciju un mākslīgo atlasi cilvēku vajadzībām.

Šī disciplīna ir devusi cilvēcei iespēju uzlabot pārtikas produktu kvalitāti, palielināt dzīves ilgumu un dzīvo organismu produktivitāti – tāda ir biotehnoloģija.

Līdz pagājušā gadsimta 70. gadiem šis termins tika lietots tikai pārtikas rūpniecībā un lauksaimniecībā. Tikai 1970. gados zinātnieki sāka lietot terminu "biotehnoloģija" laboratorijas pētījumos, piemēram, audzējot dzīvos organismus mēģenēs vai veidojot rekombinanto DNS. Šīs disciplīnas pamatā ir tādas zinātnes kā ģenētika, bioloģija, bioķīmija, embrioloģija, kā arī robotika, ķīmija un informācijas tehnoloģijas.

Pamatojoties uz jaunām zinātniskām un tehnoloģiskām pieejām, ir izstrādātas biotehnoloģijas metodes, kas sastāv no divām galvenajām pozīcijām:

• Bioloģisko objektu liela mēroga un dziļa kultivēšana periodiskā nepārtrauktā režīmā.
• Šūnu un audu audzēšana īpašos apstākļos.

Jaunas biotehnoloģijas metodes ļauj manipulēt ar gēniem, radīt jaunus organismus vai mainīt esošo dzīvo šūnu īpašības. Tas dod iespēju plašāk izmantot organismu potenciālu un atvieglo cilvēka saimniecisko darbību.

Biotehnoloģijas vēsture

Lai cik dīvaini tas neizklausītos, biotehnoloģijas pirmsākumi meklējami tālā pagātnē, kad cilvēki tikai sāka nodarboties ar vīna darīšanu, cepšanu un citām gatavošanas metodēm. Piemēram, biotehnoloģiskais fermentācijas process, kurā aktīvi piedalījās mikroorganismi, bija zināms jau senajā Babilonijā, kur to plaši izmantoja.

Biotehnoloģiju kā zinātni sāka uzskatīt tikai 20. gadsimta sākumā. Tās dibinātājs bija franču zinātnieks, mikrobiologs Luiss Pastērs, un pašu terminu pirmo reizi lietoja ungāru inženieris Karls Ereki (1917). 20. gadsimts iezīmējās ar strauju molekulārās bioloģijas un ģenētikas attīstību, kur aktīvi tika izmantoti ķīmijas un fizikas sasniegumi. Viens no galvenajiem pētījuma posmiem bija dzīvo šūnu kultivēšanas metožu izstrāde. Sākotnēji rūpnieciskiem nolūkiem tika audzētas tikai sēnītes un baktērijas, taču pēc vairākiem gadu desmitiem zinātnieki var izveidot jebkuras šūnas, pilnībā kontrolējot to attīstību.

20. gadsimta sākumā aktīvi attīstījās fermentācijas un mikrobioloģiskās nozares. Šajā laikā tika veikti pirmie mēģinājumi izveidot antibiotiku ražošanu. Tiek izstrādāti pirmie pārtikas koncentrāti, tiek kontrolēts fermentu līmenis dzīvnieku izcelsmes produktos un augu izcelsme. 1940. gadā zinātniekiem izdevās iegūt pirmo antibiotiku – penicilīnu. Tas kļuva par stimulu zāļu rūpnieciskās ražošanas attīstībai, izveidojās vesela farmācijas nozares nozare, kas ir viena no mūsdienu biotehnoloģijas šūnām.

Mūsdienās biotehnoloģijas tiek izmantotas pārtikas rūpniecībā, medicīnā, lauksaimniecībā un daudzās citās cilvēka darbības jomās. Attiecīgi daudzi jauni zinātniskie virzieni ar prefiksu "bio".

Bioinženierija

Uz jautājumu, kas ir biotehnoloģija, lielākā daļa iedzīvotāju bez šaubām atbildēs, ka tā nav nekas vairāk kā gēnu inženierija. Daļēji tā ir taisnība, taču inženierija ir tikai daļa no plašās biotehnoloģijas disciplīnas.

Bioinženierzinātne ir disciplīna, kuras pamatdarbība ir vērsta uz cilvēka veselības uzlabošanu, apvienojot zināšanas no inženierzinātņu, medicīnas, bioloģijas jomām un pielietojot tās praksē. Šīs disciplīnas pilns nosaukums ir biomedicīnas inženierija. Viņas galvenā specializācija ir risinājumi medicīniskās problēmas. Biotehnoloģiju izmantošana medicīnā ļauj modelēt, izstrādāt un pētīt jaunas vielas, izstrādāt farmaceitiskos produktus un pat glābt cilvēku no iedzimtām slimībām, kas tiek pārnestas caur DNS. Šīs jomas speciālisti var izveidot ierīces un aprīkojumu jaunu procedūru veikšanai. Pateicoties biotehnoloģiju izmantošanai medicīnā, ir izstrādātas mākslīgās locītavas, elektrokardiostimulatori, ādas protēzes, sirds-plaušu aparāti. Ar jaunu datortehnoloģiju palīdzību bioinženieri var radīt proteīnus ar jaunām īpašībām, izmantojot datorsimulācijas.

Biomedicīna un farmakoloģija

Biotehnoloģiju attīstība ir devusi iespēju paskatīties uz medicīnu no jauna. Izstrādājot teorētisko bāzi par cilvēka ķermeni, šīs jomas speciālistiem ir iespēja izmantot nanotehnoloģiju bioloģisko sistēmu maiņai. Biomedicīnas attīstība ir devusi impulsu nanomedicīnas rašanos, kuras galvenā darbība ir dzīvu sistēmu uzraudzība, korekcija un projektēšana molekulārā līmenī. Piemēram, mērķtiecīga medikamentu piegāde. Tas tā nav kurjera piegāde no aptiekas uz mājām un zāļu pārnešanu tieši uz slimo ķermeņa šūnu.

Attīstās arī biofarmakoloģija. Tajā tiek pētīta bioloģiskas vai biotehnoloģiskās izcelsmes vielu ietekme uz organismu. Pētījumi šajā zināšanu jomā ir vērsti uz biofarmaceitisko līdzekļu izpēti un to radīšanas metožu izstrādi. Biofarmakoloģijā zāles ko iegūst no dzīvām bioloģiskām sistēmām vai ķermeņa audiem.

Bioinformātika un bionika

Taču biotehnoloģija nav tikai dzīvo organismu audu un šūnu molekulu izpēte, tā ir arī datortehnoloģiju pielietošana. Tādējādi notiek bioinformātika. Tas ietver pieeju kopumu, piemēram:

• Genomiskā bioinformātika. Tas ir, datoru analīzes metodes, ko izmanto salīdzinošajā genomikā.
• Strukturālā bioinformātika. Datorprogrammu izstrāde, kas prognozē proteīnu telpisko struktūru.
• Aprēķins. Aprēķinu metodoloģiju izveide, kas var kontrolēt bioloģiskās sistēmas.

Šajā disciplīnā kopā ar bioloģiskajām metodēm tiek izmantotas matemātikas, statistiskās skaitļošanas un datorzinātņu metodes. Tāpat kā bioloģijā tiek izmantotas datorzinātņu un matemātikas tehnikas, tā arī eksaktās zinātnes mūsdienās viņi var izmantot doktrīnu par dzīvo organismu organizāciju. Tāpat kā bionikā. Šī ir lietišķā zinātne, kur tehniskās ierīces tiek pielietoti dzīvās dabas principi un struktūras. Var teikt, ka tā ir sava veida bioloģijas un tehnoloģiju simbioze. Disciplinārās pieejas bionikā tiek aplūkotas no jauns punkts redzējums gan par bioloģiju, gan tehnoloģijām. Bionika uzskatīta par līdzīgu un raksturīgās iezīmesšīs disciplīnas. Šai disciplīnai ir trīs apakštipi – bioloģiskais, teorētiskais un tehniskais. Bioloģiskā bionika pēta procesus, kas notiek bioloģiskajās sistēmās. Teorētiskās bionikas konstrukcijas matemātiskie modeļi biosistēmas Un tehniskā bionika izmanto teorētiskās bionikas attīstību dažādu problēmu risināšanai.

Kā redzams, biotehnoloģiju sasniegumi mūsdienu medicīnā un veselības aprūpē ir plaši izplatīti, taču tā ir tikai aisberga redzamā daļa. Kā jau minēts, biotehnoloģija sāka attīstīties no brīža, kad cilvēks sāka gatavot savu pārtiku, un pēc tam to plaši izmantoja lauksaimniecībā jaunu vaislas kultūru audzēšanai un jaunu mājdzīvnieku šķirņu audzēšanai.

Šūnu inženierija

Viena no svarīgākajām metodēm biotehnoloģijā ir gēnu un šūnu inženierija, kas koncentrējas uz jaunu šūnu radīšanu. Ar šo rīku palīdzību cilvēce ir spējusi radīt dzīvotspējīgas šūnas no pilnīgi dažādiem elementiem, kas pieder pie dažādām sugām. Tādējādi tiek radīts jauns gēnu kopums, kas dabā neeksistē. Gēnu inženierija ļauj cilvēkam iegūt vēlamās īpašības no modificētām augu vai dzīvnieku šūnām.

Īpaši tiek novērtēti gēnu inženierijas sasniegumi lauksaimniecībā. Tas ļauj audzēt augus (vai dzīvniekus) ar uzlabotām īpašībām, tā sauktās selektīvās sugas. Vaislas aktivitātes pamatā ir dzīvnieku vai augu selekcija ar izteiktām labvēlīgām iezīmēm. Pēc tam šie organismi tiek krustoti un iegūts hibrīds ar nepieciešamo derīgo īpašību kombināciju. Protams, vārdos viss izklausās vienkārši, taču iegūt vēlamo hibrīdu ir diezgan grūti. Patiesībā ir iespējams iegūt organismu tikai ar vienu vai dažiem labvēlīgiem gēniem. Tas ir, izejmateriālam ir pievienotas tikai dažas papildu īpašības, taču pat tas ļāva spert milzīgu soli lauksaimniecības attīstībā.

Selekcija un biotehnoloģija ir ļāvusi lauksaimniekiem palielināt ražu, padarīt augļus lielākus, garšīgākus un, pats galvenais, izturīgus pret salu. Atlase neapiet lopkopības nozari. Katru gadu parādās jaunas mājdzīvnieku šķirnes, kas var nodrošināt vairāk mājlopu un pārtikas.

Sasniegumi

Vaislas augu veidošanā zinātnieki izšķir trīs viļņus:

1. 80. gadu beigas. Toreiz zinātnieki pirmo reizi sāka audzēt augus, kas bija izturīgi pret vīrusiem. Lai to izdarītu, viņi paņēma vienu gēnu no sugām, kas varēja pretoties slimībām, "transplantēja" to citu augu DNS struktūrā un lika tam "darboties".
2. 2000. gadu sākums.Šajā periodā sāka veidot augus ar jaunām patēriņa īpašībām. Piemēram, ar augstu eļļu, vitamīnu u.c.
3. Mūsu dienas. Nākamo 10 gadu laikā zinātnieki plāno laist tirgū vakcīnu ražotnes, zāļu ražotnes un bioreģenerācijas rūpnīcas, kas ražos komponentus plastmasām, krāsvielām utt.

Pat lopkopībā biotehnoloģijas solījums ir aizraujošs. Jau sen ir radīti dzīvnieki, kuriem ir transgēns gēns, tas ir, tiem ir sava veida funkcionāls hormons, piemēram, augšanas hormons. Bet tie bija tikai sākotnējie eksperimenti. Pētījumu rezultātā ir iegūtas transgēnas kazas, kas spēj ražot proteīnu, kas aptur asiņošanu pacientiem, kuri cieš no sliktas asins recēšanas.

Pagājušā gadsimta 90. gadu beigās amerikāņu zinātnieki sāka cieši strādāt pie dzīvnieku embriju šūnu klonēšanas. Tas dotu iespēju audzēt lopus mēģenēs, taču pagaidām šī metode vēl ir jāuzlabo. Bet ksenotransplantācijā (orgānu pārstādīšana no vienas sugas uz otru) zinātnieki lietišķās biotehnoloģijas jomā ir panākuši ievērojamu progresu. Piemēram, cūkas ar cilvēka genomu var izmantot kā donorus, tad ir minimāls atgrūšanas risks.

Pārtikas biotehnoloģija

Kā jau minēts, biotehnoloģiskās izpētes metodes sākotnēji tika izmantotas pārtikas ražošanā. Jogurti, saldskābi, alus, vīns, maizes izstrādājumi– Tie ir produkti, kas iegūti, izmantojot pārtikas biotehnoloģiju. Šis pētījumu segments ietver procesus, kuru mērķis ir mainīt, uzlabot vai radīt specifiskas dzīvo organismu, jo īpaši baktēriju, īpašības. Speciālisti šajā zināšanu jomā izstrādā jaunus paņēmienus dažādu pārtikas produktu ražošanai. Viņi meklē un pilnveido to sagatavošanas mehānismus un metodes.

Ēdienam, ko cilvēks ēd katru dienu, jābūt bagātam ar vitamīniem, minerālvielām un aminoskābēm. Taču no šodienas, pēc ANO domām, pastāv problēma nodrošināt cilvēkus ar pārtiku. Gandrīz pusei iedzīvotāju nav pietiekami daudz pārtikas, 500 miljoni ir izsalkuši, un ceturtā daļa pasaules iedzīvotāju ēd nepietiekami kvalitatīvu pārtiku.

Šobrīd uz planētas ir 7,5 miljardi cilvēku, un, ja netiks veikti pasākumi pārtikas kvalitātes un kvantitātes uzlabošanai, ja tas netiks darīts, cilvēki jaunattīstības valstīs cietīs postošas ​​sekas. Un, ja ir iespējams aizstāt lipīdus, minerālvielas, vitamīnus, antioksidantus ar pārtikas biotehnoloģijas produktiem, tad proteīnu aizstāt ir gandrīz neiespējami. Vairāk nekā 14 miljoni tonnu olbaltumvielu katru gadu nav pietiekami, lai apmierinātu cilvēces vajadzības. Bet šeit palīgā nāk biotehnoloģija. Mūsdienu olbaltumvielu ražošanas pamatā ir proteīna šķiedru mākslīga veidošanās. Tie ir piesūcināti ar nepieciešamajām vielām, dota forma, atbilstoša krāsa un smarža. Šī pieeja ļauj aizstāt gandrīz jebkuru olbaltumvielu. Un garša un izskats neatšķiras no dabīgā produkta.

Klonēšana

Svarīga mūsdienu biotehnoloģijas zināšanu joma ir klonēšana. Jau vairākus gadu desmitus zinātnieki ir mēģinājuši radīt identiskus pēcnācējus, neizmantojot seksuālo reprodukciju. Klonēšanas procesa rezultātā ir jārada organisms, kas ir līdzīgs vecākam ne tikai pēc izskata, bet arī pēc ģenētiskās informācijas.

Dabā klonēšanas process ir izplatīts dažiem dzīviem organismiem. Ja cilvēkam piedzimst identiski dvīņi, tad tos var uzskatīt par dabīgiem kloniem.

Pirmo reizi klonēšana tika veikta 1997. gadā, kad tika mākslīgi izveidota aita Dollija. Un jau divdesmitā gadsimta beigās zinātnieki sāka runāt par cilvēka klonēšanas iespēju. Turklāt tika izpētīta daļējas klonēšanas koncepcija. Tas ir, ir iespējams atjaunot nevis visu organismu, bet gan atsevišķas tā daļas vai audus. Ja uzlabosit šo metodi, jūs varat iegūt "ideālu donoru". Turklāt klonēšana palīdzēs saglabāt retas dzīvnieku sugas vai atjaunot izmirušās populācijas.

Morālais aspekts

Lai gan biotehnoloģijas pamatiem var būt izšķiroša ietekme uz visas cilvēces attīstību, sabiedrība šo zinātnisko pieeju uztver slikti. Lielākā daļa mūsdienu reliģisko līderu (un daži zinātnieki) cenšas brīdināt biotehnologus, lai tie pārāk neaizrautos ar saviem pētījumiem. Tas ir īpaši aktuāli, ja runa ir par gēnu inženierijas, klonēšanas un mākslīgās reprodukcijas jautājumiem.

No vienas puses, šķiet, ka biotehnoloģija ir spoža zvaigzne, sapnis un cerība, kas kļūs par realitāti jaunajā pasaulē. Nākotnē šī zinātne dos cilvēcei daudz jaunu iespēju. Būs iespējams pārvarēt letālas slimības, tiks novērstas fiziskās problēmas, un cilvēks agrāk vai vēlāk varēs sasniegt zemes nemirstību. Lai gan, no otras puses, genofondu var ietekmēt pastāvīgs ģenētiski modificētu produktu patēriņš vai mākslīgi radītu cilvēku parādīšanās. Būs maiņas problēma sociālās struktūras, un visticamāk, ka mums nāksies saskarties ar medicīniskā fašisma traģēdiju.

Tāda ir biotehnoloģija. Zinātne, kas var sniegt cilvēcei izcilas perspektīvas, radot, mainot vai uzlabojot šūnas, dzīvos organismus un sistēmas. Viņa varēs dot cilvēkam jaunu ķermeni, un sapnis par mūžīgo dzīvi kļūs par realitāti. Bet par to jums būs jāmaksā ievērojama cena.

Lai gan pašlaik biotehnoloģiju produktu tirgū dominē zāles un produkti, kas iegūti no rūpnieciskiem (“baltajiem”) biotehnoloģijas procesiem, iespaidīgākie panākumi un sasniegumi šajā jomā ir saistīti ar šūnu un gēnu inženierijas izmantošanu.

Genomika ir biotehnoloģijas nozare, kas nodarbojas ar genomu izpēti un lomu, ko dažādi gēni spēlē gan individuāli, gan kolektīvi, nosakot struktūru, virzot izaugsmi un attīstību un regulējot bioloģiskās funkcijas. Ir strukturālā un funkcionālā genomika.

Strukturālās genomikas priekšmets ir dažāda veida genoma karšu izveide un salīdzināšana un liela mēroga DNS sekvencēšana. Cilvēka genoma projekts un mazāk zināmā augu genoma pētniecības programma ir lielākie strukturālās genomikas pētījumi. Strukturālā genomika ietver arī gēnu identificēšanu, lokalizāciju un raksturojumu.

Privātu un publisku strukturālās genomikas projektu rezultātā ir izveidotas genoma kartes un atšifrētas DNS sekvences. liels daudzums organismi, tostarp labības augi, slimības izraisošas baktērijas un vīrusi, rauga sēnītes, kas nepieciešamas dažos pārtikas produktos un alus ražošanā, slāpekli fiksējošās baktērijas, Plasmodium falciparum un odi, kas to pārnēsā, kā arī mikroorganismi, ko cilvēki izmanto visdažādākajos rūpnieciskos procesos. 2003. gadā tika pabeigts Cilvēka genoma projekts.

Funkcionālās genomikas priekšmets un joma ir genoma sekvencēšana, gēnu identificēšana un kartēšana, gēnu funkciju un regulēšanas mehānismu identificēšana. Lai izprastu atšķirības starp sugām, galvenā loma ir nevis zināšanām par gēnu skaitu, bet gan izpratnei par to, kā tie atšķiras pēc sastāva un funkcijas, zināšanas par gēnu ķīmiskajām un strukturālajām atšķirībām, kas ir organismu atšķirību pamatā. Evolūcijas analīze pakāpeniski kļūst par galveno metodi, lai noskaidrotu gēnu funkcijas un mijiedarbību genomā.

Sakarā ar to, ka ģenētiskais kods ir universāls un visi dzīvie organismi spēj atšifrēt citu organismu ģenētisko informāciju un veikt tai piemītošās bioloģiskās funkcijas, jebkurš konkrēta genoma projekta gaitā identificēts gēns var tikt izmantots. plašs diapazons praktiskie pielietojumi:
- par mērķtiecīgu augu īpašību mainīšanu un vēlamo īpašību piešķiršanu;
- specifisku rekombinanto molekulu vai mikroorganismu izolēšana;
- gēnu identificēšana, kas iesaistīti sarežģītos procesos, kurus kontrolē daudzi gēni, kā arī ir atkarīgi no vides ietekmes;
- šūnu kultūru mikrobu piesārņojuma noteikšana u.c.

Proteomika ir zinātne, kas pēta proteīnu struktūru, funkcijas, lokalizāciju un mijiedarbību šūnās un starp tām. Olbaltumvielu kolekciju šūnā sauc par tās proteomu. Salīdzinot ar genomiku, proteomika pētniekiem rada daudz vairāk un grūtāku izaicinājumu. Olbaltumvielu molekulu struktūra ir daudz sarežģītāka nekā DNS molekulu struktūra, kas ir lineāras molekulas, kas sastāv no četriem neregulāri atkārtojošiem elementiem (nukleotīdiem).

Olbaltumvielu molekulas forma ir atkarīga no aminoskābju secības, taču visi aminoskābju ķēdes savīšanas un locīšanas mehānismi nav pilnībā izprotami. Cilvēka genoma projektā strādājošo pētnieku uzdevums bija izstrādāt metodes, kas sasniegtu izvirzītos mērķus.

Proteomikā iesaistītie zinātnieki tagad atrodas līdzīgā situācijā: viņiem ir jāizstrādā pietiekams skaits metožu un paņēmienu, kas varētu nodrošināt efektīvu darbu pie ļoti daudziem jautājumiem:
- visu sintezēto olbaltumvielu kataloģizēšana dažādi veidišūnas;
- vecuma, vides apstākļu un slimību ietekmes uz šūnas sintezētajiem proteīniem rakstura noskaidrošana;
- identificēto proteīnu funkciju noskaidrošana;
- dažādu proteīnu mijiedarbības izpēte ar citiem proteīniem šūnas iekšienē un ārpusšūnu telpā.

Olbaltumvielu inženierijas potenciāls ļauj uzlabot biotehnoloģijā izmantoto proteīnu īpašības (enzīmus, antivielas, šūnu receptorus) un radīt principiāli jaunas olbaltumvielas, kas piemērotas kā zāles pārtikas produktu pārstrādei un uzturvērtības un garšas īpašību uzlabošanai. Nozīmīgākie sasniegumi olbaltumvielu inženierijā ir biokatalīzē. Ir izstrādāti jauni katalizatoru veidi, tostarp tie, kuros izmanto enzīmu imobilizācijas paņēmienus, kas spēj darboties neūdens vidē ar ievērojamām pH un temperatūras izmaiņām, kā arī tādi, kas šķīst ūdenī un katalizē bioloģiskās reakcijas pie neitrāla pH un salīdzinoši zemās temperatūrās.

Olbaltumvielu inženierijas tehnoloģijas ļauj iegūt jaunus proteīnu veidus biomedicīnas vajadzībām, piemēram, tādus, kas spēj saistīties ar vīrusiem un mutantiem onkogēniem un tos neitralizēt; radīt ļoti efektīvas vakcīnas un šūnu virsmas receptoru proteīnus, kas kalpo par farmaceitisko līdzekļu mērķi, kā arī vielu saistvielas un bioloģiskos aģentus, ko var izmantot ķīmiskiem un bioloģiskiem uzbrukumiem. Tādējādi hidrolāzes enzīmi spēj neitralizēt gan nervu gāzes, gan lauksaimniecībā izmantojamos pesticīdus, un to ražošana, uzglabāšana un lietošana nav bīstama videi un cilvēku veselībai.

Jaunākās biotehnoloģiskās metodes ļauj ātri un ar augstu precizitāti diagnosticēt daudzas slimības un patoloģiskus stāvokļus. Tātad, lai veiktu standarta testu zema blīvuma lipoproteīnu (“sliktā” holesterīna) klātbūtnes noteikšanai asinīs, ir nepieciešami trīs atsevišķi dārgi testi: kopējā holesterīna, triglicerīdu un augsta blīvuma lipoproteīnu satura noteikšana. Turklāt pacientam ieteicams atturēties no ēšanas 12 stundas pirms testa.

Jaunā biotehnoloģiskā pārbaude sastāv no viena posma un neprasa iepriekšēju badošanos. Šie testi papildus tam, ka tie ir ātri, ievērojami samazina diagnostikas izmaksas. Līdz šim ir izstrādāti un izmantoti biotehnoloģiskās pārbaudes noteiktu veidu audzēju procesu diagnosticēšanai, kuriem nepieciešams neliels daudzums asinis, kas izslēdz kopējo biopsiju diagnozes sākumposmā.

Papildus izmaksu samazināšanai un diagnostikas precizitātes un ātruma palielināšanai biotehnoloģija ļauj diagnosticēt slimības daudz agrākās stadijās, nekā tas bija iespējams. Tas savukārt nodrošina pacientiem daudz lielākas izārstēšanas iespējas. Jaunākās proteomikas biotehnoloģiskās metodes ļauj identificēt molekulāros marķierus, kas signalizē par slimības tuvošanos, pat pirms reģistrēto šūnu izmaiņu un slimības simptomu parādīšanās.

Milzīgajam informācijas apjomam, kas pieejams Cilvēka genoma projekta veiksmīgas pabeigšanas rezultātā, vajadzētu būt īpašai lomai tādu iedzimtu slimību diagnostikas metožu izstrādē kā 1. tipa cukura diabēts, cistiskā fibroze, Alcheimera un Parkinsona slimības. Iepriekš šīs klases slimības tika diagnosticētas tikai pēc klīnisko simptomu parādīšanās; jaunākās metodes pirms klīnisko pazīmju parādīšanās ļauj noteikt riska grupas, kurām ir nosliece uz šāda veida slimībām.

Diagnostikas testi, kas izstrādāti, izmantojot biotehnoloģiju, ne tikai uzlabo slimību diagnostiku, bet arī uzlabo veselības aprūpes kvalitāti. Lielākā daļa biotehnoloģiju testu ir pārnēsājami, ļaujot ārstiem veikt testēšanu, interpretēt rezultātus un izrakstīt atbilstošu ārstēšanu pie pacienta gultas. Biotehnoloģiskās metodes patogēnu identificēšanai ir svarīgas ne tikai slimību diagnosticēšanai.

Viens no visvairāk ilustratīvi piemēri to izmantošana - donoru asiņu skrīnings uz HIV infekcijas un B un C hepatīta vīrusu klātbūtni Iespējams, ar laiku ārsti varēs noteikt infekcijas izraisītāja raksturu un katrā konkrētā gadījumā izvēlēties efektīvāko antibakteriālo līdzekli. zāles ne nedēļas laikā, kā tas tiek darīts ar mūsdienu metodēm, un dažu stundu laikā.

Biotehnoloģisko pieeju ieviešana laika gaitā ļaus ārstiem ne tikai uzlabot esošās terapijas metodes, bet arī izstrādāt principiāli jaunas, pilnībā balstītas uz jaunām tehnoloģijām. Līdz šim vairākas biotehnoloģiskās ārstēšanas metodes ir apstiprinājusi ASV Pārtikas un zāļu pārvalde (FDA). Slimību sarakstā, uz kurām attiecas šādas terapijas metodes, ietilpst: anēmija, cistiskā fibroze, augšanas aizkavēšanās, reimatoīdais artrīts, hemofilija, hepatīts, dzimumorgānu kondilomas, transplantāta atgrūšana, kā arī leikēmija un vairākas citas ļaundabīgas slimības.

Biotehnoloģisko metožu izmantošana ļauj izveidot tā sauktās “ēdamās vakcīnas”, ko sintezē ģenētiski modificētie augi un dzīvnieki. Tādējādi ir radītas ģenētiski modificētas kazas, kuru pienā ir vakcīna pret malāriju. Iepriecinoši rezultāti iegūti klīniskajos pētījumos ar banāniem, kas satur vakcīnu pret hepatītu, un kartupeļiem, kas satur vakcīnas pret holēru un patogēniem E. coli celmiem. Šādas vakcīnas (piemēram, liofilizēta pulvera veidā dzērienu pagatavošanai), kurām nav nepieciešama atdzesēšana, iekārtu sterilizācija vai vienreizējās lietošanas šļirču iegāde, ir īpaši perspektīvas izmantošanai jaunattīstības valstīs.

Tiek izstrādātas arī plākstera vakcīnas pret stingumkrampjiem, Sibīrijas mēri, gripu un E. coli. Jau ir iegūti transgēni augi, kas sintezē ārstnieciskās olbaltumvielas (antivielas, antigēnus, augšanas faktorus, hormonus, fermentus, asins proteīnus un kolagēnu). Šīs olbaltumvielas, ko ražo no dažādiem augiem, tostarp lucernas, kukurūzas, pīles, kartupeļiem, rīsiem, saulespuķēm, sojas pupiņām un tabakas, ir galvenās sastāvdaļas novatoriskām terapijām vairāku vēža, AIDS, sirds un nieru slimību, diabēta, Alcheimera slimības ārstēšanai. , Krona slimība, cistiskā fibroze, multiplā skleroze, muguras smadzeņu bojājumi, C hepatīts, hroniska obstruktīva plaušu slimība, aptaukošanās, vēzis u.c.

Šūnu tehnoloģijas arvien vairāk plašs pielietojums derīgo augu selekcijai, pavairošanai un produktivitātes paaugstināšanai, kā arī bioloģiski aktīvo vielu un medikamentu iegūšanai.

N.A. Voinovs, T.G. Volova