Forelesning om bioteknologi nr. 1

Introduksjon til bioteknologi. Miljø-, landbruks-, industriell bioteknologi.

Bioteknologisk produksjon av proteiner, enzymer, antibiotika, vitaminer, interferon.

Spørsmål nr. 1

Siden antikken har mennesker brukt bioteknologi i vinproduksjon, brygging eller baking. Men prosessene som ligger til grunn for disse næringene forble mystiske i lang tid. Naturen deres ble tydelig først i sent XIX- begynnelsen av det tjuende århundre, da metoder for dyrking av mikroorganismer og pasteurisering ble utviklet, og rene linjer av bakterier og enzymer ble isolert. For å betegne de ulike teknologiene som er nærmest knyttet til biologi, ble det tidligere brukt navn som "anvendt mikrobiologi", "anvendt biokjemi", "enzymteknologi", "bioengineering", "anvendt genetikk", "anvendt biologi". Dette førte til fremveksten av en ny industri - bioteknologi.

Den franske kjemikeren Louis Pasteur beviste i 1867 at gjæring er et resultat av aktiviteten til mikroorganismer. Den tyske biokjemikeren Eduard Buchner klargjorde at det også er forårsaket av et cellefritt ekstrakt som inneholder enzymer som katalyserer kjemiske reaksjoner. Bruken av rene enzymer for bearbeiding av råvarer ga drivkraft til utviklingen av zymologi. For eksempel er alfa-amylase nødvendig for å bryte ned stivelse.

Laget samtidig viktige funn innen fremvoksende genetikk, uten hvilken moderne bioteknologi ville vært utenkelig. I 1865 introduserte den østerrikske munken Gregor Mendel Brunn Society of Naturalists for sine "Eksperimenter på plantehybrider", der han beskrev arveloven. I 1902 foreslo biologene Walter Sutton og Theodore Boveri at overføring av arv er assosiert med materielle bærere - kromosomer. Allerede da var det kjent at en levende organisme består av celler. Den tyske patologen Rudolf Virchow kompletterer celleteorien med prinsippet «hver celle er fra en celle». Og eksperimentene til botaniker Gottlieb Haberlandt viste at en celle kan eksistere i et kunstig miljø og atskilt fra kroppen. Sistnevntes eksperimenter førte til oppdagelsen av rollen til vitaminer, mineraltilskudd og hormoner.

Så var det et ord

Fødselsåret for begrepet "bioteknologi" regnes for å være 1919, da manifestet "Bioteknologi for bearbeiding av kjøtt, fett og melk på store landbruksgårder" ble publisert. Forfatteren er den ungarske landbruksøkonomen, daværende matminister Karl Ereky. Manifestet beskrev bearbeiding av landbruksråvarer til andre matprodukter ved bruk av biologiske organismer. Ereki spådde en ny æra i menneskets historie, og sammenlignet oppdagelsen av denne metoden med de største teknologiske revolusjonene fra fortiden: fremveksten av den produktive økonomien i den neolitiske epoken og metallurgien i bronsealderen. Men fram til slutten av 1920-tallet betydde bioteknologi ganske enkelt bruk av mikroorganismer til gjæring. På 1930-tallet utviklet medisinsk bioteknologi seg. Oppdaget i 1928 av Alexander Fleming, begynte penicillin, produsert fra soppen Penicillium notatum, å bli produsert på 1940-tallet. industriell skala. Og på slutten av 1960-tallet og begynnelsen av 1970-tallet ble det forsøkt å kombinere næringsmiddelindustrien med oljeraffineringsindustrien. British Petroleum har utviklet en teknologi for bakteriell syntese av fôrprotein fra oljeindustriavfall.

I 1953 ble det gjort en oppdagelse som senere forårsaket en revolusjon innen bioteknologi: James Watson og Francis Crick dechiffrerte strukturen til DNA. Og på 1970-tallet ble manipulasjon av arvelig materiale lagt til bioteknologiske teknikker. På bokstavelig talt to tiår ble alle nødvendige verktøy for dette oppdaget: revers transkriptase ble isolert - et enzym som lar deg "omskrive" den genetiske koden fra RNA tilbake til DNA, enzymer ble oppdaget for å kutte DNA, så vel som en polymerasekjede reaksjon for gjentatt reproduksjon av individuelle DNA-fragmenter.

I 1973 ble den første genetisk rekombinante organismen opprettet: et genetisk element fra en frosk ble overført til en bakterie. Tiden med genteknologi begynte, som nesten umiddelbart tok slutt: i 1975 i byen Asilomar (USA), på den internasjonale kongressen dedikert til studiet av rekombinante DNA-molekyler, ble bekymringer for bruken av nye teknologier først uttrykt.

«Det var ikke politikere, religiøse grupperinger eller journalister som slo alarm, slik man kunne forvente. Det var forskerne selv,» minnes Paul Berg, en av arrangørene av konferansen og en pioner i å lage rekombinante DNA-molekyler. "Mange forskere fryktet at offentlig debatt ville føre til unødige restriksjoner på molekylærbiologi, men de oppmuntret til ansvarlig debatt som førte til konsensus." Kongressdeltakere ba om et moratorium for en rekke potensielt farlige studier.

I mellomtiden har syntetisk biologi utviklet seg fra bioteknologi og genteknologi, som omhandler design av nye biologiske komponenter og systemer og redesign av eksisterende. Det første tegnet på syntetisk biologi var den kunstige syntesen av transfer-RNA i 1970, og i dag er det allerede mulig å syntetisere hele genomer fra elementære strukturer. I 1978 konstruerte Genentech i laboratoriet E. coli-bakterien som syntetiserer humant insulin. Fra dette øyeblikket kom genetisk rekombinasjon endelig inn i arsenalet til bioteknologi og regnes som nesten synonymt med det. Samtidig ble den første overføringen av nye gener til genomene til dyre- og planteceller gjennomført. Nobelprisvinneren Walter Gilbert i 1980 uttalte: "Vi kan skaffe til medisinske formål eller for kommersiell bruk praktisk talt ethvert menneskelig protein som er i stand til å påvirke viktige funksjoner i menneskekroppen."

I 1985 fant de første feltforsøkene med transgene planter som var resistente mot ugressmidler, insekter, virus og bakterier sted. Plantepatenter vises. Molekylærgenetikk begynner å blomstre, og analytiske metoder som sekvensering, det vil si å bestemme primærsekvensen til proteiner og nukleinsyrer, utvikler seg raskt.

I 1995 ble den første transgene planten (Flavr Savr-tomaten) sluppet ut på markedet, og innen 2010 ble transgene avlinger dyrket i 29 land på 148 millioner hektar (10 % av total dyrket mark). I 1996 ble det første klonede dyret født - sauen Dolly. I 2010 hadde mer enn 20 dyrearter blitt klonet: katter, hunder, ulver, hester, griser, mufloner.

Områder av bioteknologi og produkter oppnådd med dens hjelp

Teknologi og bioteknologi

Teknologi- dette er metoder og teknikker som brukes for å få et bestemt produkt fra kildematerialet (råvarene). Svært ofte, for å oppnå ett produkt, kreves det ikke én, men flere kilder til råvarer, ikke én metode eller teknikk, men en sekvens av flere. Alle forskjellige teknologier kan deles inn i tre hovedklasser:

Fysiske og mekaniske teknologier;

Kjemisk teknologi;

Bioteknologi.

I fysiske og mekaniske teknologier kildematerialet (råvarene) i prosessen med å skaffe produktet endrer form eller aggregeringstilstand uten å endre kjemisk sammensetning(for eksempel treforedlingsteknologi for produksjon av tremøbler, ulike metoder for produksjon av metallprodukter: spiker, maskindeler, etc.).

I kjemiske teknologier i prosessen med å skaffe et produkt, gjennomgår råvarer endringer i kjemisk sammensetning (for eksempel produksjon av polyetylen fra naturgass, alkohol fra naturgass eller tre, syntetisk gummi fra naturgass).

Bioteknologi som vitenskap kan betraktes i to tidsmessige og essensielle dimensjoner: moderne og tradisjonell, klassisk.

Den nyeste bioteknologien (bioengineering) er vitenskapen om genteknologi og cellulære metoder og teknologier for skapelse og bruk av genetisk transformerte (modifiserte) planter, dyr og mikroorganismer for å intensivere produksjonen og skaffe nye typer produkter til ulike formål.

I tradisjonell, klassisk På en måte kan bioteknologi defineres som vitenskapen om metoder og teknologier for produksjon, transport, lagring og prosessering av landbruksprodukter og andre produkter ved bruk av konvensjonelle, ikke-transgene (naturlige og avl) planter, dyr og mikroorganismer, under naturlige og kunstige forhold.

Den høyeste prestasjonen av den nyeste bioteknologien er genetisk transformasjon, overføring av fremmede (naturlige eller kunstig skapte) donorgener til mottakerceller fra planter, dyr og mikroorganismer, produksjon av transgene organismer med nye eller forbedrede egenskaper og egenskaper.

Formål med bioteknologisk forskning- øke produksjonseffektiviteten og søke etter biologiske systemer som kan brukes for å oppnå målproduktet.

Bioteknologi gjør det mulig å reprodusere de ønskede produktene i ubegrensede mengder, ved hjelp av nye teknologier som gjør det mulig å overføre gener til produsentceller eller inn i hele organismen (transgene dyr og planter), syntetisere peptider og lage kunstige vaksiner.

Hovedretninger for bioteknologisk utvikling

Utvidelsen av bruksområdene for bioteknologi har en betydelig innvirkning på forbedring av menneskelig levestandard (fig. 1.2). Innføringen av bioteknologiske prosesser gir resultater raskest innen medisin, men ifølge mange eksperter vil den viktigste økonomiske effekten oppnås i landbruket og den kjemiske industrien.

Mikroarrayer, cellekulturer, monoklonale antistoffer og proteinteknologi er bare noen av de moderne bioteknologiske teknikkene som brukes på ulike stadier av utviklingen av mange typer produkter. Forstå det molekylære grunnlaget biologiske prosesser gjør det mulig å redusere kostnadene ved utvikling og forberedelse til produksjon av et bestemt produkt betydelig, samt forbedre kvaliteten. For eksempel kan landbruksbioteknologiselskaper som utvikler insektresistente plantesorter måle mengden beskyttende protein i en cellekultur uten å kaste bort ressurser på å dyrke plantene selv; Farmasøytiske selskaper kan bruke cellekulturer og mikroarrayer for å teste sikkerheten og effektiviteten til legemidler, samt for å identifisere mulige bivirkninger i de tidlige stadiene av legemiddelutvikling.

Genmodifiserte dyr, i hvis kropper det skjer prosesser som reflekterer fysiologien til ulike menneskelige sykdommer, gir forskere fullstendig tilstrekkelige modeller for å teste effekten av et bestemt stoff på kroppen. Det lar også selskaper identifisere de sikreste og mest effektive medisinene tidligere i utviklingen.

Alt dette indikerer viktigheten av bioteknologi og de brede mulighetene for dens anvendelse i ulike sektorer av den nasjonale økonomien. Hvilke områder er høyest prioritert på dette området? La oss se på dem.

1. Forbedring av sikkerheten ved bioteknologisk produksjon for mennesker og miljø. Det er nødvendig å lage arbeidssystemer som bare vil fungere under strengt kontrollerte forhold. For eksempel mangler E. coli-stammer brukt i bioteknologi supramembranstrukturer (konvolutter); slike bakterier kan rett og slett ikke eksistere utenfor laboratorier eller utenfor spesielle teknologiske installasjoner. Flerkomponentsystemer, som hver ikke er i stand til å eksistere uavhengig, har også økt sikkerhet.

2. Redusere andelen av menneskelig industriavfall. Industriavfall er dets biprodukter som ikke kan brukes av mennesker eller andre komponenter i biosfæren og hvis bruk er ulønnsomt eller innebærer en form for risiko. Slikt avfall samler seg i produksjonslokaler (territorier) eller slippes ut i miljøet. Man bør tilstrebe å endre forholdet «nyttig produkt/avfall» til fordel for et nyttig produkt. Dette oppnås på ulike måter. Først må avfallet finnes nyttig applikasjon. For det andre kan de sendes til resirkulering, og skaper en lukket teknologisk syklus. Og til slutt kan du endre fungerende system for å redusere mengden avfall.

3. Redusere energikostnader for produktproduksjon, dvs. innføring av energisparende teknologier. En grunnleggende løsning på dette problemet er først og fremst mulig gjennom bruk av fornybare energikilder. For eksempel er det årlige energiforbruket til fossilt brensel sammenlignbart med netto bruttoproduksjon av alle fotosyntetiske organismer på jorden. For å transformere solenergi til former som er tilgjengelige for moderne kraftverk, opprettes energiplantasjer av hurtigvoksende planter (inkludert ved bruk av cellulære ingeniørmetoder). Den resulterende biomassen brukes til å produsere cellulose, biodrivstoff og vermikompost. De omfattende fordelene med slike teknologier er åpenbare. Bruken av celleteknologiske metoder for konstant fornyelse av plantemateriale sikrer produksjon på kortest mulig tid av et stort antall planter fri for virus og mykoplasma; Samtidig er det ikke nødvendig å lage moderplantasjer. Belastningen på naturlig planting av treplanter reduseres (de kuttes i stor grad ned for å få cellulose og drivstoff), og behovet for fossilt brensel reduseres (generelt sett er det miljømessig ugunstig, siden forbrenningen produserer underoksiderte stoffer). Når biodrivstoff brukes, produseres karbondioksid og vanndamp, som kommer inn i atmosfæren og deretter rekombinert av planter på energiplantasjer.

4. Opprettelse av flerkomponentanleggssystemer. Kvaliteten på landbruksprodukter forringes betydelig når det brukes mineralgjødsel og plantevernmidler, som forårsaker enorme skader på naturlige økosystemer. Det er ulike måter å overvinne de negative konsekvensene av kjemikalisering av landbruksproduksjonen. Først av alt er det nødvendig å forlate monokulturer, det vil si bruken av et begrenset sett med biotyper (varianter, raser, stammer). Ulempene med monokultur ble identifisert på slutten av 1800-tallet; de er åpenbare. For det første, i en monokultur øker konkurranseforholdene mellom de kultiverte organismene; samtidig har monokultur kun en ensidig effekt på konkurrerende organismer (ugress). For det andre er det en selektiv fjerning av mineralernæringselementer, noe som fører til jordforringelse. Endelig er monokultur ikke motstandsdyktig mot patogener og skadedyr. Derfor i løpet av det 20. århundre. den ble opprettholdt gjennom eksepsjonelt høy produksjonsintensitet. Selvfølgelig forenkler bruken av monokulturer av intensive varianter (raser, stammer) utviklingen av produksjonsteknologi. For eksempel er det ved hjelp av høyteknologi skapt plantesorter som er motstandsdyktige mot et bestemt plantevernmiddel, som kan brukes i høye doser når man dyrker disse spesielle sortene. Men i dette tilfellet oppstår spørsmålet om sikkerheten til et slikt arbeidssystem for mennesker og miljø. I tillegg vil det før eller senere dukke opp raser av patogener (skadedyr) som er resistente mot dette plantevernmiddelet.

Derfor er en systematisk overgang fra monokultur til multikomponent (polyklonale) sammensetninger, inkludert ulike biotyper av kultiverte organismer, nødvendig. Multikomponentsammensetninger bør inkludere organismer med ulik utviklingsrytme, med ulike holdninger til dynamikken til fysisk-kjemiske miljøfaktorer, konkurrenter, patogener og skadedyr. I genetisk heterogene systemer oppstår kompenserende interaksjoner av individer med ulike genotyper, som reduserer nivået av intraspesifikk konkurranse og øker automatisk presset fra kultiverte organismer på konkurrerende organismer av andre arter (ugress). I forhold til patogener og skadedyr er et slikt heterogent økosystem preget av kollektiv gruppeimmunitet, som bestemmes av samspillet mellom mange strukturelle og funksjonelle trekk ved individuelle biotyper.

5. Utvikling av nye legemidler for medisin. For tiden pågår det aktiv forskning innen medisin: ulike typer nye legemidler skapes – målrettede og individuelle.

Målrettede stoffer. Hovedårsakene til kreft er ukontrollert celledeling og forstyrrelse av apoptose. Virkningen av medikamenter designet for å eliminere dem kan rettes mot hvilke som helst av molekylene eller cellulære strukturer som er involvert i disse prosessene. Forskning utført innen funksjonell genomikk har allerede gitt oss informasjon om de molekylære endringene som skjer i precancerøse celler. Basert på dataene som er oppnådd, er det mulig å lage diagnostiske tester for å identifisere molekylære markører som signaliserer begynnelsen av den onkologiske prosessen før de første synlige celleavvikene vises eller symptomer på sykdommen vises.

De fleste kjemoterapimedisiner retter seg mot proteiner som er involvert i celledeling. Dessverre dreper dette ikke bare ondartede celler, men ofte normale delende celler i kroppen, slik som celler i det hematopoietiske systemet og hårsekker. For å forhindre at dette skjer bivirkning, har noen selskaper begynt å utvikle medisiner som vil stoppe cellesyklusene til friske celler umiddelbart før de administrerer en dose av et kjemoterapimiddel.

Individuelle forberedelser. På det nåværende stadiet av vitenskapelig utvikling begynner æraen med individualisert medisin, der de genetiske forskjellene til pasienter vil bli tatt i betraktning for den mest effektive bruken av legemidler. Ved å bruke funksjonelle genomikkdata er det mulig å identifisere genetiske varianter som gjør spesifikke pasienter mottakelige for de negative bivirkningene av noen medikamenter og mottakelige for andre. Denne individuelle terapeutiske tilnærmingen, basert på kunnskap om pasientens genom, kalles farmakogenomikk.

Autonom ideell organisasjon

KALININGRAD BUSINESS COLLEGE

Avdeling for deltidsutdanning

Abstrakt

Om emnet: Problemer og prestasjoner av moderne bioteknologi

Etter disiplin: Naturvitenskap

Fullført av en student

grupper 14-ZG-1

Gerner E.A.

Sjekket:

Vasilenko N.A.

Kaliningrad 2015

Introduksjon

Hoveddel

1.1 Praktiske resultater av bioteknologi

2 Biologisering og grønnere

1.3 Utsikter for utvikling av bioteknologi

1.4 Anvendelse av bioteknologi

1.5 Bioteknologiens betydning for medisin

Konklusjon

Liste over kilder som er brukt

Introduksjon

I arbeidet mitt utforsker jeg temaet bioteknologiske prestasjoner. Mulighetene det åpner for menneskeheten, både innen grunnvitenskap og på mange andre områder, er svært store og ofte til og med revolusjonerende.

Bioteknologi er et felt menneskelig aktivitet, som er preget av den utbredte bruken av biologiske systemer på alle nivåer innen en lang rekke grener av vitenskap, industriell produksjon, medisin, landbruk og andre felt.

Bioteknologi skiller seg fra landbruksteknologier, først og fremst i den utbredte bruken av mikroorganismer: prokaryoter (bakterier, actinomycetes), sopp og alger. Dette skyldes det faktum at mikroorganismer er i stand til å utføre en rekke biokjemiske reaksjoner.

Tradisjonelle bioteknologier har utviklet seg på grunnlag av empiriske erfaringer fra mange generasjoner av mennesker de er preget av konservatisme og relativt lav effektivitet. Men i løpet av 1800- og 1900-tallet, på grunnlag av tradisjonell bioteknologi, begynte teknologier på høyere nivå å dukke opp: teknologier for å øke jordens fruktbarhet, teknologier for biologisk avløpsvannbehandling, teknologier for produksjon av biodrivstoff.

Relevansen til det valgte emnet ligger i det faktum at bioteknologi som et kunnskapsfelt og en dynamisk utviklende industrisektor er pålagt å løse mange viktige problemer i vår tid, samtidig som man sikrer bevaring av balanse i systemet med relasjoner "menneske - natur" - samfunnet", fordi biologiske teknologier (bioteknologier) basert på bruk Potensialet til levende ting, per definisjon, er rettet mot vennligheten og harmonien til en person med verden rundt seg.

Nyheten i arbeidet ligger i det faktum at det snakker om det faktum at bioteknologi er en av hovedretningene for vitenskapelig og teknologisk fremgang, og bidrar aktivt til å akselerere løsningen av mange problemer, som mat, landbruk, energi og miljøspørsmål.

Den praktiske betydningen av arbeidet er at det vil tillate oss å spore utviklingen av bioteknologi.

Formålet med arbeidet er å bevise at avansert bioteknologi kan spille en vesentlig rolle for å forbedre kvaliteten på menneskers liv og helse.

Avslør den praktiske betydningen av bioteknologi.

Identifisere prospekter for utvikling av bioteknologi.

Forskningsmetoder:

1.Analyse av litterære kilder.

2.Generalisering av informasjon.

1. Hoveddel

1.1 Praktiske prestasjoner av bioteknologi

Bioteknologi har produsert mange produkter for helse-, landbruks-, mat- og kjemisk industri.

Dessuten er det viktig at mange av dem ikke kunne oppnås uten bruk av bioteknologiske metoder.

Spesielt store forhåpninger er knyttet til forsøk på å bruke mikroorganismer og cellekulturer for å redusere miljøforurensning og produsere energi.

I molekylærbiologi bruken av bioteknologiske metoder gjør det mulig å bestemme strukturen til genomet, forstå mekanismen for genuttrykk, modellere cellemembraner for å studere deres funksjoner, etc.

Konstruksjonen av de nødvendige genene ved hjelp av genetiske og cellulære ingeniørmetoder gjør det mulig å kontrollere arven og vitale aktiviteten til dyr, planter og mikroorganismer og skape organismer med nye egenskaper nyttig for mennesker som ikke tidligere har vært observert i naturen.

Mikrobiologiindustrien bruker i dag tusenvis av stammer av forskjellige mikroorganismer. I de fleste tilfeller forbedres de ved indusert mutagenese og påfølgende seleksjon. Dette tillater storskala syntese av ulike stoffer.

Noen proteiner og sekundære metabolitter kan bare oppnås ved å dyrke eukaryote celler. Planteceller kan tjene som en kilde til en rekke forbindelser - atropin, nikotin, alkaloider, saponiner, etc.

I biokjemi, mikrobiologi og cytologi er metoder for immobilisering av både enzymer og hele celler av mikroorganismer, planter og dyr av utvilsomt interesse.

I veterinærmedisin er bioteknologiske metoder som celle- og embryokultur, in vitro oogenese og kunstig inseminasjon mye brukt.

Alt dette indikerer at bioteknologi vil bli en kilde ikke bare til nye matprodukter og medisiner, men også til energi og nye kjemikalier, samt organismer med spesifiserte egenskaper.

.2 Biologisering og grønnere

For tiden blir ideene om grønnere og, i bredere forstand, biologisering av alle økonomiske aktiviteter og produksjonsaktiviteter stadig mer populære.

Ved å grønnere, som den innledende fasen av biologiseringen, kan vi forstå reduksjonen av skadelige produksjonsutslipp til miljøet, opprettelsen av lavavfalls- og avfallsfrie industrikomplekser med en lukket syklus, etc.

Biologisering bør forstås bredere, som en radikal transformasjon av produksjonsaktiviteter basert på biologiske lover biosfærens biotiske syklus.

Målet med en slik transformasjon bør være å integrere alle økonomiske aktiviteter og produksjonsaktiviteter i det biotiske kretsløpet.

Dette behovet er spesielt tydelig synlig i fenomenet strategisk hjelpeløshet ved kjemisk plantevern:

Faktum er at det for tiden ikke er et eneste plantevernmiddel i verden som planteskadegjørere ikke har tilpasset seg.

Dessuten har mønsteret for en slik tilpasning nå klart dukket opp: hvis i 1917. en art av insekter dukket opp som tilpasset seg DDT, da i 1980. det er 432 slike arter.

Plantevernmidlene og ugressmidlene som brukes er ekstremt skadelige ikke bare for hele dyreverdenen, men også for mennesker.

På samme måte blir den strategiske nytteløsheten ved bruk av kunstgjødsel nå tydelig. Under disse forholdene er overgangen til biologisk plantevern og bioorganisk teknologi med et minimum av kunstgjødsel helt naturlig.

Bioteknologi kan spille en avgjørende rolle i prosessen med biologisering av landbruket.

Vi kan og bør snakke om biologisering av teknologi, industriell produksjon og energi.

Den raskt utviklende bioenergiindustrien lover revolusjonerende endringer ettersom den fokuserer på fornybare energikilder og råvarer.

.3 Utsikter for utvikling av bioteknologi

Det sentrale problemet med bioteknologi er intensiveringen av bioprosesser både ved å øke potensialet til biologiske midler og deres systemer, og ved å forbedre utstyr og bruk av biokatalysatorer (immobiliserte enzymer og celler) i industri, analytisk kjemi og medisin.

Den industrielle bruken av biologiske prestasjoner er basert på teknikken for å lage rekombinante DNA-molekyler.

Å designe de nødvendige genene gjør det mulig å kontrollere arven og vitale aktiviteten til dyr, planter og mikroorganismer og skape organismer med nye egenskaper.

Spesielt er det mulig å kontrollere prosessen med fiksering av atmosfærisk nitrogen og overføre de tilsvarende gener fra mikrobielle celler til genomet til plantecellen.

Som kilder til råstoff for bioteknologi vil fornybare ressurser av ikke-spiselige plantematerialer og landbruksavfall, som fungerer som en ekstra kilde til både fôrstoffer og sekundært brensel (biogass) og organisk gjødsel, bli stadig viktigere.

En av de raskt utviklende grenene innen bioteknologi er teknologien for mikrobiell syntese av stoffer som er verdifulle for mennesker. I følge prognoser vil den videre utviklingen av denne industrien innebære en omfordeling av roller i dannelsen av menneskehetens matbase: avling og husdyrhold på den ene siden og mikrobiell syntese på den andre.

Et like viktig aspekt ved moderne mikrobiologisk teknologi er studiet av mikroorganismers deltakelse i biosfæreprosesser og målrettet regulering av deres vitale aktivitet for å løse problemet med å beskytte miljøet mot teknologisk, landbruks- og husholdningsforurensning.

Nært knyttet til dette problemet er studier for å identifisere mikroorganismers rolle i jords fruktbarhet (humusdannelse og påfyll av biologisk nitrogen), bekjempelse av skadedyr og sykdommer i landbruksvekster, avhending av plantevernmidler og andre kjemiske forbindelser i jorda.

Kunnskapen som er tilgjengelig på dette området indikerer at å endre strategien for menneskelig økonomisk aktivitet fra kjemikalisering til biologisering av landbruket er berettiget både fra økonomiske og miljømessige synspunkter.

I denne retningen kan bioteknologi sette målet om landskapsregenerering.

Det jobbes med å lage biopolymerer som skal kunne erstatte moderne plast. Disse biopolymerene har en betydelig fordel i forhold til tradisjonelle materialer, siden de er giftfrie og biologisk nedbrytbare, det vil si at de lett brytes ned etter bruk uten å forurense miljøet.

Bioteknologier basert på mikrobiologiens prestasjoner er mest kostnadseffektive når de brukes og skapes på en integrert måte avfallsfri produksjon som ikke forstyrrer den økologiske balansen.

Utviklingen deres vil gjøre det mulig å erstatte mange enorme kjemiske anlegg med miljøvennlige kompakte produksjonsanlegg.

Et viktig og lovende område innen bioteknologi er utviklingen av metoder for å produsere miljøvennlig energi.

Produksjon av biogass og etanol ble diskutert ovenfor, men det er også fundamentalt nye eksperimentelle tilnærminger i denne retningen.

En av dem er produksjonen av fotohydrogen:

"Hvis membraner som inneholder fotosystem 2 er isolert fra kloroplaster, skjer fotolyse av vann i lyset - dets nedbrytning til oksygen og hydrogen. Modellering av prosessene med fotosyntese som forekommer i kloroplaster ville gjøre det mulig å lagre energien til solen i verdifullt brensel - hydrogen."

Fordelene med denne metoden for å generere energi er åpenbare:

tilstedeværelsen av overflødig substrat, vann;

ubegrenset energikilde - solen;

produktet (hydrogen) kan lagres uten å forurense atmosfæren;

hydrogen har en høy brennverdi (29 kcal/g) sammenlignet med hydrokarboner (3,5 kcal/g);

prosessen skjer ved normal temperatur uten dannelse av giftige mellomprodukter;

prosessen er syklisk, siden når hydrogen forbrukes, blir substratet - vann - regenerert.

.4 Anvendelse av bioteknologi

Folk har alltid tenkt på hvordan de kan lære å kontrollere naturen, og sett etter måter å få tak i for eksempel planter med forbedrede egenskaper: med høye avlinger, større og smakfullere frukter, eller med økt kuldemotstand. Siden antikken har hovedmetoden brukt til disse formålene vært seleksjon. Den er mye brukt den dag i dag og har som mål å skape nye og forbedre eksisterende varianter av kulturplanter, husdyrraser og stammer av mikroorganismer med egenskaper og egenskaper som er verdifulle for mennesker.

Seleksjon er basert på utvelgelse av planter (dyr) med uttalte gunstige egenskaper og videre kryssing av slike organismer, mens genteknologi tillater direkte intervensjon i cellens genetiske apparat. Det er viktig å merke seg at under tradisjonell avl er det svært vanskelig å oppnå hybrider med ønsket kombinasjon av nyttige egenskaper, siden svært store fragmenter av genomene til hver forelder overføres til avkommet, mens genteknologiske metoder oftest gjør det mulig å arbeider med ett eller flere gener, og deres modifikasjoner påvirker ikke funksjonen til andre gener. Som et resultat, uten å miste andre nyttige egenskaper planter, er det mulig å legge til en eller flere nyttige egenskaper, noe som er svært verdifullt for å skape nye varianter og nye former for planter. Det er blitt mulig å endre for eksempel planters motstand mot klima og stress, eller deres følsomhet overfor insekter eller sykdommer som er vanlige i enkelte regioner, for tørke osv. Forskere håper til og med å få tak i treslag som vil være motstandsdyktige mot brann. Omfattende forskning er i gang for å forbedre næringsverdi ulike landbruksvekster, som mais, soyabønner, poteter, tomater, erter, etc.

Historisk sett er det "tre bølger" i etableringen av genmodifiserte planter:

Den andre bølgen - begynnelsen av 2000-tallet - etableringen av planter med nye forbrukeregenskaper: oljefrø med høyere innhold og modifisert sammensetning av oljer, frukt og grønnsaker med høyt innhold av vitaminer, mer næringsrike korn, etc.

I dag lager forskere "tredje bølge"-anlegg som vil dukke opp på markedet i løpet av de neste 10 årene: vaksineanlegg, bioreaktoranlegg for produksjon av industriprodukter (komponenter til ulike typer plast, fargestoffer, tekniske oljer, etc.), planter - narkotikafabrikker, etc.

Genteknologisk arbeid i dyrehold har en annen oppgave. Et fullstendig oppnåelig mål med dagens teknologinivå er å skape transgene dyr med et spesifikt målgen. For eksempel blir genet for et verdifullt dyrehormon (for eksempel veksthormon) kunstig introdusert i en bakterie, som begynner å produsere det i store mengder. Et annet eksempel: transgene geiter, som et resultat av introduksjonen av det tilsvarende genet, kan produsere et spesifikt protein, faktor VIII, som forhindrer blødning hos pasienter som lider av hemofili, eller et enzym, trombokinase, som fremmer resorpsjonen av blodpropp i blodet kar, som er viktig for forebygging og behandling av tromboflebitt hos mennesker. Transgene dyr produserer disse proteinene mye raskere, og selve metoden er mye billigere enn den tradisjonelle.

På slutten av 90-tallet av XX-tallet. Amerikanske forskere har kommet i nærheten av å produsere husdyr ved å klone embryonale celler, selv om denne retningen fortsatt krever mer seriøs forskning. Men i xenotransplantasjon - transplantasjon av organer fra en type levende organisme til en annen - er det oppnådd utvilsomme resultater. Største suksesser oppnådd ved å bruke griser med overførte menneskelige gener i sin genotype som donorer av ulike organer. I dette tilfellet er det minimal risiko for organavstøtning.

Forskere foreslår også at genoverføring vil bidra til å redusere menneskelige allergier mot kumelk. Målrettede endringer i kuenes DNA bør også føre til en reduksjon i innholdet av mettede fettsyrer og kolesterol i melk, noe som gjør den enda sunnere. Den potensielle faren ved bruk av genmodifiserte organismer kommer til uttrykk i to aspekter: mattrygghet for menneskers helse og miljøkonsekvenser. Det er derfor det viktigste stadiet Når man lager et genmodifisert produkt, må det gjøres en omfattende undersøkelse av det for å unngå risiko for at produktet inneholder proteiner som forårsaker allergi, giftige stoffer eller noen nye farlige komponenter.

.5 Bioteknologiens betydning for medisin

bioteknologi bioprosess farmasøytisk

I tillegg til utbredt bruk i landbruket, basert på genteknologi en hel gren av farmasøytisk industri oppstod, kalt DNA-industrien og representerer en av de moderne grenene innen bioteknologi. Mer enn en fjerdedel av alle medisiner som brukes i verden i dag inneholder ingredienser fra planter. Genmodifiserte planter er en billig og trygg kilde for å få fullt funksjonelle medisinske proteiner (antistoffer, vaksiner, enzymer osv.) for både mennesker og dyr. Eksempler på bruk av genteknologi i medisin er også produksjon av humant insulin ved bruk av genmodifiserte bakterier, produksjon av erytropoietin (et hormon som stimulerer dannelsen av røde blodlegemer i benmargen. Den fysiologiske rollen til dette hormonet er å regulere produksjonen av røde blodlegemer avhengig av kroppens behov for oksygen) i cellekultur (dvs. utenfor menneskekroppen) eller nye raser av forsøksmus for vitenskapelig forskning.

Utviklingen av genteknologiske metoder basert på dannelsen av rekombinant DNA førte til den "bioteknologiske boomen" som vi er vitne til. Takket være prestasjonene til vitenskapen på dette området har det blitt mulig ikke bare å lage "biologiske reaktorer", transgene dyr, genmodifiserte planter, men også å utføre genetisk sertifisering (en fullstendig studie og analyse av en persons genotype, vanligvis utført ut umiddelbart etter fødselen, for å bestemme disposisjonen for ulike sykdommer, en mulig utilstrekkelig (allergisk) reaksjon på visse medisiner, samt en tendens til visse typer aktiviteter). Genetisk sertifisering lar deg forutsi og redusere risikoen for kardiovaskulære og kreftsykdommer, studere og forhindre nevrodegenerative sykdommer og aldringsprosesser, analysere de nevrofysiologiske egenskapene til individet på molekylært nivå), diagnostisere genetiske sykdommer, lage DNA-vaksiner, genterapi for ulike sykdommer osv.

På 1900-tallet, i de fleste land i verden, var medisinens hovedinnsats rettet mot å bekjempe smittsomme sykdommer, en nedgang i spedbarnsdødelighet og en økning gjennomsnittlig varighet liv. Land med mer utviklet helsevesen har lykkes så mye på denne måten at de har funnet det mulig å flytte vekten til behandling av kroniske sykdommer, sykdommer kardiovaskulært system og onkologiske sykdommer, siden det var disse sykdomsgruppene som ga den største prosentvise økningen i dødelighet.

Samtidig ble det søkt nye metoder og tilnærminger. Det var betydelig at vitenskapen har bevist den betydelige rollen som arvelig disposisjon har i forekomsten av så utbredte sykdommer som koronar hjertesykdom, hypertensjon, magesår mage og tolvfingertarmen, psoriasis, bronkial astma, etc. Det har blitt åpenbart at for effektiv behandling og forebygging av disse sykdommene, som oppstår i praksisen til leger av alle spesialiteter, er det nødvendig å kjenne til mekanismene for interaksjon av miljømessige og arvelige faktorer i deres forekomst og utvikling, og følgelig videre fremgang i helsevesenet er umulig uten utvikling av bioteknologiske metoder innen medisin. De siste årene er disse områdene ansett som prioriterte og er i rask utvikling.

Relevansen av å drive pålitelig genetisk forskning basert på bioteknologiske tilnærminger er også åpenbar fordi mer enn 4000 arvelige sykdommer i dag er kjent. Omtrent 5-5,5 % av barna fødes med arvelige eller medfødte sykdommer. Minst 30 % av barnedødeligheten under svangerskapet og fødselsperioden skyldes medfødte misdannelser og arvelige sykdommer. Etter 20-30 år begynner mange sykdommer som en person bare hadde en arvelig disposisjon for å dukke opp. Dette skjer under påvirkning av ulike miljøfaktorer: levekår, dårlige vaner, komplikasjoner etter sykdommer osv.

For tiden har det allerede dukket opp praktiske muligheter for å redusere eller korrigere den negative effekten av arvelige faktorer betydelig. Medisinsk genetikk forklarte at årsaken til mange genmutasjoner er interaksjon med ugunstige miljøforhold, og derfor, ved å løse miljøproblemer, er det mulig å redusere forekomsten av kreft, allergier, hjerte- og karsykdommer, diabetes, psykiske lidelser og til og med noen smittsomme sykdommer . Samtidig var forskerne i stand til å identifisere gener som er ansvarlige for manifestasjonen av ulike patologier og bidrar til en økning i forventet levealder. Ved bruk av medisinske genetikkmetoder ble det oppnådd gode resultater i behandlingen av 15 % av sykdommene, og det ble observert betydelig forbedring i nesten 50 % av sykdommene.

Dermed har betydelige prestasjoner innen genetikk gjort det mulig ikke bare å nå det molekylære nivået for å studere de genetiske strukturene i kroppen, men også å avsløre essensen av mange alvorlige menneskelige sykdommer og å komme nær genterapi.

I tillegg har det, basert på medisinsk genetisk kunnskap, dukket opp muligheter for tidlig diagnostisering av arvelige sykdommer og rettidig forebygging av arvelig patologi.

Det viktigste området innen medisinsk genetikk for tiden er utviklingen av nye metoder for å diagnostisere arvelige sykdommer, inkludert sykdommer med arvelig disposisjon. I dag overrasker ikke lenger preimplantasjonsdiagnose noen - en metode for å diagnostisere et embryo på et tidlig stadium av intrauterin utvikling, når en genetiker, som fjerner bare én celle fra det ufødte barnet med minimal trussel mot hans liv, stiller en nøyaktig diagnose eller advarer om en arvelig disposisjon for en bestemt sykdom.

Som en teoretisk og klinisk disiplin fortsetter medisinsk genetikk å utvikle seg intensivt i forskjellige retninger: studiet av det menneskelige genom, cytogenetikk, molekylær og biokjemisk genetikk, immunogenetikk, utviklingsgenetikk, populasjonsgenetikk, klinisk genetikk.

Takket være den stadig mer utbredte bruken av bioteknologiske metoder i legemidler og medisin, har et nytt konsept for "personlig medisin" dukket opp når en pasient blir behandlet basert på hans individuelle, inkludert genetiske egenskaper, og til og med legemidlene som brukes i behandlingsprosessen er laget individuelt for hver spesifikke pasient med hensyn til hans tilstand. Fremveksten av slike medisiner ble mulig, spesielt takket være bruken av en slik bioteknologisk metode som hybridisering (kunstig fusjon) av celler. Prosessene med cellehybridisering og produksjon av hybrider er ennå ikke fullt ut studert og utviklet, men det er viktig at det med deres hjelp er blitt mulig å produsere monoklonale antistoffer. Monoklonale antistoffer er spesielle "beskyttende" proteiner som produseres av celler i det menneskelige immunsystemet som svar på utseendet i blodet av fremmede stoffer (kalt antigener): bakterier, virus, giftstoffer, etc. Monoklonale antistoffer har ekstraordinær, unik spesifisitet, og hvert antistoff gjenkjenner bare sitt eget antigen, binder seg til det og gjør det trygt for mennesker. I moderne medisin er monoklonale antistoffer mye brukt til diagnostiske formål. For tiden brukes de også som svært effektive legemidler for individuell behandling av pasienter som lider av så alvorlige sykdommer som kreft, AIDS, etc.

Konklusjon

Basert på ovenstående kan vi konkludere med at avansert bioteknologi kan spille en betydelig rolle i å forbedre livskvaliteten og menneskers helse, og sikre økonomisk og sosial vekst i stater (spesielt i utviklingsland).

Bioteknologi kan produsere ny diagnostikk, vaksiner og legemidler. Bioteknologi kan bidra til å øke utbyttet av store kornavlinger, noe som er spesielt viktig i forbindelse med den voksende befolkningen på jorden. I mange land hvor store mengder biomasse er ubrukt eller underutnyttet, kan bioteknologi tilby måter å omdanne dem til verdifulle produkter, samt behandle dem ved hjelp av bioteknologiske metoder for å produsere ulike typer biodrivstoff. I tillegg når riktig planlegging og ledelse, bioteknologi kan finne anvendelse i små regioner som et verktøy for industrialisering av landlige områder for etablering av små næringer, som vil sikre mer aktiv utvikling av tomme territorier og vil løse problemet med sysselsetting.

Et trekk ved utviklingen av bioteknologi i det 21. århundre er ikke bare dens raske vekst som en anvendt vitenskap, den blir i økende grad en del av hverdagen for mennesker, og, hva som er enda viktigere, gir eksepsjonelle muligheter for de effektive (intensive, ikke omfattende) utvikling av nesten alle sektorer av økonomien, blir en nødvendig betingelse for en bærekraftig utvikling av samfunnet, og har derved en transformativ innvirkning på paradigmet for utvikling av samfunnet som helhet.

Den utbredte penetrasjonen av bioteknologi i verdensøkonomien gjenspeiles i det faktum at til og med nye begreper har blitt dannet for å betegne denne prosessens globale natur. Dermed begynte bruken av bioteknologiske metoder i industriell produksjon å bli kalt "hvit bioteknologi", i farmasøytisk produksjon og medisin - "rød bioteknologi", i landbruksproduksjon og husdyrhold - "grønn bioteknologi", og for kunstig dyrking og videreforedling av akvatiske organismer (akvakultur eller marikultur) - "blå bioteknologi". Og økonomien som integrerer alle disse innovative områdene kalles "bioøkonomi". Oppgaven med overgangen fra en tradisjonell økonomi til en ny type økonomi - en bioøkonomi basert på innovasjon og mye bruk av bioteknologiens evner i ulike bransjer, så vel som i hverdagslivet, er allerede erklært som et strategisk mål i mange land. verden.

Liste over kilder som er brukt

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

2. Bioteknologi av landbruksplanter. M.: Agropromizdat, 1987.

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

4.Kolesnikov, S.I. Vi består det grunnleggende innen miljøledelse:

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

6. Lukyanchikov, N.N. Økonomi og organisering av miljøledelse: lærebok for universiteter / N.N. Lukyanchikov, I.M. Potravny. - 2. utgave, revidert. og tillegg - M.: UNITY-DANA, 2002. - 454 s.

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

8. Rychkov R.S., Popov V.G. Utviklingsutsikter for bioteknologi // Bioteknologi. M.: Nauka, 1984.

9. Teknologi i det 21. århundre i Russland. Å være eller ikke være // Vitenskap og liv. - 2001. - Nr. 1. S.3-8.

Veiledning

Trenger du hjelp til å studere et emne?

Våre spesialister vil gi råd eller gi veiledningstjenester om emner som interesserer deg.
Send inn søknaden din angir emnet akkurat nå for å finne ut om muligheten for å få en konsultasjon.

INTRODUKSJON

1.1. Generelle bestemmelser

ved lov Den russiske føderasjonen«Om veterinærmedisin» definerer veterinærmedisinens hovedoppgaver «innenfor vitenskapelig kunnskap og praktiske aktiviteter rettet mot å forebygge dyresykdommer og deres behandling, produsere komplette og veterinært sikre dyreprodukter og beskytte befolkningen mot sykdommer som er vanlige for mennesker og dyr. ”

En rekke av disse problemene løses ved hjelp av bioteknologiske metoder.

Definisjonen av bioteknologi er gitt ganske fullstendig av European Biotechnology Federation, grunnlagt i 1978. I henhold til denne definisjonen bioteknologi er en vitenskap som, basert på anvendelse av kunnskap innen mikrobiologi, biokjemi, genetikk, genteknologi, immunologi, kjemisk teknologi, instrument- og maskinteknikk, bruker biologiske objekter (mikroorganismer, dyre- og plantevevsceller) eller molekyler (nukleisk stoff). syrer, proteiner, enzymer), karbohydrater, etc.) for industriell produksjon av stoffer og produkter som er nyttige for mennesker og dyr.

Inntil det altomfattende begrepet "bioteknologi" ble allment akseptert, ble navn som anvendt mikrobiologi, anvendt biokjemi, enzymteknologi, bioingeniør, anvendt genetikk og anvendt biologi brukt for å referere til mangfoldet av teknologier som er nærmest knyttet til biologi.

Bruken av vitenskapelige prestasjoner innen bioteknologi utføres mest høyt nivå moderne vitenskap. Bare bioteknologi gjør det mulig å skaffe en rekke stoffer og forbindelser fra relativt billige, tilgjengelige og fornybare materialer.

I motsetning til naturlige stoffer og forbindelser som er kunstig syntetisert krever store investeringer, absorberes dårlig av dyre- og menneskelige organismer og har høye kostnader.

Bioteknologi bruker mikroorganismer og virus, som i løpet av sine livsprosesser naturlig produserer de stoffene vi trenger - vitaminer, enzymer, aminosyrer, organiske syrer, alkoholer, antibiotika og andre biologisk aktive forbindelser.

En levende celle er overlegen enhver plante i sin organisasjonsstruktur, sammenheng mellom prosesser, nøyaktighet av resultater, effektivitet og rasjonalitet.

For tiden brukes mikroorganismer hovedsakelig i tre typer bioteknologiske prosesser:

For biomasseproduksjon;

For å oppnå metabolske produkter (for eksempel etanol, antibiotika, organiske syrer, etc.);

For behandling av organiske og uorganiske forbindelser av både naturlig og menneskeskapt opprinnelse.

Hovedoppgaven til den første typen prosess, som bioteknologisk produksjon er pålagt å løse i dag, er eliminering av proteinmangel i fôret til husdyr og fugler, fordi I proteiner av planteopprinnelse er det mangel på aminosyrer og fremfor alt spesielt verdifulle, de såkalte essensielle.

Hovedretningen for den andre gruppen av bioteknologiske prosesser er for tiden produksjonen av mikrobielle synteseprodukter ved bruk av avfall fra ulike industrier, inkludert mat-, olje- og treforedlingsindustrien, etc.

Bioteknologisk behandling av ulike kjemiske forbindelser er hovedsakelig rettet mot å sikre økologisk balanse i naturen, behandle avfall fra menneskelige aktiviteter og maksimere reduksjonen av negativ menneskeskapt påvirkning på naturen.

I industriell skala representerer bioteknologi en industri der følgende sektorer kan skilles ut:

Produksjon av polymerer og råvarer til tekstilindustrien;

Produksjon av metanol, etanol, biogass, hydrogen og deres bruk i energi- og kjemisk industri;

Produksjon av protein, aminosyrer, vitaminer, enzymer m.m. gjennom storskala dyrking av gjær, alger, bakterier;

Øke produktiviteten til landbruksplanter og dyr;

Innhenting av ugressmidler og bioinsektmidler;

Utbredt introduksjon av genteknologiske metoder for å oppnå nye raser av dyr, plantevarianter og dyrking av vevscellekulturer av plante- og animalsk opprinnelse;

Resirkulering av industri- og husholdningsavfall, avløpsvann, produksjon av kompost ved bruk av mikroorganismer;

Resirkulering av skadelige utslipp av olje, kjemikalier som forurenser jord og vann;

Produksjon av terapeutiske, forebyggende og diagnostiske legemidler (vaksiner, serum, antigener, allergener, interferoner, antibiotika, etc.).

Nesten alle bioteknologiske prosesser er nært knyttet til livsaktiviteten til forskjellige grupper av mikroorganismer - bakterier, virus, gjær, mikroskopiske sopp, etc., og har en rekke karakteristiske trekk:

1. Prosessen med mikrobiell syntese er som regel en del av en flertrinns produksjon, og målproduktet for biosyntesestadiet er ofte ikke salgbart og er gjenstand for videre prosessering.

2. Ved dyrking av mikroorganismer er det vanligvis nødvendig å opprettholde aseptiske forhold, noe som krever sterilisering av utstyr, kommunikasjon, råvarer mv.

3. Dyrking av mikroorganismer utføres i heterogene systemer, hvis fysisk-kjemiske egenskaper kan endres betydelig i løpet av prosessen.

4. Den teknologiske prosessen er preget av høy variabilitet på grunn av tilstedeværelsen av et biologisk objekt i systemet, dvs. populasjoner av mikroorganismer.

5. Kompleksitet og multifaktorielle mekanismer for regulering av mikrobiell vekst og biosyntese av metabolske produkter.

6. Kompleksitet og i de fleste tilfeller mangel på informasjon om kvalitativ og kvantitativ sammensetning av produksjonsnæringsmedier.

7. Relativt lave konsentrasjoner av målprodukter.

8. Prosessens evne til selvregulering.

9. Forhold som er optimale for vekst av mikroorganismer og for biosyntese av målprodukter er ikke alltid sammenfallende.

Mikroorganismer forbruker stoffer fra miljøet, vokser, formerer seg, frigjør flytende og gassformige metabolske produkter, og implementerer derved de endringene i systemet (akkumulering av biomasse eller metabolske produkter, forbruk av forurensninger) som dyrkingsprosessen utføres for. Følgelig kan en mikroorganisme betraktes som et sentralt element i et bioteknologisk system, som bestemmer effektiviteten av dets funksjon.

1.2. Historie om bioteknologisk utvikling

I løpet av de siste 20 årene har bioteknologi, takket være sine spesifikke fortrinn i forhold til andre vitenskaper, fått et avgjørende gjennombrudd til det industrielle nivået, noe som i stor grad skyldes utviklingen av nye forskningsmetoder og intensivering av prosesser som har åpnet for tidligere ukjente muligheter i produksjon av biologiske produkter, metoder for isolering, identifikasjon og rensing biologisk aktive stoffer.

Bioteknologi ble dannet og utviklet seg etter hvert som menneskesamfunnet ble dannet og utviklet. Dens fremvekst, dannelse og utvikling kan betinget deles inn i 4 perioder.

1. Den empiriske perioden eller forhistorisk er den lengste, og dekker omtrent 8000 år, hvorav mer enn 6000 f.Kr. og ca 2000 e.Kr. De gamle folkene på den tiden brukte intuitivt teknikker og metoder for å lage brød, øl og noen andre produkter som vi nå klassifiserer som bioteknologiske.

Det er kjent at sumererne, de første innbyggerne i Mesopotamia (på det moderne Iraks territorium), skapte en sivilisasjon som blomstret i disse dager. De bakte brød av surdeig og mestret kunsten å brygge øl. Den ervervede erfaringen ble gitt videre fra generasjon til generasjon, og spredte seg blant nabofolk (assyrere, babylonere, egyptere og gamle hinduer). Eddik har vært kjent i flere tusen år og har blitt tilberedt hjemme siden antikken. Den første destillasjonen innen vinproduksjon ble utført på 1100-tallet; vodka fra frokostblandinger ble først produsert på 1500-tallet; champagne har vært kjent siden 1700-tallet.

Den empiriske perioden inkluderer produksjon av fermenterte melkeprodukter, surkål, honning alkoholholdige drikker, fôrsilasje.

Folk fra gammelt av brukte altså bioteknologiske prosesser i praksis uten å vite noe om mikroorganismer. Empiri var også karakteristisk for praksisen med å bruke nyttige planter og dyr.

I 1796 skjedde det viktigste begivenheten i biologi - E. Jenner utførte de første kukoppvaksinasjonene i historien for mennesker.

2. Den etiologiske perioden i utviklingen av bioteknologi dekker andre halvdel av 1800-tallet. og den første tredjedelen av det 20. århundre. (1856 - 1933). Han er knyttet til den fremragende forskningen til den store franske vitenskapsmannen L. Pasteur (1822 - 95) - grunnleggeren av vitenskapelig mikrobiologi.

Pasteur etablerte den mikrobielle naturen til fermentering, beviste muligheten for liv under oksygenfrie forhold, skapte det vitenskapelige grunnlaget for vaksineforebygging, etc.

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

I 1859 tilberedte L. Pasteur et flytende næringsmedium, og R. Koch foreslo i 1881 en metode for å dyrke bakterier på sterile potetskiver og på agarnæringsmedier. Og som en konsekvens av dette var det mulig å bevise individualiteten til mikrober og få dem i rene kulturer. Dessuten kan hver art forplantes på næringsmedier og brukes til å reprodusere de tilsvarende prosessene (gjæring, oksidasjon, etc.).

Blant prestasjonene i den andre perioden er følgende spesielt verdt å merke seg:

1856 - Den tsjekkiske munken G. Mendel oppdaget lovene for dominans av egenskaper og introduserte begrepet en arveenhet i form av en diskret faktor som overføres fra foreldre til etterkommere;

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

1883 - I. Mechnikov utviklet teorien om cellulær immunitet;

1984 - F. Leffler isolerte og dyrket årsaken til difteri;

1892 - D. Ivanovsky oppdaget virus;

1893 - W. Ostwald etablerte den katalytiske funksjonen til enzymer;

1902 - G. Haberland viste muligheten for å dyrke planteceller i næringsløsninger;

1912 - C. Neuberg oppdaget mekanismen for fermenteringsprosesser;

1913 - L. Michaelis og M. Menten utviklet kinetikken til enzymatiske reaksjoner;

1926 - H. Morgan formulerte den kromosomale teorien om arv;

1928 - F. Griffith beskrev fenomenet "transformasjon" i bakterier;

1932 - M. Knoll og E. Ruska oppfant elektronmikroskopet.
I løpet av denne perioden begynte produksjonen av pressede matvarer.

gjær, samt produkter av deres metabolisme - aceton, butanol, sitronsyre og melkesyrer, begynte Frankrike å lage bioinstallasjoner for mikrobiologisk avløpsvannbehandling.

Akkumuleringen av en stor masse celler i samme alder forble imidlertid en ekstremt arbeidskrevende prosess. Derfor var det nødvendig med en fundamentalt annen tilnærming for å løse mange problemer innen bioteknologi.

3. Bioteknisk periode - begynte i 1933 og varte til 1972.

I 1933 ble A. Kluyver og A.H. Perkin publiserte arbeidet "Metoder for å studere metabolisme i muggsopp", der de skisserte de grunnleggende tekniske teknikkene, samt tilnærminger for å vurdere resultatene oppnådd under dypdyrking av sopp. Introduksjonen av storskala forseglet utstyr i bioteknologien har begynt, noe som sikrer at prosesser utføres under sterile forhold.

En spesielt kraftig drivkraft i utviklingen av industrielt bioteknologisk utstyr ble notert i perioden med dannelse og utvikling av produksjon av antibiotika (under andre verdenskrig, 1939-1945, da det var et presserende behov for antimikrobielle medisiner for behandling av pasienter med infiserte sår).

Alt progressivt innen bioteknologiske og tekniske disipliner oppnådd på den tiden ble reflektert i bioteknologi:

1936 - hovedoppgavene med å designe, lage og implementere nødvendig utstyr ble løst, inkludert den viktigste - bioreaktoren (fermentor, kultivator);

1942 - M. Delbrück og T. Anderson så først virus ved hjelp av et elektronmikroskop;

1943 - penicillin ble produsert i industriell skala;

1949 - J. Lederberg oppdaget prosessen med konjugasjon i E.colly;

1950 - J. Monod utviklet teoretiske grunnlag kontinuerlig kontrollert dyrking av mikrober, som ble utviklet i deres forskning av M. Stephenson, I. Molek, M. Ierusalimsky,
I. Rabotnova, I. Pomozova, I. Basnakyan, V. Biryukov;

1951 - M. Theiler utviklet en vaksine mot gul feber;

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

1953 - F. Crick og J. Watson dechiffrerte strukturen til DNA. Dette har vært drivkraften for utviklingen av metoder for storskala dyrking av celler av ulik opprinnelse for å oppnå cellulære produkter og celler selv;

1959 - Japanske forskere oppdaget antibiotikaresistensplasmider (K-faktor) i dysenteribakterier;

1960 - S. Ochoa og A. Kornberg isolerte proteiner som kan "tverrbinde" eller "lime" nukleotider til polymerkjeder, og derved syntetisere DNA-makromolekyler. Et slikt enzym ble isolert fra Escherichia coli og kalt DNA-polymerase;

1961 - M. Nirenberg leste de tre første bokstavene i genetisk
kode for aminosyren fenylalanin;

1962 - X. Korana syntetiserte kjemisk et funksjonelt gen;

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

- 1970 - restriksjonsenzym (restriksjonsendonuklease) ble isolert.

4. Genteknologiperioden begynte i 1972, da P. Berg skapte den første rekombinasjonen av et DNA-molekyl, og demonstrerte dermed muligheten for målrettet manipulering av arvestoffet til bakterier.

Uten det grunnleggende arbeidet til F. Crick og J. Watson for å etablere strukturen til DNA, ville det naturligvis vært umulig å oppnå moderne resultater innen bioteknologi. Belysning av mekanismene for funksjon og DNA-replikasjon, isolering og studier av spesifikke enzymer førte til dannelsen av en strengt vitenskapelig tilnærming til utviklingen av biotekniske prosesser basert på genmanipulasjonsmanipulasjoner.

Opprettelsen av nye forskningsmetoder var en nødvendig forutsetning for utviklingen av bioteknologi i 4. periode:

1977 - M. Maxam og W. Gilbert utviklet en metode for å analysere primærstrukturen til DNA ved kjemisk nedbrytning, og J. Sanger
- ved polymerasekopiering ved bruk av terminerende nukleotidanaloger;

1981 - det første diagnostiske settet med monoklonale antistoffer er godkjent for bruk i USA;

1982 - humant insulin produsert av Escherichia coli-celler ble solgt; en vaksine for dyr oppnådd ved hjelp av teknologi er godkjent for bruk i europeiske land
rekombinant DNA; genetisk konstruerte interferoner, tumornekrotiserende faktor, interleukin-2, humant somatotropt hormon, etc. er blitt utviklet;

1986 - K. Mullis utviklet polymerasekjedereaksjonsmetoden (PCR);

1988 - storskala produksjon av utstyr og diagnostiske sett for PCR startet;

1997 - Det første pattedyret (sauen Dolly) ble klonet fra en differensiert somatisk celle.

Slike fremragende innenlandske forskere som L.S. Tsenkovsky, S.N. Vyshelessky, M.V. Likhachev, N.N. Ginzburg, S.G. Kolesov, Ya.R. Kolyakov, R.V. Petrov, V.V. Kafarov og andre ga et uvurderlig bidrag til utviklingen av bioteknologi.

De viktigste prestasjonene til bioteknologi i den fjerde perioden:

1. Utvikling av intensive prosesser (i stedet for omfattende) basert på målrettet, grunnleggende forskning (med produsenter av antibiotika, enzymer, aminosyrer, vitaminer).

2. Skaffe superprodusenter.

3. Opprettelse av ulike produkter, nødvendig for en person, basert på genteknologier.

4. Skapelse av uvanlige organismer som ikke tidligere fantes i naturen.

5. Utvikling og implementering av spesialutstyr for bioteknologiske systemer.

6. Automatisering og databehandling av bioteknologiske produksjonsprosesser med maksimal bruk av råvarer og minimalt energiforbruk.

De ovennevnte prestasjonene innen bioteknologi blir for tiden implementert i nasjonal økonomi og vil bli satt ut i livet i løpet av de neste 10-15 årene. I overskuelig fremtid vil nye hjørnesteiner innen bioteknologi bli definert og nye funn og fremskritt venter oss.

1.3. Biosystemer, objekter og metoder innen bioteknologi

Et av begrepene i bioteknologi er begrepet "biosystem". De generaliserte egenskapene til et biologisk (levende) system kan reduseres til tre hovedtrekk som er iboende i dem:

1. Levende systemer er heterogene åpne systemer som utveksler stoffer og energi med miljøet.

2. Disse systemene er selvstyrende, selvregulerende, interaktive, d.v.s. i stand til å utveksle informasjon med omgivelsene for å opprettholde deres struktur og kontrollere metabolske prosesser.

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

I henhold til deres struktur er biosystemer delt inn i elementer (undersystemer) sammenkoblet og preget av en kompleks organisasjon (atomer, molekyler, organeller, celler, organismer, populasjoner, samfunn).

Kontroll i en celle er en kombinasjon av prosessene for syntese av protein-enzymmolekyler som er nødvendige for å utføre en bestemt funksjon, og kontinuerlige prosesser med endringer i aktivitet under interaksjonen av triplett-DNA-koder i kjernen og makromolekyler i ribosomer. Styrking og hemming av enzymatisk aktivitet skjer avhengig av mengden initiale og sluttprodukter av de tilsvarende biokjemiske reaksjonene. Takket være denne komplekse organisasjonen skiller biosystemer seg fra alle ikke-levende objekter.

Atferden til et biosystem er helheten av dets reaksjoner som respons på ytre påvirkninger, dvs. Den vanligste oppgaven til kontrollsystemene til levende organismer er å bevare energigrunnlaget under skiftende miljøforhold.

N.M. Amosov deler alle biosystemer inn i fem hierarkiske nivåer av kompleksitet: encellede organismer, flercellede organismer, populasjoner, biogeocenose og biosfære.

Encellede organismer inkluderer virus, bakterier og protozoer. Encellede organismers funksjoner er utveksling av materie og energi med omgivelsene, vekst og deling, reaksjoner på ytre stimuli i form av endringer i metabolisme og bevegelsesform. Alle funksjoner til encellede organismer støttes gjennom biokjemiske prosesser av enzymatisk natur og gjennom energimetabolisme - fra metoden for å skaffe energi til syntese av nye strukturer eller nedbryting av eksisterende. Den eneste mekanismen til encellede organismer som sikrer deres tilpasning til miljøet er mekanismen for endringer i individuelle DNA-gener og, som en konsekvens, endringer i enzymproteiner og endringer i biokjemiske reaksjoner.

Grunnlaget for en systematisk tilnærming til analyse av strukturen til biosystemer er dens representasjon i form av to komponenter - energi og kontroll.

I fig. 1. viser et generalisert skjematisk diagram av energi- og informasjonsstrømmer i ethvert biosystem. Hovedelementet er energikomponenten, utpekt gjennom MS (metabolsk system), og kontrollkomponenten, utpekt gjennom P (genetisk og fysiologisk kontroll) og overføring av kontrollsignaler til effektorer (E). En av hovedfunksjonene til det metabolske systemet er å forsyne biosystemer med energi.

Ris. 1. Strømmer av energi og informasjon i biosystemet.

Strukturen til biosystemene opprettholdes av genetiske kontrollmekanismer. Mottak av energi og informasjon fra andre systemer i form av metabolske produkter (matabolitter), og under dannelsesperioden - i form av hormoner, kontrollerer det genetiske systemet prosessen med syntese av nødvendige stoffer og støtter den vitale aktiviteten til andre kroppssystemer, og prosessene i dette systemet går ganske sakte.

Til tross for mangfoldet av biosystemer, forblir forholdet mellom deres biologiske egenskaper invariable for alle organismer. I komplekst system mulighetene for tilpasning er mye større enn i enkle situasjoner. I et enkelt system leveres disse funksjonene av et lite antall mekanismer, og de er mer følsomme for endringer i det ytre miljøet.

Biosystemer kjennetegnes av kvalitativ heterogenitet, som manifesterer seg i det faktum at innenfor samme funksjonelle biosystem fungerer delsystemer med kvalitativt forskjellige tilstrekkelige kontrollsignaler (kjemiske, fysiske, informasjonsmessige) sammen og harmonisk.

Hierarkiet av biosystemer manifesteres i den gradvise komplikasjonen av en funksjon på ett nivå i hierarkiet og en brå overgang til en kvalitativt forskjellig funksjon på neste nivå i hierarkiet, så vel som i den spesifikke konstruksjonen av ulike biosystemer, deres analyse og kontroll i en slik sekvens at den endelige utgangsfunksjonen til det underliggende hierarkinivået er inkludert som et element til det høyere nivået.

Konstant tilpasning til miljøet og evolusjonen er umulig uten enheten av to motstridende egenskaper: strukturell-funksjonell organisering og strukturell-funksjonell sannsynlighet, stokastisitet og variabilitet.

Strukturell og funksjonell organisering manifesterer seg på alle nivåer av biosystemer og er preget av høy stabilitet av den biologiske arten og dens form. På makromolekylnivå sikres denne egenskapen ved replikering av makromolekyler, på cellenivå - ved deling, på individ- og populasjonsnivå - ved reproduksjon av individer gjennom reproduksjon.

Som biologiske objekter eller systemer som bioteknologien bruker, er det først nødvendig å navngi encellede mikroorganismer, samt dyre- og planteceller. Valget av disse objektene bestemmes av følgende punkter:

1. Celler er en slags "biofabrikker" som produserer ulike verdifulle produkter i livets prosess: proteiner, fett, karbohydrater, vitaminer, nukleinsyrer, aminosyrer, antibiotika, hormoner, antistoffer, antigener, enzymer, alkoholer osv. Mange av disse produktene som er ekstremt nødvendige i menneskers liv, er ennå ikke tilgjengelige for produksjon med "ikke-bioteknologiske" metoder på grunn av mangel på eller høye kostnader for råvarer
eller kompleksiteten til teknologiske prosesser;

2. Celler formerer seg ekstremt raskt. Dermed deler en bakteriecelle seg hvert 20. - 60. minutt, en gjærcelle deler seg hver 1.5. - 2. time, en dyrecelle deler seg hvert 24. time, noe som gjør det mulig å kunstig øke enorme mengder biomasse i industriell skala på relativt kort tid på relativt billige og ikke-mangelfulle næringsmedier mikrobielle, dyre- eller planteceller. For eksempel, i en bioreaktor med en kapasitet på 100 m 3, kan 10" 6 - 10 18 mikrobielle celler dyrkes på 2 - 3 dager. I løpet av cellenes levetid, når de dyrkes, kommer det inn en stor mengde verdifulle produkter miljøet, og selve cellene er lagerhus for disse produktene;

3. Biosyntese av komplekse stoffer som proteiner, antibiotika, antigener, antistoffer osv. er mye mer økonomisk og teknologisk tilgjengelig enn kjemisk syntese. Samtidig er de første råvarene for biosyntese som regel enklere og mer tilgjengelige enn råvarer for andre
typer syntese. For biosyntese brukes avfall fra landbruk, fiskeri, næringsmiddelindustri, planteråvarer (myse, gjær, tre, melasse, etc.).

4. Muligheten for å gjennomføre den bioteknologiske prosessen i industriell skala, d.v.s. tilgjengelighet av passende teknologisk utstyr, tilgjengelighet av råvarer, prosesseringsteknologier, etc.

Dermed har naturen gitt forskere et levende system som inneholder og syntetiserer unike komponenter, og først av alt nukleinsyrer, med oppdagelsen av hvilke bioteknologi og verdensvitenskap som helhet begynte å utvikle seg raskt.

Objekter for bioteknologi er virus, bakterier, sopp, protozoiske organismer, celler (vev) fra planter, dyr og mennesker, stoffer av biologisk opprinnelse (for eksempel enzymer, prostaglandiner, lektiner, nukleinsyrer), molekyler.

I denne forbindelse kan vi si at bioteknologiobjekter relaterer seg enten til mikroorganismer eller til plante- og dyreceller. På sin side kan kroppen karakteriseres som et system med økonomisk, kompleks, kompakt, målrettet syntese, jevnt og aktivt fortsetter med optimal vedlikehold av alle nødvendige parametere.

Metodene som brukes i bioteknologi er bestemt på to nivåer: cellulært og molekylært. Begge er bestemt av bi-objekter.

I det første tilfellet omhandler de bakterieceller (for å skaffe vaksinepreparater), actinomycetes (for å skaffe antibiotika), mikromyceter (for å skaffe sitronsyre), dyreceller (ved produksjon av antivirale vaksiner), humane celler (ved produksjon av interferon), etc.

I det andre tilfellet omhandler de molekyler, for eksempel nukleinsyrer. I sluttfasen blir imidlertid molekylnivået transformert til cellenivå. Dyre- og planteceller, mikrobielle celler i ferd med livsaktivitet (assimilering og dissimilering) danner nye produkter og skiller ut metabolitter med ulik fysisk og kjemisk sammensetning og biologiske effekter.

Når en celle vokser, oppstår et stort antall enzymkatalyserte reaksjoner i den, noe som resulterer i dannelsen av mellomliggende forbindelser, som igjen blir omdannet til cellestrukturer. Mellomforbindelsene, byggesteinene, inkluderer 20 aminosyrer, 4 ribonukleotider, 4 deoksyribonukleotider, 10 vitaminer, monosakkarider, fettsyrer og heksosaminer. Fra disse "klossene" bygges "blokker": ca. 2000 proteiner, DNA, tre typer RNA, polysakkarider, lipider, enzymer. De resulterende "blokkene" brukes til konstruksjon av cellulære strukturer: kjerne, ribosomer, membran, cellevegg, mitokondrier, flageller, etc., som utgjør cellen.

På hvert stadium av den "biologiske syntesen" av en celle er det mulig å identifisere de produktene som kan brukes i bioteknologi.

Vanligvis er encellede produkter delt inn i 4 kategorier:

a) selve cellene som en kilde til målproduktet. For eksempel blir dyrkede bakterier eller virus brukt til å produsere levende eller drepte korpuskulære vaksiner; gjær, som fôrprotein eller grunnlag for å oppnå hydrolysater av næringsmedier, etc.;

b) store molekyler som syntetiseres av celler under vekstprosessen: enzymer, toksiner, antigener, antistoffer, peptidoglykaner, etc.;

c) primære metabolitter - lavmolekylære stoffer (mindre enn 1500 dalton) som er nødvendige for cellevekst, slik som aminosyrer, vitaminer, nukleotider, organiske syrer;

d) sekundære metabolitter (idiolitter) - lavmolekylære forbindelser som ikke er nødvendige for cellevekst: antibiotika, alkaloider, giftstoffer, hormoner.

Alle mikroobjekter som brukes i bioteknologi er klassifisert som akaryoter, pro- eller eukaryoter. Fra gruppen av eukaryoter, for eksempel, opererer den som biologiske objekter med cellene til protozoer, alger og sopp, fra gruppen av prokaryoter - med cellene til blågrønne alger og bakterier, og akaryoter - med virus.

Biologiske objekter fra mikrokosmos varierer i størrelse fra nanometer (virus, bakteriofager) til millimeter og centimeter (gigantiske alger) og karakteriseres relativt raskt tempo reproduksjon. I den moderne farmasøytiske industrien brukes et gigantisk utvalg av biologiske objekter, hvis gruppering er svært kompleks og best kan gjøres på grunnlag av prinsippet om deres proporsjonalitet.

Et stort sett med bioobjekter uttømmer ikke hele den elementære basen som bioteknologien opererer med. Nylige fremskritt innen biologi og genteknologi har ført til fremveksten av helt nye biologiske objekter - transgene (genmodifiserte) bakterier, virus, sopp, planter, dyr, menneskeceller og kimærer.

Selv om medlemmer av alle superriker inneholder genetisk materiale, mangler forskjellige akaryoter en hvilken som helst type nukleinsyre (RNA eller DNA). De er ikke i stand til å fungere (inkludert replikere) utenfor en levende celle, og derfor er det legitimt å kalle dem atomfrie. Virusparasittisme utvikler seg på genetisk nivå.

Med en målrettet undersøkelse av ulike økologiske nisjer identifiseres nye grupper av produserende mikroorganismer nyttige stoffer, som kan brukes i bioteknologi. Antall mikroorganismearter som brukes i bioteknologi vokser stadig.

Når du velger et biologisk objekt, må i alle tilfeller prinsippet om produksjonsevne overholdes. Hvis således egenskapene til en biologisk gjenstand ikke blir bevart eller gjennomgår betydelige endringer under mange dyrkingssykluser, bør denne biologiske gjenstanden betraktes som lavteknologisk, dvs. uakseptabelt for teknologisk utvikling etter stadiet av laboratorieforskning.

Med utviklingen av bioteknologi blir spesialiserte banker av biologiske objekter av stor betydning, spesielt samlinger av mikroorganismer med studerte egenskaper, samt kryobanker av dyre- og planteceller, som allerede nå, ved hjelp av spesielle metoder, med hell kan brukes til å konstruere nye organismer som er nyttige for bioteknologi. Faktisk er slike spesialiserte avlingsbanker ansvarlige for å bevare en ekstremt verdifull genpool.

Kultursamlinger spiller en viktig rolle i den juridiske beskyttelsen av nye avlinger og i standardiseringen av bioteknologiske prosesser. Samlingene utfører bevaring, vedlikehold og tilførsel av mikroorganismer med stammer, plasmider, fager, cellelinjer for både vitenskapelig og anvendt forskning, og for relevant produksjon. Kultursamlinger, i tillegg til hovedoppgaven deres - å sikre levedyktigheten og bevaringen av de genetiske egenskapene til stammer - bidrar til utviklingen av vitenskapelig forskning (innen taksonomi, cytologi, fysiologi), og tjener også pedagogiske formål. De utfører en uunnværlig funksjon som depot for patenterte stammer. I henhold til internasjonale regler kan ikke bare effektive produsenter, men også avlinger som brukes i genteknologi patenteres og deponeres.

Forskere legger stor vekt på målrettet opprettelse av nye biologiske objekter som ikke eksisterer i naturen. Først av alt bør det bemerkes etableringen av nye celler av mikroorganismer, planter, dyr ved hjelp av genteknologiske metoder. Opprettelsen av nye biologiske gjenstander blir selvfølgelig tilrettelagt av forbedringen av juridisk beskyttelse av oppfinnelser innen genteknologi og bioteknologi generelt. Det er dannet en retning som omhandler konstruksjon av kunstige celler. For tiden finnes det metoder som gjør det mulig å oppnå kunstige celler ved bruk av ulike syntetiske og biologiske materialer, for eksempel en kunstig cellemembran med en gitt permeabilitet og overflateegenskaper. Noen materialer kan være inne i slike celler: enzymsystemer, celleekstrakter, biologiske celler, magnetiske materialer, isotoper, antistoffer, antigener, hormoner osv. Bruken av kunstige celler har gitt positive resultater i produksjonen av interferoner og monoklonale antistoffer, i opprettelse av immunosorbenter, etc.

Tilnærminger for å lage kunstige enzymer og enzymanaloger med økt stabilitet og aktivitet utvikles. For eksempel utføres syntesen av polypeptider med ønsket stereokonfigurasjon, og metoder for målrettet mutagenese blir søkt etter for å erstatte en aminosyre med en annen i enzymmolekylet. Det gjøres forsøk på å konstruere ikke-enzymatiske katalytiske modeller.

Følgende grupper av biologiske objekter bør identifiseres som de mest lovende:

Rekombinanter, dvs. organismer oppnådd ved genteknologi;

Plante- og dyrevevsceller;

Termofile mikroorganismer og enzymer;

Anaerobe organismer;

Foreninger for transformasjon av komplekse underlag;

Immobiliserte biologiske gjenstander.

Prosessen med å kunstig lage et biologisk objekt (mikroorganisme eller vevscelle) består i å endre dens genetiske informasjon for å eliminere uønskede og forbedre de ønskede egenskapene eller gi den helt nye kvaliteter. De mest målrettede endringene kan gjøres gjennom rekombinasjon - redistribuere gener eller deler av gener og kombinere genetisk informasjon fra to eller flere organismer i en organisme. Spesielt produksjonen av rekombinante organismer kan oppnås ved protoplastfusjon, ved overføring av naturlige plasmider og ved genteknologiske metoder.

På dette stadiet av bioteknologisk utvikling inkluderer ikke-tradisjonelle biologiske midler plante- og dyrevevsceller, inkludert hybridomer og transplantasjoner. Pattedyrcellekulturer produserer allerede interferon og virale vaksiner i nær fremtid, storskala produksjon av monoklonale antistoffer, overflateantigener av humane celler og angiogene faktorer.

Med utviklingen av bioteknologiske metoder vil økende oppmerksomhet rettes mot bruken av termofile mikroorganismer og deres enzymer.

Enzymer produsert av termofile mikroorganismer er preget av termisk stabilitet og høyere motstand mot denaturering sammenlignet med enzymer fra mesofiler. Å utføre bioteknologiske prosesser ved høye temperaturer ved bruk av enzymer fra termofile mikroorganismer har en rekke fordeler:

1) reaksjonshastigheten øker;

2) løseligheten av reagenser øker og, på grunn av dette, produktiviteten til prosessen;

3) muligheten for mikrobiell forurensning av reaksjonsmediet reduseres.

Det er en gjenoppblomstring i bioteknologiske prosesser ved bruk av anaerobe mikroorganismer, som ofte også er termofile. Anaerobe prosesser tiltrekker seg oppmerksomhet fra forskere på grunn av mangel på energi og muligheten for å produsere biogass. Siden anaerob dyrking ikke krever lufting av miljøet og biokjemiske prosesser er mindre intense, er varmefjerningssystemet forenklet, anaerobe prosesser kan betraktes som energibesparende.

Anaerobe mikroorganismer brukes med suksess til å behandle avfall (plantebiomasse, næringsavfall, husholdningsavfall, etc.) og avløpsvann (husholdnings- og industriavløpsvann, gjødsel) til biogass.

De siste årene har bruken av blandingskulturer av mikroorganismer og deres naturlige assosiasjoner vært økende. I en reell biologisk situasjon i naturen eksisterer mikroorganismer i form av samfunn av forskjellige populasjoner, nært forbundet med hverandre og utfører sirkulasjonen av stoffer i naturen.

De viktigste fordelene med blandede avlinger sammenlignet med monokulturer er som følger:

Evnen til å utnytte komplekse, heterogene substrater, ofte uegnet for monokulturer;

Evne til å mineralisere komplekse organiske forbindelser;

Økt evne til biotransformasjon av organiske stoffer;

Økt motstand mot giftige stoffer, inkludert tungmetaller;

Økt motstand mot miljøpåvirkninger;

Økt produktivitet;

Mulig utveksling av genetisk informasjon mellom individuelle arter i samfunnet.

Spesiell oppmerksomhet bør rettes mot en slik gruppe biologiske gjenstander som enzymkatalysatorer av biologisk opprinnelse, hvis studie i det anvendte aspektet utføres av ingeniørenzymologi. Hovedoppgaven er utviklingen av bioteknologiske prosesser som bruker den katalytiske virkningen av enzymer, vanligvis isolert fra biologiske systemer eller plassert inne i celler som er kunstig fratatt evnen til å vokse. Takket være enzymer øker reaksjonshastigheten sammenlignet med reaksjoner som skjer i fravær av disse katalysatorene med 10 b - 10 12 ganger.

Immobiliserte biologiske objekter bør skilles ut som en egen gren av opprettelse og bruk av biologiske objekter. En immobilisert gjenstand er et harmonisk system, hvis handling generelt bestemmes av riktig valg av tre hovedkomponenter: en biologisk gjenstand, en bærer og en metode for å binde gjenstanden til bæreren.

Følgende grupper av metoder for å mobilisere biologiske objekter brukes hovedsakelig:

Inkludering i geler, mikrokapsler;

Adsorpsjon på uløselige bærere;

Kovalent binding til bæreren;

Tverrbinding med bifunksjonelle reagenser uten bruk av bærer;

- "selvaggregering" når det gjelder intakte celler.

De viktigste fordelene ved å bruke immobiliserte biologiske gjenstander er:

Høy aktivitet;

Evne til å kontrollere agentens mikromiljø;

muligheten for fullstendig og rask separasjon av målprodukter;

Mulighet for å organisere kontinuerlige prosesser med gjentatt bruk av et objekt.

Som det følger av ovenstående, i bioteknologiske prosesser er det mulig å bruke en rekke biologiske objekter preget av forskjellige nivåer av kompleksitet av biologisk regulering, for eksempel cellulær, subcellulær, molekylær. Tilnærmingen til å skape hele det bioteknologiske systemet som helhet avhenger direkte av egenskapene til et bestemt biologisk objekt.

Som et resultat av grunnleggende biologisk forskning, utdypes og utvides kunnskap om naturen og dermed om mulighetene for anvendt bruk av et bestemt biologisk system som et aktivt prinsipp i en bioteknologisk prosess. Settet med biologiske objekter oppdateres kontinuerlig.

1.4. Hovedretninger for utvikling av metoderbioteknologi i veterinærmedisin

I løpet av de siste 40 - 50 årene har de fleste vitenskaper utviklet seg med stormskritt, noe som har ført til en fullstendig revolusjon innen produksjon av veterinær- og medisinsk biologiske produkter, skapelse av transgene planter og dyr med spesifiserte unike egenskaper. Slik forskning er et prioritert område for vitenskapelig og teknologisk fremgang i det 21. århundre. vil ta en ledende plass blant alle vitenskaper.

Selv en enkel liste over kommersielle former for biologiske produkter indikerer bioteknologiens ubegrensede muligheter. Denne viktige saken fortjener imidlertid noen detaljer.

Etter vårt syn er bioteknologiens evner spesielt imponerende på tre hovedområder.

Den første er storskala produksjon av mikrobielt protein til fôrformål (først basert på trehydrolysater, og deretter basert på petroleumshydrokarboner).

En viktig rolle spilles av produksjonen av essensielle aminosyrer som er nødvendige for en balansert aminosyresammensetning av fôrtilsetningsstoffer.

I tillegg til fôrprotein, aminosyrer, vitaminer og andre fôrtilsetningsstoffer som øker næringsverdien i fôret, utvides mulighetene for masseproduksjon og bruk av virale og bakterielle preparater for forebygging av sykdommer hos fugler og husdyr raskt, effektiv kamp med skadedyr av landbruksplanter. Mikrobiologiske preparater, i motsetning til mange kjemiske, har en svært spesifikk effekt på skadelige insekter og fytopatogene mikroorganismer de er ufarlige for mennesker og dyr, fugler og nytteinsekter. Sammen med direkte ødeleggelse av skadedyr i behandlingsperioden virker de på avkommet, reduserer fruktbarheten og forårsaker ikke dannelsen av resistente former for skadelige organismer.

Potensialet til bioteknologi i produksjon av enzympreparater for bearbeiding av landbruksråvarer og etablering av nytt fôr til husdyr er enormt.

Den andre retningen er utviklingen av hensyn til utviklingen av biologisk vitenskap, helsevesen og veterinærmedisin. Basert på prestasjonene innen genteknologi og molekylærbiologi, kan bioteknologi gi helsevesenet svært effektive vaksiner og antibiotika, monoklonale antistoffer, interferon, vitaminer, aminosyrer, samt enzymer og andre biologiske produkter for forsknings- og terapeutiske formål. Noen av disse stoffene er allerede vellykket brukt ikke bare i vitenskapelige eksperimenter, men også i praktisk medisin og veterinærmedisin.

Til slutt er den tredje retningen utviklingen for industrien. Allerede i dag blir produktene fra bioteknologisk produksjon konsumert eller brukt av mat- og lettindustri (enzymer), metallurgi (bruk av visse stoffer i prosessene med flotasjon, presisjonsstøping, presisjonsvalsing), olje- og gassindustrien (bruken). av en rekke medikamenter kompleks behandling plante- og mikrobiell biomasse under brønnboring, selektiv rensing etc.), gummi- og malings- og lakkindustri (forbedring av kvaliteten på syntetisk gummi gjennom visse proteintilsetningsstoffer), samt en rekke andre industrier.

Aktivt utviklende områder innen bioteknologi inkluderer bioelektronikk og bioelektrokjemi, bionikk og nanoteknologi, som bruker enten biologiske systemer eller driftsprinsippene til slike systemer.

Enzymholdige sensorer er mye brukt i vitenskapelig forskning. Basert på dem er det utviklet en rekke enheter, for eksempel billige, nøyaktige og pålitelige instrumenter for analyse. Bioelektroniske immunosensorer dukker også opp, og noen av dem bruker felteffekten til transistorer. Basert på dem er det planlagt å lage relativt billige enheter som er i stand til å bestemme og opprettholde på et gitt nivå konsentrasjonen av et bredt spekter av stoffer i kroppsvæsker, noe som kan forårsake en revolusjon innen biologisk diagnostikk.

Prestasjoner innen veterinær bioteknologi. I Russland begynte bioteknologi som vitenskap å utvikle seg i 1896. Drivkraften var behovet for å lage forebyggende og terapeutiske midler mot sykdommer som miltbrann, kvegpest, rabies, munn- og klovsyke og trikinose. På slutten av 1800-tallet. Hvert år døde mer enn 50 tusen dyr og 20 tusen mennesker av miltbrann. For 1881 - 1906 3,5 millioner kyr døde av pesten. Betydelige skader ble forårsaket av kjertel, som tok livet av hester og mennesker.

Suksessen til innenlandsk veterinærvitenskap og praksis med å utføre spesifikk forebygging av infeksjonssykdommer er assosiert med store vitenskapelige funn gjort på slutten av 1800- og begynnelsen av 1900-tallet. Dette gjaldt utvikling og innføring i veterinærpraksis av forebyggende og diagnostiske legemidler mot karantene og spesielt farlige dyresykdommer (vaksiner mot miltbrann, pest, rabies, allergener for diagnostisering av tuberkulose, kjertel, etc.). Muligheten for å lage terapeutiske og diagnostiske hyperimmune serum er vitenskapelig bevist.

Denne perioden markerer den faktiske organiseringen av en uavhengig biologisk industri i Russland.

Siden 1930 begynte de eksisterende veterinærbakteriologiske laboratoriene og instituttene i Russland å utvide seg betydelig, og på grunnlag av dem begynte byggingen av store biologiske fabrikker og biologiske planter for produksjon av vaksiner, serum og diagnostikk for veterinærformål. I denne perioden utvikles teknologiske prosesser, vitenskapelig og teknologisk dokumentasjon, samt enhetlige metoder (standarder) for produksjon, kontroll og bruk av legemidler i husdyrhold og veterinærmedisin.

På 30-tallet ble de første fabrikkene bygget for å produsere fôrgjær fra trehydrolysater, landbruksavfall og sulfittluter under ledelse av V.N. Teknologien for mikrobiologisk produksjon av aceton og butanol er vellykket introdusert (fig. 2).

Hans undervisning om tofase-naturen til gjæring spilte en stor rolle i å skape grunnlaget for innenlandsk bioteknologi. I 1926 ble de bioenergetiske mønstrene for hydrokarbonoksidasjon av mikroorganismer studert i USSR. I de påfølgende årene ble bioteknologisk utvikling mye brukt i vårt land for å utvide "utvalget" av antibiotika for medisin og husdyrhold, enzymer, vitaminer, vekststoffer og plantevernmidler.

Siden opprettelsen av All-Union Scientific Research Institute of Biosynthesis of Protein Substances i 1963, har storskala produksjon blitt etablert i vårt land rik på proteiner biomasse av mikroorganismer som fôr.

I 1966 ble den mikrobiologiske industrien skilt ut i en egen industri og hoveddirektoratet for den mikrobiologiske industrien under USSRs ministerråd - Glavmicrobioprom - ble opprettet.

Siden 1970 har det vært utført intensiv forskning i vårt land på valg av mikroorganismekulturer for kontinuerlig dyrking til industrielle formål.

Sovjetiske forskere ble involvert i utviklingen av genteknologiske metoder i 1972. Det skal bemerkes at "Revertase" -prosjektet ble vellykket implementert i USSR - produksjon av enzymet "revers transcriptase" i industriell skala.

Utviklingen av metoder for å studere strukturen til proteiner, klargjøring av mekanismene for funksjon og regulering av enzymaktivitet åpnet veien for målrettet modifikasjon av proteiner og førte til fødselen av ingeniørenzyologi. Svært stabile immobiliserte enzymer er i ferd med å bli et kraftig verktøy for katalytiske reaksjoner i ulike bransjer.

Alle disse prestasjonene har brakt bioteknologi til et nytt nivå, kvalitativt forskjellig fra den forrige med evnen til bevisst å kontrollere cellulære biosynteseprosesser.

I løpet av årene med dannelse av industriell produksjon av biologiske legemidler i vårt land har det skjedd betydelige kvalitative endringer i bioteknologiske metoder for produksjon:

Det er utført forskning for å oppnå vedvarende, arvelig fikserte, avirulente stammer av mikroorganismer som det fremstilles levende vaksiner fra;

Nye næringsmedier er utviklet for dyrking av mikroorganismer, inkludert de som er basert på hydrolysater og ekstrakter fra ikke-matråvarer;

Høykvalitets mysenæringsmedier for Leptospira og andre vanskelig dyrkede mikroorganismer er oppnådd;

Det er utviklet en dypreaktormetode for dyrking av mange typer bakterier, sopp og enkelte virus;

Nye stammer og cellelinjer som er følsomme for mange virus har blitt oppnådd, noe som har muliggjort fremstilling og produksjon av standard og mer aktive antivirale vaksiner;

Alle produksjonsprosesser er mekaniserte og automatiserte;

Moderne metoder for å konsentrere mikrobielle kulturer og frysetørking av biologiske produkter er utviklet og introdusert i produksjonen;

Energikostnadene per produksjonsenhet er redusert, kvaliteten på biologiske produkter er standardisert og forbedret;

Kulturen for produksjon av biologiske produkter har blitt forbedret.

Med stor oppmerksomhet til utviklingen av veterinærbiologiske produkter for forebygging, diagnostisering av smittsomme sykdommer og behandling av syke dyr, jobber landet vårt kontinuerlig med å forbedre industriell teknologi og mestre produksjonen av mer effektive, billigere og standardmedisiner. Hovedkravene er:

Bruke global erfaring;

Spare ressurser;

Bevaring av produksjonsområder;

Kjøp og installasjon av moderne utstyr og teknologiske linjer;

Utføre vitenskapelig forskning på utvikling og oppdagelse av nye typer bioprodukter, nye og billige oppskrifter for tilberedning av næringsmedier;

Finne mer aktive stammer av mikroorganismer i forhold til deres antigene, immunogene og produktive egenskaper.

Federal State Educational Institute of Higher Professional Education "Moskva statlig akademi veterinærmedisin og bioteknologi oppkalt etter. K.I. Skryabian"

Abstrakt om bioteknologi

"Forelesning nr. 1"

Fullførte arbeidet

FVM-student

4 kurs, 11 grupper

Gordon Maria

Disiplinen som studerer hvordan organismer brukes til å løse teknologiske problemer er hva bioteknologi er. Enkelt sagt er det en vitenskap som studerer levende organismer på jakt etter nye måter å møte menneskelige behov. For eksempel er genteknologi eller kloning nye disipliner som bruker både organismer og de nyeste datateknologiene med lik aktivitet.

Bioteknologi: i korte trekk

Svært ofte forveksles begrepet "bioteknologi" med genteknologi, som oppsto i det 20.–21. århundre, men bioteknologi refererer til en bredere spesifisitet av arbeidet. Bioteknologi spesialiserer seg på å modifisere planter og dyr gjennom hybridisering og kunstig seleksjon for menneskelige behov.

Denne disiplinen har gitt menneskeheten muligheten til å forbedre kvaliteten på matprodukter, øke forventet levealder og produktiviteten til levende organismer – det er det bioteknologi er.

Fram til 70-tallet av forrige århundre ble dette begrepet utelukkende brukt i næringsmiddelindustrien og landbruket. Det var ikke før på 1970-tallet at forskere begynte å bruke begrepet "bioteknologi" i laboratorieforskning, som å dyrke levende organismer i reagensrør eller lage rekombinant DNA. Denne disiplinen er basert på vitenskaper som genetikk, biologi, biokjemi, embryologi, samt robotikk, kjemisk og informasjonsteknologi.

Basert på nye vitenskapelige og teknologiske tilnærminger er det utviklet bioteknologiske metoder, som består av to hovedposisjoner:

• Storskala og dypdyrking av biologiske gjenstander i en periodisk kontinuerlig modus.
• Dyrking av celler og vev under spesielle forhold.

Nye bioteknologiske metoder gjør det mulig å manipulere gener, skape nye organismer eller endre egenskapene til eksisterende levende celler. Dette gjør det mulig å utnytte potensialet til organismer mer omfattende og letter menneskelig økonomisk aktivitet.

Bioteknologiens historie

Uansett hvor rart det høres ut, har bioteknologi sin opprinnelse fra en fjern fortid, da folk akkurat begynte å engasjere seg i vinproduksjon, baking og andre matlagingsmetoder. For eksempel var den bioteknologiske prosessen med gjæring, der mikroorganismer deltok aktivt, kjent tilbake i det gamle Babylon, hvor den ble mye brukt.

Bioteknologi begynte å bli betraktet som en vitenskap først på begynnelsen av 1900-tallet. Grunnleggeren var den franske vitenskapsmannen, mikrobiologen Louis Pasteur, og selve begrepet ble først introdusert i bruk av den ungarske ingeniøren Karl Ereki (1917). 1900-tallet var preget av den raske utviklingen av molekylærbiologi og genetikk, der prestasjonene fra kjemi og fysikk ble aktivt brukt. Et av hovedstadiene i forskningen var utviklingen av metoder for dyrking av levende celler. Opprinnelig begynte bare sopp og bakterier å bli dyrket til industrielle formål, men etter flere tiår kan forskere lage hvilke som helst celler og kontrollere deres utvikling fullstendig.

På begynnelsen av 1900-tallet utviklet gjærings- og mikrobiologiindustrien seg aktivt. På dette tidspunktet ble de første forsøkene gjort på å etablere produksjon av antibiotika. De første matkonsentratene er under utvikling, nivået av enzymer i animalske produkter overvåkes og planteopprinnelse. I 1940 klarte forskere å skaffe det første antibiotika - penicillin. Dette ble drivkraften for utviklingen av industriell produksjon av legemidler en hel gren av farmasøytisk industri, som representerer en av cellene i moderne bioteknologi.

I dag brukes bioteknologi i næringsmiddelindustrien, medisin, landbruk og mange andre områder av menneskelig aktivitet. Følgelig mange nye vitenskapelige retninger med prefikset "bio".

Bioengineering

På spørsmål om hva bioteknologi er, vil flertallet av befolkningen uten tvil svare at det ikke er noe annet enn genteknologi. Dette er delvis sant, men ingeniørfag er bare en del av den brede disiplinen bioteknologi.

Bioengineering er en disiplin hvis hovedaktivitet er rettet mot å forbedre menneskers helse ved å kombinere kunnskap fra fagområdene ingeniørfag, medisin, biologi og anvende dem i praksis. Det fulle navnet på denne disiplinen er biomedisinsk ingeniørfag. Hennes hovedspesialisering er løsninger medisinske problemer. Bruken av bioteknologi i medisinen gjør det mulig å modellere, utvikle og studere nye stoffer, utvikle legemidler, og til og med redde en person fra medfødte sykdommer som overføres via DNA. Spesialister på dette feltet kan lage enheter og utstyr for å utføre nye prosedyrer. Takket være bruken av bioteknologi i medisin er det utviklet kunstige ledd, pacemakere, hudproteser og hjerte-lungemaskiner. Ved hjelp av nye datateknologier kan bioingeniører lage proteiner med nye egenskaper ved hjelp av datasimuleringer.

Biomedisin og farmakologi

Utviklingen av bioteknologi har gjort det mulig å se på medisin på en ny måte. Ved å utvikle et teoretisk grunnlag om menneskekroppen, har spesialister på dette feltet mulighet til å bruke nanoteknologi for å endre biologiske systemer. Utviklingen av biomedisin har gitt impulser til fremveksten av nanomedisin, hvis hovedaktivitet er å overvåke, korrigere og designe levende systemer på molekylært nivå. For eksempel målrettet utlevering av medisiner. Dette er ikke kurer levering fra apoteket til hjemmet, og overføring av stoffet direkte til den syke cellen i kroppen.

Biofarmakologi er også i utvikling. Den studerer effektene stoffer av biologisk eller bioteknologisk opprinnelse har på kroppen. Forskning innen dette kunnskapsområdet fokuserer på studiet av biofarmasøytiske midler og utvikling av metoder for deres opprettelse. I biofarmakologi legemidler hentet fra levende biologiske systemer eller kroppsvev.

Bioinformatikk og bionikk

Men bioteknologi er ikke bare studiet av molekyler av vev og celler fra levende organismer, det er også anvendelsen av datateknologi. Dermed finner bioinformatikk sted. Den inkluderer et sett med tilnærminger som:

• Genomisk bioinformatikk. Det vil si dataanalysemetoder som brukes i komparativ genomikk.
• Strukturell bioinformatikk. Utvikling av dataprogrammer som forutsier den romlige strukturen til proteiner.
• Beregning. Lage beregningsmetoder som kan kontrollere biologiske systemer.

I denne disiplinen brukes metoder for matematikk, statistisk databehandling og informatikk sammen med biologiske metoder. Akkurat som i biologien brukes teknikkene fra informatikk og matematikk, så også i eksakte vitenskaper i dag kan de bruke læren om organisering av levende organismer. Som i bionikk. Dette er en anvendt vitenskap hvor tekniske enheter prinsipper og strukturer for levende natur brukes. Vi kan si at dette er en slags symbiose av biologi og teknologi. Disiplinære tilnærminger innen bionikk vurderes fra nytt punkt visjon om både biologi og teknologi. Bionics ansett som lignende og særegne trekk disse disiplinene. Denne disiplinen har tre undertyper - biologisk, teoretisk og teknisk. Biologisk bionikk studerer prosessene som skjer i biologiske systemer. Teoretisk bionikkbygg matematiske modeller biosystemer Og teknisk bionikk bruker utviklingen av teoretisk bionikk for å løse ulike problemer.

Som du kan se, er prestasjonene til bioteknologi utbredt i moderne medisin og helsevesen, men dette er bare toppen av isfjellet. Som allerede nevnt begynte bioteknologi å utvikle seg fra det øyeblikket en person begynte å tilberede sin egen mat, og etter det ble den mye brukt i landbruket for å dyrke nye avlsavlinger og avle nye raser av husdyr.

Celleteknikk

En av de viktigste teknikkene innen bioteknologi er gen- og celleteknologi, som fokuserer på å skape nye celler. Ved hjelp av disse verktøyene har menneskeheten vært i stand til å skape levedyktige celler fra helt forskjellige elementer som tilhører forskjellige arter. Dermed skapes et nytt sett med gener som ikke finnes i naturen. Genteknologi gjør det mulig for en person å oppnå de ønskede egenskapene fra modifiserte plante- eller dyreceller.

Prestasjonene til genteknologi i landbruket er spesielt verdsatt. Dette gjør det mulig å dyrke planter (eller dyr) med forbedrede kvaliteter, såkalte selektive arter. Avlsaktivitet er basert på utvalg av dyr eller planter med uttalte gunstige egenskaper. Disse organismene blir deretter krysset og en hybrid oppnås med den nødvendige kombinasjonen av nyttige egenskaper. Selvfølgelig høres alt enkelt ut i ord, men å få den ønskede hybriden er ganske vanskelig. I virkeligheten er det mulig å få en organisme med bare ett eller noen få gunstige gener. Det vil si at bare noen få tilleggskvaliteter legges til kildematerialet, men selv dette gjorde det mulig å ta et stort skritt i utviklingen av landbruket.

Utvelgelse og bioteknologi har gjort det mulig for bøndene å øke avlingene, gjøre fruktene større, smakfullere og viktigst av alt, motstandsdyktige mot frost. Utvelgelse går ikke utenom husdyrsektoren. Hvert år dukker det opp nye husdyrraser, som kan gi mer husdyr og mat.

Prestasjoner

Forskere skiller tre bølger i etableringen av avlsplanter:

1. Sent på 80-tallet. Det var da forskerne først begynte å avle fram planter som var motstandsdyktige mot virus. For å gjøre dette tok de ett gen fra arter som kunne motstå sykdommer, "transplanterte" det inn i DNA-strukturen til andre planter og fikk det til å "fungere".
2. Tidlig på 2000-tallet. I løpet av denne perioden begynte det å lages planter med nye forbrukeregenskaper. For eksempel med høyt innhold av oljer, vitaminer o.l.
3. Dagene våre. I løpet av de neste 10 årene planlegger forskerne å bringe på markedet vaksineplanter, medikamentplanter og biogjenvinningsanlegg som skal produsere komponenter for plast, fargestoffer osv.

Selv innen dyrehold er løftet om bioteknologi spennende. Det har lenge vært skapt dyr som har et transgent gen, det vil si at de har et eller annet funksjonelt hormon, for eksempel veksthormon. Men dette var bare innledende eksperimenter. Forskning har resultert i transgene geiter som kan produsere et protein som stopper blødninger hos pasienter som lider av dårlig blodpropp.

På slutten av 90-tallet av forrige århundre begynte amerikanske forskere å jobbe tett med kloning av animalske embryoceller. Dette vil gjøre det mulig å dyrke husdyr i reagensrør, men foreløpig må denne metoden fortsatt forbedres. Men i xenotransplantasjon (transplantasjon av organer fra en art til en annen) har forskere innen anvendt bioteknologi oppnådd betydelig fremgang. For eksempel kan griser med det menneskelige genomet brukes som donorer, da er det minimal risiko for avvisning.

Matbioteknologi

Som allerede nevnt ble bioteknologiske forskningsmetoder i utgangspunktet brukt i matproduksjon. Yoghurt, surdeig, øl, vin, bakeriprodukter– Dette er produkter hentet ved hjelp av matbioteknologi. Dette forskningssegmentet involverer prosesser rettet mot å endre, forbedre eller skape spesifikke egenskaper ved levende organismer, spesielt bakterier. Spesialister på dette kunnskapsfeltet utvikler nye teknikker for produksjon av ulike matvarer. De leter etter og forbedrer mekanismer og metoder for deres forberedelse.

Maten en person spiser hver dag bør være rik på vitaminer, mineraler og aminosyrer. Men per i dag er det ifølge FN et problem med å gi folk mat. Nesten halvparten av befolkningen har ikke nok mat, 500 millioner er sultne, og en fjerdedel av verdens befolkning spiser ikke nok kvalitetsmat.

I dag er det 7,5 milliarder mennesker på planeten, og hvis det ikke iverksettes tiltak for å forbedre kvaliteten og kvantiteten på maten, hvis dette ikke gjøres, vil mennesker i utviklingsland få ødeleggende konsekvenser. Og hvis det er mulig å erstatte lipider, mineraler, vitaminer, antioksidanter med matbioteknologiske produkter, så er det nesten umulig å erstatte protein. Mer enn 14 millioner tonn protein hvert år er ikke nok til å dekke menneskehetens behov. Men det er her bioteknologien kommer til unnsetning. Moderne proteinproduksjon er basert på kunstig dannelse av proteinfibre. De er impregnert med de nødvendige stoffene, gitt form, passende farge og lukt. Denne tilnærmingen gjør det mulig å erstatte nesten hvilket som helst protein. Og smaken og utseendet er ikke forskjellig fra naturproduktet.

Kloning

Et viktig kunnskapsområde innen moderne bioteknologi er kloning. I flere tiår nå har forskere forsøkt å skape identiske avkom uten å ty til seksuell reproduksjon. Kloningsprosessen skal resultere i en organisme som ligner på forelderen ikke bare i utseende, men også i genetisk informasjon.

I naturen er kloningsprosessen vanlig blant noen levende organismer. Hvis en person føder eneggede tvillinger, kan de betraktes som naturlige kloner.

Kloning ble først utført i 1997, da sauen Dolly ble kunstig skapt. Og allerede på slutten av det tjuende århundre begynte forskere å snakke om muligheten for menneskelig kloning. I tillegg ble konseptet med delvis kloning utforsket. Det vil si at det er mulig å gjenskape ikke hele organismen, men dens individuelle deler eller vev. Hvis du forbedrer denne metoden, kan du få en "ideell donor." I tillegg vil kloning bidra til å bevare sjeldne dyrearter eller gjenopprette utdødde bestander.

Moralsk aspekt

Selv om det grunnleggende innen bioteknologi kan ha en avgjørende innvirkning på utviklingen av hele menneskeheten, blir denne vitenskapelige tilnærmingen dårlig mottatt av publikum. Det overveldende flertallet av moderne religiøse ledere (og noen forskere) prøver å advare bioteknologer mot å la seg rive med av forskningen deres. Dette er spesielt akutt når det gjelder spørsmål om genteknologi, kloning og kunstig reproduksjon.

På den ene siden ser bioteknologi ut til å være en lysende stjerne, en drøm og et håp som vil bli virkelighet i den nye verden. I fremtiden vil denne vitenskapen gi menneskeheten mange nye muligheter. Det vil bli mulig å overvinne dødelige sykdommer, fysiske problemer vil bli eliminert, og en person, før eller senere, vil være i stand til å oppnå jordisk udødelighet. Selv om på den annen side genpoolen kan bli påvirket av konstant forbruk av genmodifiserte produkter eller utseendet til mennesker som er skapt kunstig. Det vil være et endringsproblem sosiale strukturer, og det er sannsynlig at vi må møte tragedien med medisinsk fascisme.

Det er det bioteknologi er. Vitenskap som kan bringe strålende utsikter til menneskeheten ved å skape, endre eller forbedre celler, levende organismer og systemer. Hun vil være i stand til å gi en person en ny kropp, og drømmen om evig liv vil bli en realitet. Men du må betale en betydelig pris for dette.

Selv om medisiner og produkter avledet fra industrielle (“hvite”) bioteknologiske prosesser for tiden dominerer det bioteknologiske produktmarkedet, er de mest imponerende suksessene og gjennombruddene på dette området assosiert med bruken av cellulær og genteknologi.

Genomikk er en gren av bioteknologi som er opptatt av studiet av genomer og rollene som ulike gener spiller, individuelt og kollektivt, i å bestemme struktur, styre vekst og utvikling og regulere biologiske funksjoner. Det er strukturell og funksjonell genomikk.

Emnet for strukturell genomikk er opprettelse og sammenligning av ulike typer genomiske kart og storskala DNA-sekvensering. Human Genome Project og det mindre kjente Plant Genome Research Program er de største studiene av strukturell genomikk. Strukturell genomikk inkluderer også identifisering, lokalisering og karakterisering av gener.

Som et resultat av private og offentlige prosjekter om strukturell genomikk, har genomkart blitt laget og DNA-sekvenser blitt dechiffrert stor mengde organismer, inkludert avlingsplanter, sykdomsfremkallende bakterier og virus, gjær som trengs i enkelte matvarer og ølproduksjon, nitrogenfikserende bakterier, Plasmodium falciparum og myggen som bærer den, og mikroorganismer som brukes av mennesker i en lang rekke industrielle prosesser. I 2003 ble Human Genome Project fullført.

Emnet og området for funksjonell genomikk er genomsekvensering, identifisering og kartlegging av gener, identifisering av genfunksjoner og reguleringsmekanismer. For å forstå forskjellene mellom arter er hovedrollen ikke kunnskap om antall gener, men forståelse av hvordan de er forskjellige i sammensetning og funksjon, kunnskap om de kjemiske og strukturelle forskjellene i gener, som ligger til grunn for forskjellene mellom organismer. Evolusjonsanalyse er gradvis i ferd med å bli hovedmetoden for å belyse funksjonene og interaksjonene til gener i genomet.

På grunn av det faktum at den genetiske koden er universell og alle levende organismer er i stand til å dechiffrere den genetiske informasjonen til andre organismer og utføre de biologiske funksjonene som er iboende i den, kan ethvert gen identifisert under et bestemt genomisk prosjekt brukes i bredt utvalg praktiske bruksområder:
- for målrettet å endre egenskapene til planter og gi dem de ønskede egenskapene;
- isolering av spesifikke rekombinante molekyler eller mikroorganismer;
- identifikasjon av gener involvert i komplekse prosesser kontrollert av mange gener, og også avhengig av miljøpåvirkninger;
- påvisning av mikrobiell forurensning av cellekulturer, etc.

Proteomikk er vitenskapen som studerer strukturen, funksjonen, lokaliseringen og interaksjonene til proteiner i og mellom celler. Samlingen av proteiner i en celle kalles dens proteom. Sammenlignet med genomikk, utgjør proteomikk mye mer tallrike og vanskelige utfordringer for forskere. Strukturen til proteinmolekyler er mye mer kompleks enn strukturen til DNA-molekyler, som er lineære molekyler som består av fire uregelmessig repeterende elementer (nukleotider).

Formen som et proteinmolekyl tar avhenger av sekvensen av aminosyrer, men alle mekanismene for vridning og folding av aminosyrekjeden er ikke fullt ut forstått. Oppgaven til forskerne som jobbet med Human Genome Project var å utvikle metoder som skulle nå deres mål.

Forskere involvert i proteomikk er nå i en lignende posisjon: de må utvikle et tilstrekkelig antall metoder og teknikker som kan gi effektivt arbeid med et stort antall spørsmål:
- katalogisering av alle syntetiserte proteiner ulike typer celler;
- klargjøring av arten av påvirkning av alder, miljøforhold og sykdommer på proteiner syntetisert av cellen;
- belysning av funksjonene til identifiserte proteiner;
- studie av interaksjoner mellom ulike proteiner med andre proteiner inne i cellen og i det ekstracellulære rommet.

Potensialet til proteinteknikk gjør det mulig å forbedre egenskapene til proteiner som brukes i bioteknologi (enzymer, antistoffer, cellulære reseptorer) og skape fundamentalt nye proteiner egnet som medisiner for å bearbeide og forbedre nærings- og smakskvalitetene til matvarer. De viktigste fremskrittene innen proteinteknikk er i biokatalyse. Nye typer katalysatorer er utviklet, inkludert de som bruker enzymimmobiliseringsteknikker, som er i stand til å fungere i et ikke-vandig medium, med betydelige endringer i pH og temperatur, samt de som er løselige i vann og katalyserer biologiske reaksjoner ved nøytral pH og ved relativt lave temperaturer.

Proteiningeniørteknologier gjør det mulig å skaffe nye typer proteiner for biomedisinske formål, for eksempel de som er i stand til å binde seg til virus og mutante onkogener og nøytralisere dem; lage svært effektive vaksiner og celleoverflatereseptorproteiner som tjener som mål for legemidler, samt stoffbindende midler og biologiske midler som kan brukes til kjemiske og biologiske angrep. Hydrolaseenzymer er således i stand til å nøytralisere både nervegasser og plantevernmidler som brukes i landbruket, og deres produksjon, lagring og bruk er ikke farlig for miljøet og menneskers helse.

De nyeste bioteknologiske metodene gjør det mulig å diagnostisere mange sykdommer og patologiske tilstander raskt og med høy nøyaktighet. For å utføre en standardtest for å bestemme tilstedeværelsen av lipoproteiner med lav tetthet ("dårlig" kolesterol) i blodet, kreves det derfor tre separate dyre tester: identifisere innholdet av totalkolesterol, triglyserider og lipoproteiner med høy tetthet. I tillegg anbefales pasienten å avstå fra å spise i 12 timer før testen.

Den nye bioteknologiske testen består av ett trinn og krever ikke forutgående faste. Disse testene, i tillegg til å være raske, reduserer kostnadene for diagnostikk betydelig. Til dags dato har bioteknologiske tester blitt utviklet og brukt for diagnostisering av visse typer tumorprosesser som krever liten mengde blod, som utelukker en total biopsi i de innledende stadiene av diagnosen.

I tillegg til å redusere kostnader og øke nøyaktigheten og hastigheten på diagnostisering, gjør bioteknologi det mulig å diagnostisere sykdommer på mye tidligere stadier enn det som tidligere var mulig. Dette gir i sin tur pasienter en mye høyere sjanse for helbredelse. De nyeste bioteknologiske metodene for proteomikk gjør det mulig å identifisere molekylære markører som signaliserer en nærmer seg sykdom, selv før opptredenen av registrerte cellulære endringer og symptomer på sykdommen.

Den enorme mengden informasjon som gjøres tilgjengelig ved den vellykkede gjennomføringen av Human Genome Project bør spille en spesiell rolle i utviklingen av diagnostiske metoder for arvelige sykdommer som diabetes type 1, cystisk fibrose, Alzheimers og Parkinsons sykdommer. Tidligere ble sykdommer i denne klassen diagnostisert bare etter utseendet av kliniske symptomer; nyeste metoder tillate oss å identifisere risikogrupper som er disponert for sykdommer av denne typen før kliniske tegn vises.

Diagnostiske tester utviklet ved hjelp av bioteknologi forbedrer ikke bare diagnostiseringen av sykdommer, men forbedrer også kvaliteten på helsevesenet. De fleste bioteknologiske tester er bærbare, slik at leger kan utføre testing, tolke resultater og foreskrive passende behandling ved pasientens seng. Bioteknologiske metoder for å identifisere patogener er viktige ikke bare for å diagnostisere sykdommer.

En av de mest illustrerende eksempler deres bruk - screening av donorblod for tilstedeværelse av HIV-infeksjon og hepatitt B- og C-virus Kanskje vil bioteknologiske tilnærminger over tid gjøre det mulig for leger å bestemme arten av smittestoffet og, i hvert enkelt tilfelle, velge det mest effektive antibakterielle stoffet. narkotika ikke i en uke, som er gjort med moderne metoder , og i løpet av noen timer.

Innføringen av bioteknologiske tilnærminger over tid vil tillate leger ikke bare å forbedre eksisterende terapimetoder, men også å utvikle fundamentalt nye, fullstendig basert på nye teknologier. Til dags dato har en rekke bioteknologiske behandlinger blitt godkjent av US Food and Drug Administration (FDA). Listen over sykdommer som er underlagt slike terapimetoder inkluderer: anemi, cystisk fibrose, veksthemming, revmatoid artritt, hemofili, hepatitt, kjønnsvorter, transplantasjonsavvisning, samt leukemi og en rekke andre ondartede sykdommer.

Bruk av bioteknologiske metoder gjør det mulig å lage såkalte «spiselige vaksiner» syntetisert av genmodifiserte planter og dyr. Dermed er det laget genmodifiserte geiter hvis melk inneholder en vaksine mot malaria. Oppmuntrende resultater er oppnådd i kliniske studier av bananer som inneholder en vaksine mot hepatitt, og poteter som inneholder vaksiner mot kolera og patogene stammer av E. coli. Slike vaksiner (for eksempel i form av frysetørket pulver for å lage drikker), som ikke krever kjøling, sterilisering av utstyr eller kjøp av engangssprøyter, er spesielt lovende for bruk i utviklingsland.

Lappevaksiner mot tetanus, miltbrann, influensa og E. coli er også under utvikling. Det er allerede oppnådd transgene planter som syntetiserer terapeutiske proteiner (antistoffer, antigener, vekstfaktorer, hormoner, enzymer, blodproteiner og kollagen). Disse proteinene, produsert fra en rekke planter, inkludert alfalfa, mais, andemat, poteter, ris, solsikker, soyabønner og tobakk, er hovedkomponentene i innovative terapier for en rekke kreftformer, AIDS, hjerte- og nyresykdommer, diabetes, Alzheimers sykdom , Crohns sykdom, cystisk fibrose, multippel sklerose, ryggmargsskade, hepatitt C, kronisk obstruktiv lungesykdom, fedme, kreft, etc.

Mobilteknologi er i økende grad bred applikasjon for seleksjon, formering og økning av produktiviteten til nytteplanter, samt innhenting av biologisk aktive stoffer og medisiner.

N.A. Voinov, T.G. Volova