Vet du hva bioteknologi er? Du har sikkert hørt noe om henne. Dette er en viktig gren av moderne biologi. Det ble, i likhet med fysikk, en av hovedprioriteringene i verdensøkonomien og vitenskapen på slutten av 1900-tallet. For et halvt århundre siden visste ingen hva bioteknologi var. Grunnlaget ble imidlertid lagt av en vitenskapsmann som levde på 1800-tallet. Bioteknologi fikk en kraftig drivkraft for utvikling takket være arbeidet til den franske forskeren Louis Pasteur (levde 1822-1895). Han er grunnleggeren av moderne immunologi og mikrobiologi.

På 1900-tallet utviklet genetikk og molekylærbiologi seg raskt ved hjelp av fremskritt innen fysikk og kjemi. På denne tiden var den viktigste retningen utviklingen av metoder som det ville være mulig å dyrke dyre- og planteceller med.

Forskningsbølge

På 1980-tallet så en økning i bioteknologisk forskning. På dette tidspunktet var det skapt nye metodiske og metodiske tilnærminger, som sikret overgangen til bruk av bioteknologi i vitenskap og praksis. Det er en mulighet til å tjene stort på dette Ifølge prognoser var bioteknologiske varer forventet å utgjøre en fjerdedel av verdensproduksjonen ved begynnelsen av det nye århundret.

Arbeid utført i vårt land

Den aktive utviklingen av bioteknologi fant sted på denne tiden i vårt land. I Russland ble det også oppnådd en betydelig utvidelse av arbeidet på dette området og introduksjonen av deres resultater i produksjonen på 1980-tallet. I vårt land, i løpet av denne perioden, ble det første nasjonalt bioteknologiske programmet utviklet og implementert. Spesielle interdepartementale sentre ble opprettet, bioteknologer ble utdannet, avdelinger ble grunnlagt og laboratorier ble dannet ved universiteter og forskningsinstitusjoner.

Bioteknologi i dag

I dag er vi så vant til dette ordet at få mennesker stiller seg spørsmålet: "Hva er bioteknologi?" I mellomtiden ville det ikke være galt å bli mer detaljert kjent med henne. Moderne prosesser på dette feltet er basert på metoder som bruker rekombinant DNA og cellulære organeller eller celler. Moderne bioteknologi er vitenskapen om cellulære og genteknologiske teknologier og metoder for å skape og bruke transformerte genetisk biologiske objekter for å intensivere produksjonen eller skape nye typer produkter. Det er tre hovedretninger som vi nå skal snakke om.

Industriell bioteknologi

I denne retningen kan rødt skilles ut som en variasjon. Det regnes som det viktigste bruksområdet for bioteknologi. De spiller en stadig viktigere rolle i utviklingen av medisiner (spesielt for behandling av kreft). Bioteknologi er også av stor betydning i diagnostikk. De brukes for eksempel til å lage biosensorer og DNA-brikker. I Østerrike nyter rød bioteknologi i dag velfortjent anerkjennelse. Det regnes til og med som motoren for utvikling for andre bransjer.

La oss gå videre til neste type industriell bioteknologi. Dette er grønn bioteknologi. Den brukes når utvalget utføres. Denne bioteknologien gir i dag spesielle metoder ved hjelp av hvilke mottiltak mot ugressmidler, virus, sopp og insekter utvikles. Alt dette er også veldig viktig, du vil være enig.

Genteknologi er av spesiell betydning for feltet grønn bioteknologi. Med dens hjelp skapes forutsetningene for overføring av gener fra én planteart til andre, og dermed kan forskere påvirke utviklingen av stabile egenskaper og egenskaper.

Grå bioteknologi brukes for å beskytte miljøet. Metodene brukes til kloakkbehandling, jordsanering, gass- og eksosluftrensing og resirkulering av avfall.

Men det er ikke alt. Det finnes også hvit bioteknologi, som dekker bruksomfanget i kjemisk industri. Bioteknologiske metoder i dette tilfellet brukes for miljøsikker og effektiv produksjon av enzymer, antibiotika, aminosyrer, vitaminer og alkohol.

Og til slutt, den siste varianten. Blå bioteknologi er basert på teknisk anvendelse av ulike organismer samt marinbiologiske prosesser. I dette tilfellet er fokus for forskning på de biologiske organismene som bor i verdenshavet.

La oss gå videre til neste retning - celleteknikk.

Celleteknikk

Hun er involvert i å produsere hybrider, kloning, studere cellulære mekanismer, "hybride" celler og tegne genetiske kart. Begynnelsen går tilbake til 1960-tallet, da hybridiseringsmetoden dukket opp På dette tidspunktet var dyrkingsmetoder allerede blitt forbedret, og metoder for dyrking av vev hadde også dukket opp. Somatisk hybridisering, der hybrider skapes uten deltakelse av den seksuelle prosessen, utføres nå ved å dyrke forskjellige celler av linjer av samme art eller ved å bruke celler av forskjellige arter.

Hybridomer og deres betydning

Hybridomer, det vil si hybrider mellom lymfocytter (vanlige celler i immunsystemet) og tumorceller, har egenskapene til cellelinjene til foreldrene. De er i stand til, som kreftceller, å dele seg i det uendelige på kunstige næringsmedier (det vil si at de er «udødelige»), og kan også, som lymfocytter, produsere homogene celler med en viss spesifisitet. Disse antistoffene brukes til diagnostiske og terapeutiske formål, som sensitive reagenser for organiske stoffer, etc.

Et annet område innen celleteknikk er manipulering av celler som ikke har kjerner, med frie kjerner, så vel som med andre fragmenter. Disse manipulasjonene kommer ned til å kombinere celledeler. Lignende eksperimenter, sammen med mikroinjeksjoner av fargestoffer eller kromosomer i cellen, utføres for å finne ut hvordan cytoplasma og kjernen påvirker hverandre, hvilke faktorer som regulerer aktiviteten til enkelte gener osv.

Ved å kombinere celler fra ulike embryoer på tidlige utviklingsstadier, dyrkes såkalte mosaikkdyr. Ellers kalles de kimærer. De består av 2 typer celler, forskjellige i genotyper. Gjennom disse eksperimentene finner de ut hvordan differensiering av vev og celler skjer under utviklingen av kroppen.

Kloning

Moderne bioteknologi er utenkelig uten kloning. Eksperimenter relatert til transplantasjon av kjerner fra forskjellige somatiske celler til enukleerte (det vil si uten en kjerne) eggceller fra dyr med videre dyrking av det resulterende embryoet til en voksen organisme har pågått i flere tiår. De har imidlertid blitt svært allment kjent siden slutten av 1900-tallet. I dag kaller vi slike forsøk for dyrekloning.

Få mennesker i dag er ukjente med sauen Dolly. I 1996, nær Edinburgh (Skottland) ved Roslyn Institute, ble den første kloningen av et pattedyr utført, som ble utført fra en celle til en voksen organisme. Det var sauen Dolly som ble den første slike klon.

Genteknologi

Etter å ha dukket opp på begynnelsen av 1970-tallet, har den i dag oppnådd betydelig suksess. Metodene hennes forvandler cellene til pattedyr, gjær og bakterier til ekte "fabrikker" for produksjon av hvilket som helst protein. Denne vitenskapens prestasjon gir en mulighet til å studere i detalj funksjonene og strukturen til proteiner for å bruke dem som medisiner.

Det grunnleggende innen bioteknologi er mye brukt i dag. Escherichia coli har for eksempel i vår tid blitt en leverandør av de viktige hormonene somatotropin og insulin. Anvendt genteknologi har som mål å konstruere rekombinante DNA-molekyler. Når de introduseres i et bestemt genetisk apparat, kan de gi kroppens egenskaper fordelaktige for mennesker. For eksempel er det mulig å få tak i «biologiske reaktorer», det vil si dyr, planter og mikroorganismer som vil produsere stoffer som er farmakologisk viktige for mennesker. Fremskritt innen bioteknologi har gjort det mulig å utvikle dyreraser og plantevarianter med egenskaper som er verdifulle for mennesker. Ved hjelp av genteknologiske metoder er det mulig å utføre genetisk sertifisering, lage DNA-vaksiner, diagnostisere ulike genetiske sykdommer m.m.

Konklusjon

Så vi har svart på spørsmålet: "Hva er bioteknologi?" Selvfølgelig gir artikkelen bare grunnleggende informasjon om det og viser kort veibeskrivelsene. Denne introduksjonsinformasjonen gir en generell ide om hva moderne bioteknologi finnes og hvordan de brukes.

Bioengineering er et av de mest lovende vitenskapelige områdene, ved hjelp av hvilket det er mulig å lage nye organer eller til og med kroppsdeler for deres videre transplantasjon til en levende person. På lang sikt vil bioteknikk gjøre det mulig for en syk person å få et nytt øye, hjerte og andre vitale organer.

Mange tror at bioingeniører prøver å "leke Gud", og deres prestasjoner kan ikke brukes til å redde liv, men til å forbedre menneskekroppen, i strid med naturlovene. Nå virker dette som science fiction, men nyere fremskritt innen bioteknologi tyder på noe annet.

Øre

Det menneskelige øret er et ganske komplekst organ i sin struktur. Imidlertid er bioingeniør, som det viser seg, i stand til mye. Dermed klarte forskere ved Princeton University, ledet av førsteamanuensis Michael McAlpine, å lage et kunstig menneskelig øre, som de presenterte i mai 2013. For å gjøre dette brukte bioingeniører tredimensjonal utskriftsteknologi, som de skapte et øre fra dyreceller ved hjelp av elektroniske enheter. Hvis det transplanteres inn i en person, vil han kunne oppdage radiofrekvenser som tidligere var utilgjengelige for ham.

Blodårer

Det menneskelige sirkulasjonssystemet er en svært kompleks mekanisme, hvis svikt kan føre til diabetes, kardiovaskulære og nyresykdommer. Men bioteknikk gjør underverker. I 2011 klarte Cytograft Tissue Engineering-spesialister å lage kunstige blodårer. De ble implantert i tre pasienter som led av nyresykdommer. Resultatene av eksperimentet forbløffet forskerne: 8 måneder etter operasjonen fungerte fortsatt blodårene som ble opprettet ved hjelp av bioteknologi.

Hjerte

På 1980-tallet gjorde hjertekirurger et virkelig gjennombrudd ved å transplantere et kunstig hjerte inn i en person. Selvfølgelig er et levende hjerte vanskelig å erstatte, men med utviklingen av vitenskapen har fremskritt innen bioteknologi gjort det mulig å forbedre det kunstige hjertet ved hjelp av biologiske materialer, og spesialister fra Massachusetts Institute of Technology klarte til og med å trykke et hjerte på en 3D-printer fra gnagerceller. La oss håpe at fremskritt innen bioteknologi snart vil gjøre det mulig å "trykke ut" et kunstig menneskelig hjerte som ikke er dårligere enn det virkelige.

Lever

Bioengineering er allerede i nærheten av å skape en kunstig menneskelig lever. Således ble miniatyrprøver av dette organet laget i 2010 av spesialister ved Baltic Medical Center ved Wake Forest University ved å bruke dyre- og menneskeceller. I tillegg ble det utført et eksperiment ved Yokohama University, som et resultat av at lever-"embryoer" ble opprettet. Men for å lage et fungerende organ, vil tusenvis av slike elementer være nødvendig.

Luftrør

Selv om bioteknologi ennå ikke kan gi menneskeheten en kunstig lever, kan den skape et luftrør. I den amerikanske delstaten Illinois ble 2,5 år gamle Hannah Warren således transplantert med en kunstig vokst luftrør. Operasjonen var vellykket, men 7. juli 2013 døde jenta som følge av en tidligere operasjon i spiserøret.

Intervertebrale skiver

Selv en liten forskyvning av mellomvirvelskivene fører i beste fall til sterke ryggsmerter, og i verste fall kan kirurgi ikke unngås. Men som et resultat av operasjonen kobler leger ganske enkelt ryggvirvlene til hverandre, og fratar personen mobilitet. I sjeldne tilfeller brukes kunstige skiver, som slites raskt ut. Heldigvis levde bioteknikk også her opp til alle forventninger. I år skapte spesialister ved Duke University en plate som, når den implanteres inn i det interdiscale rommet, er i stand til å gjenopprette det tilsvarende vevet, i hovedsak vokse en mellomvirvelskive i pasientens kropp.

Tarmer

Bruken av kollagen og stamceller har gjort det mulig for bioteknologi å lage en kunstig tynntarm. Imidlertid har forskerne fortsatt en lang vei å gå for å lage et fullverdig organ.

Bud

Nyren er et av de mest ettertraktede organene. Bare i USA står rundt 60 tusen pasienter som lider av nyresvikt på venteliste for en nyretransplantasjon. Kanskje spesialister fra University of California vil kunne løse dette problemet. Ved å bruke de siste fremskrittene innen bioteknologi jobber de med å lage en kunstig nyre laget av silikon nanofiltre og menneskelige nyreceller. Allerede i 2017 håper forskerne å teste denne enheten.

Hovedprestasjoner og utsikter for utvikling av landbruksbioteknologi

Bioteknologiske tilnærminger lar moderne planteoppdrettere isolere individuelle gener som er ansvarlige for ønskede egenskaper og flytte dem fra genomet til en plante til genomet til en annen - transgenese.

Takket være bioteknologi har planter blitt produsert med forbedrede ernæringsmessige egenskaper, ugressmiddelresistens og med innebygd beskyttelse mot virus og skadedyr (soyabønner, tomater, bomull, papaya). GM-vekster som brukes i husdyrproduksjon - mais, soyabønner, raps og bomull

Ved hjelp av genetiske metoder ble det også oppnådd stammer av mikroorganismer (Ashbya gossypii, Pseudomonas denitrificans, etc.) som produserer titusenvis av ganger flere vitaminer (C, B 3, B 13, etc.) enn de opprinnelige formene.

Utsikter:

1. Bioteknologispesialister utvikler måter å øke mengden protein i planter på, som vil gjøre det mulig å gi opp kjøtt i fremtiden.

2. For landbrukskomplekset pågår en utvikling i retning av å forbedre selvforsvarsfunksjonene til planter fra skadeinsekter, gjennom frigjøring av gift.

3. En av de raskt utviklende grenene innen bioteknologi er teknologien for mikrobiell syntese av stoffer som er verdifulle for mennesker. Videre utvikling av denne industrien vil innebære en omfordeling av rollene til avlingsproduksjon og husdyrhold på den ene siden, og mikrobiell syntese på den andre, i dannelsen av menneskehetens næringsgrunnlag.

4. Industriell bruk av bioteknologiske 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.

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

6. Biologisk nedbrytning (resirkulering) av cellulose. Fullstendig nedbrytning av cellulose til glukose kan løse mange problemer – å få tak i store mengder karbohydrater og rense miljøet fra skogavfall og landbruksproduksjon. For tiden er gener for cellulolytiske enzymer allerede isolert fra noen mikroorganismer. Det utvikles metoder for å overføre dem til gjær, som først kan hydrolysere cellulose til glukose og deretter omdanne den til alkohol.

Siste fremskritt innen medisinsk bioteknologi

Innen medisinsk bioteknologi er det utviklet interferoner – proteiner som kan undertrykke reproduksjonen av virus.

Produksjon av humant insulin ved bruk av genmodifiserte bakterier, produksjon av erytropoietin (et hormon som stimulerer dannelsen av røde blodlegemer i benmargen.

Det er blitt mulig å produsere polymerer som erstatter menneskelige organer og vev (nyrer, blodårer, klaffer, hjerte-lunge-apparater osv.).

Masseimmunisering (vaksinering) har blitt den mest tilgjengelige og kostnadseffektive måten å forebygge smittsomme sykdommer på. Over 30 år med vaksinering av russiske barn mot meslinger har forekomsten av meslinger således gått ned med 620 ganger.

Det er utviklet metoder for å produsere antibiotika. Oppdagelsen av antibiotika revolusjonerte behandlingen av infeksjonssykdommer. Borte er ideene om uhelbredelig mange bakterielle infeksjoner (pest, tuberkulose, sepsis, syfilis, etc.).

En av de siste prestasjonene innen bioteknologisk diagnostikk er metoden for biosensorer, som "fanger" molekyler assosiert med sykdommer og sender signaler til sensorer. Biosensordiagnostikk brukes til å bestemme glukose i blodet til diabetespasienter. Det er å håpe at det over tid vil være mulig å implantere biosensorer i blodårene til pasienter for å overvåke insulinbehovet deres mer nøyaktig.

Det har 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 umiddelbart etter fødselen, for å bestemme predisposisjon for forskjellige sykdommer, muligens utilstrekkelig (allergisk) reaksjon på visse medisiner, samt en tendens til visse typer aktiviteter). Genetisk sertifisering gjør det mulig å forutsi og redusere risikoen for hjerte- og karsykdommer og kreft, studere og forebygge nevrodegenerative sykdommer og aldringsprosesser, etc.

Forskere har vært i stand til å identifisere gener som er ansvarlige for manifestasjonen av ulike patologier og bidrar til en økning i forventet levealder.

Det har dukket opp muligheter for tidlig diagnose av arvelige sykdommer og rettidig forebygging av arvelig patologi.

Det viktigste området for medisinsk bioteknologi har blitt celleteknikk, spesielt teknologien for å produsere monoklonale antistoffer, som produseres i kultur eller i dyrekroppen av hybride lymfoide celler - hybridomer. Monoklonal antistoffteknologi har hatt stor innvirkning på grunnleggende og anvendt medisinsk forskning og medisinsk praksis. Basert på dem har nye immunologiske analysesystemer blitt utviklet og brukt - radioimmunoassay og enzymimmunoassay. De gjør det mulig å bestemme forsvinnende små konsentrasjoner av spesifikke antigener og antistoffer i kroppen.

Mikrobrikker regnes nå som den mest avanserte teknologien for å diagnostisere sykdommer. De brukes til tidlig diagnose av smittsomme, onkologiske og genetiske sykdommer, allergener, samt i studiet av nye medisiner.

Relatert informasjon.

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 på slutten av 1800- og begynnelsen av 1900-tallet, 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.

Samtidig ble det gjort viktige funn innen gryende genetikk, uten hvilke 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 i industriell skala allerede på 1940-tallet. 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 bare 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 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 et produkt endrer form eller aggregeringstilstand uten å endre dets kjemiske sammensetning (for eksempel treforedlingsteknologi for produksjon av tremøbler, ulike metoder for å produsere metallprodukter: spiker, maskin deler osv.).

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 påvirker i betydelig grad forbedringen 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. Å forstå det molekylære grunnlaget for biologiske prosesser gjør det mulig å redusere kostnadene ved utvikling og forberedelse av 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 gjenspeiler 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. For det første må avfallet utnyttes godt. For det andre kan de sendes til resirkulering, og skaper en lukket teknologisk syklus. Til slutt kan selve arbeidssystemet modifiseres for å redusere 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 kolossale 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 denne bivirkningen har noen selskaper begynt å utvikle legemidler som stopper 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.

Bioteknologi er bevisst produksjon av produkter og materialer som er nødvendige for mennesker ved bruk av levende organismer og biologiske prosesser.

I uminnelige tider har bioteknologi blitt brukt hovedsakelig i mat- og lettindustri: i vinproduksjon, bakeri, gjæring av meieriprodukter, i bearbeiding av lin og lær, basert på bruk av mikroorganismer. De siste tiårene har bioteknologiens muligheter utvidet seg enormt. Dette skyldes det faktum at metodene er mer lønnsomme enn konvensjonelle, av den enkle grunn at i levende organismer skjer biokjemiske reaksjoner katalysert av enzymer under optimale forhold (temperatur og trykk), er mer produktive, miljøvennlige og ikke krever kjemiske reagenser som forgifter miljøet.

Bioteknologiobjekter er mange representanter for grupper av levende organismer - mikroorganismer (virus, bakterier, protozoer, gjær), planter, dyr, samt celler isolert fra dem og subcellulære komponenter (organeller) og til og med enzymer. Bioteknologi er basert på fysiologiske og biokjemiske prosesser som forekommer i levende systemer, som resulterer i frigjøring av energi, syntese og nedbrytning av metabolske produkter, og dannelse av kjemiske og strukturelle komponenter i cellen.

Hovedretningen for bioteknologi er produksjon, ved bruk av mikroorganismer og dyrkede eukaryote celler, av biologisk aktive forbindelser (enzymer, vitaminer, hormoner), medisiner (antibiotika, vaksiner, serum, høyspesifikke antistoffer osv.), samt verdifulle forbindelser (fôrtilsetningsstoffer, for eksempel essensielle aminosyrer, fôrproteiner, etc.).

Genteknologiske metoder har gjort det mulig å syntetisere i industrielle mengder hormoner som insulin og somatotropin (veksthormon), som er nødvendige for behandling av menneskelige genetiske sykdommer.

Et av de viktigste områdene innen moderne bioteknologi er også bruk av biologiske metoder for å bekjempe miljøforurensning (biologisk rensing av avløpsvann, forurenset jord, etc.).

For å trekke ut metaller fra avløpsvann, kan bakteriestammer som er i stand til å samle uran, kobber og kobolt bli mye brukt. Andre bakterier av slektene Rhodococcus og Nocardia brukes med hell til emulgering og sorpsjon av petroleumshydrokarboner fra vannmiljøet. De er i stand til å skille vann- og oljefasene, konsentrere olje og rense avløpsvann fra oljeurenheter. Ved å assimilere petroleumshydrokarboner omdanner slike mikroorganismer dem til proteiner, B-vitaminer og karotener.

Noen av halobakteriestammene brukes med hell til å fjerne fyringsolje fra sandstrender. Det er også oppnådd genetisk konstruerte stammer som kan bryte ned oktan, kamfer, naftalen og xylen, og effektivt utnytte råolje.

Bruk av bioteknologiske metoder for å beskytte planter mot skadedyr og sykdommer er av stor betydning.

Bioteknologi er på vei inn i tungindustrien, hvor mikroorganismer brukes til å utvinne, omdanne og behandle naturressurser. Allerede i antikken skaffet de første metallurgene jern fra myrmalm produsert av jernbakterier, som er i stand til å konsentrere jern. Nå er det utviklet metoder for bakteriekonsentrasjon av en rekke andre verdifulle metaller: mangan, sink, kobber, krom osv. Disse metodene brukes til å utvikle avfallsdeponier av gamle gruver og dårlige forekomster, hvor tradisjonelle gruvemetoder ikke er økonomisk forsvarlige. .

Bioteknologi løser ikke bare spesifikke problemer innen vitenskap og produksjon. Den har en mer global metodisk oppgave - den utvider og akselererer omfanget av menneskelig påvirkning på den levende naturen og fremmer tilpasningen av levende systemer til betingelsene for menneskelig eksistens, dvs. til noosfæren. Bioteknologi fungerer derfor som en kraftig faktor i menneskeskapt adaptiv evolusjon.

Bioteknologi, genteknologi og celleteknologi har lovende utsikter. Etter hvert som flere og flere nye vektorer dukker opp, vil folk bruke dem til å introdusere de nødvendige genene i cellene til planter, dyr og mennesker. Dette vil gjøre det mulig å gradvis kvitte seg med mange arvelige menneskelige sykdommer, tvinge celler til å syntetisere de nødvendige stoffene og biologisk aktive forbindelser, og deretter direkte proteiner og essensielle aminosyrer som brukes i mat. Ved å bruke metoder som allerede er mestret av naturen, håper bioteknologer å få hydrogen gjennom fotosyntese - fremtidens mest miljøvennlige drivstoff, elektrisitet, og konvertere atmosfærisk nitrogen til ammoniakk under normale forhold.