Что такое биотехнология? История и достижения биотехнологии. История развития биотехнологии растений

Биология для студентов - 01. Определение термина биотехнология. История возникновения, становления и развития биотехнологии как самостоятельной науки

Предмет биотехнологии. Что же включает в себя понятие биотехнологии? Этот термин происходит от греческих слов bios — жизнь, techne — искусство, logos — слово, учение, наука. В литературе есть множество его определений. 

• Биотехнология — объединение биохимии и микробиологии, инженерных дисциплин для технологического использования микроорганизмов, культуры клеток, тканей и отдельных структур клетки. 
• Биотехнология — наука об использовании биологических процессов в технике и промышленном производстве. 
• Биотехнология — промышленное использование биологических процессов на основе микроорганизмов, культуры клеток и тканей, а также отдельных структур и компонентов клеток животных и растений с заданными свойствами.

Из приведенных определений ясно, что как бы ни стремились точнее передать значение термина «биотехнология», остается ясным одно — эта наука рождена усилиями многих дисциплин, изучающих живую материю, и соответствует социальному заказу современного человека.

История развития биотехнологии. Биотехнология формировалась и эволюционировала с развитием человеческого общества. Ее становление ряд ученых условно подразделяют на 4 периода (Блинов Н. П., 1995):

1. эмпирический,
2. этиологический,
3. биотехнический,
4. генотехнический.

Эмпирический (от греч. empeirios — опытный), или доисторический, период — самый длительный, охватывающий примерно 8 ООО лет, из которых более 6 ООО лет — до нашей эры и около 2 ООО лет — нашей эры. Древние народы интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и некоторых других продуктов, которые теперь мы относим к разряду биотехнологических. В те древние времена продукты растительного и животного происхождения использовались не только в пищу, но и для лечебных целей. К этому же периоду относятся:

• получение кисломолочных продуктов,
• квашеной капусты,
• медовых алкогольных напитков,
• силосование кормов,
• мочка лубоволокнистых растений.

Таким образом, исстари народы пользовались результатами микробиологических процессов, ничего не зная о микробах. Эмпиризм также был характерен и для практики применения полезных растений и животных.

Второй, этиологический (от греч. aitia — причина) период в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX в. и первую треть XX в. (1856 — 1933 гг.). Этот этап связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Луи Пастера (1822 — 1895) — основоположника научной микробиологии и ряда микробиологических дисциплин (промышленной, медицинской, химической, санитарной). Он:

• раскрыл микробную природу брожений,
• доказал возможность жизни в бескислородных условиях,
• экспериментально опроверг представление о самопроизвольном зарождении живых существ,
• создал научные основы вакцинопрофилактики и вакцинотерапии,
• предложил метод стерилизации, называемый теперь пастеризацией, и т. д.

В биотехнологии важными являются питательные среды для культивирования ряда биообъектов. Уже в 1859 г. Л. Пастер приготовил первую жидкую питательную среду, метод выращивания грибов на желатине предложил О. Брефельд в 1864 г.

Третий период в развитии биологической технологии — биотехнический, обусловленный внедрением в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечившего протекание различных процессов в стерильных условиях. Особенно мощный толчок в разработке промышленного биотехнологического оборудования был отмечен в период становления и развития производства антибиотиков (во время Второй мировой войны, 1939 — 1945 гг., когда возникла острая необходимость в противомикробных препаратах для лечения больных с инфицированными ранами). Примерно за 40 лет третьего периода были решены основные задачи по конструированию, созданию и внедрению в практику необходимого оборудования, в том числе главного из них — биореакторов, которые используют и в настоящее время.

Четвертый период в биотехнологии — генотехнический (от лат. genos — род) — начался в 1972 г., когда П. Берг со своими сотрудниками в США создал первую рекомбинантную молекулу ДНК. Однако следует отметить, что в 1969 г. Дж. Бекуит с коллегами выделила в химически чистом виде лактозный ген из кишечной палочки, показав тем самым возможность направленных манипуляций с генетическим материалом бактерий. Естественно, что без фундаментальной работы Ф. Крика и Дж. Уотсона (1953) по установлению структуры ДНК было бы невозможным достижение современных результатов в области биотехнологии.

Выяснение механизмов функционирования и регуляции ДНК, выделение и изучение специфичных ферментов привели к формированию строго научного подхода к разработке биотехнологических процессов на основе генно-инженерных работ. В этом — суть генотехнического периода.

Уже в 1982 г. поступил в продажу человеческий инсулин, выработанный кишечными палочками, несущими в себе искусственно встроенную генетическую информацию об этом гормоне Зная строение аппарата наследственности у разных организмов, удается манипулировать не только нуклеиновыми кислотами, но и целыми хромосомами (хромосомная инженерия) и клетками (клеточная инженерия).

Лекция 1

Лекция № 1

Введение в биотехнологию. История развития. Биотехнология лекарственных средств. Биотехника. Связь биотехнологии с фундаментальными науками второй половины ХХ века. Сферы практического применения достижений биотехнологии.

План:

• Введение и понятие биотехнологии

• История развития биотехнологии

• Связь биотехнологии с другими науками

• Сферы практического применения достижений биотехнологии

Введение и понятие биотехнологии

В наши дни человек не только использует продукты жизнедеятельности микроорганизмов, но и управляет внутриклеточными процессами, осуществляет направленную модификацию свойств организмов на основе методов генетической инженерии.

Все большее значение приобретают производственные процессы, основанные на деятельности живых организмов. Большое значение, которое придается биотехнологии, обуславливает необходимость подготовки достаточного количества квалифицированных специалистов.

Биотехнологию относят к числу приоритетных наук, где можно прогнозировать более быстрые и важнейшие достижения для социально-экономического прогресса общества.

Ведущее положение в области внедрения биотехнологических разработок в настоящее время занимают США, где уже к концу 80-х годов биотехнологическими проблемами было занято 349 компаний.

Из научных учреждений России ведущее место по биотехнологии занимает институт биохимии и физиологии микроорганизмов РАН (ИБФМ), существенный вклад в решение биотехнологических проблем в России внесли коллективы ВНИИ "Синтез-белок", ВНИИ Биотехнологии, ВНИИА, Сибирское отделение РАН, институт молекулярной биологии РАН, институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов и т.д.

В последние десятилетия существенно расширился список ценных биотехнологических продуктов. В биотехнологии видят одно из средств для преодоления продовольственных, энергетических, сырьевых и экологических проблем.

Биотехнология- это наука об использовании биологических процессов в технике и промышленном производстве. К числу биологических процессов относятся те из них, в которых применяют биологические объекты различной природы (микробные, растительные, животные), например, производство ряда продуктов медицинского, пищевого и другого назначения - антибиотики, вакцины, ферменты, кормовые и пищевые белки, полисахариды, гормоны, гликозиды, аминокислоты, алкалоиды, биогаз, удобрения и прочее.

Биотехнология- это направление научно-технического прогресса, использующее биологические процессы и агенты для целенаправленного воздействия на природу, а также в интересах промышленного получения полезных для человека продуктов, в частности, лекарственных средств.

Термином биотехнологияобозначают преимущественно новые, промышленно важные пути биотрансформации различных веществ и живых организмов.

Биотехнологияв переводе означает производство с помощью живых существ или технология живого.

Биотехнология– это наука о применении биологических процессов и систем в производстве.

Биотехнология– это объединение биохимической, микробиологической и инженерной наук с целью технологического использования микроорганизмов, культур клеток и тканей, а также составных частей клеток.

Таким образом, биотехнологияпредставляет собой область знаний, которая возникла и оформилась на стыке микробиологии, молекулярной биологии, генетической инженерии, химической технологии и ряда других наук. Рождение биотехнологии обусловлено потребностями общества в новых, более дешевых продуктах для народного хозяйства, в том числе медицины и ветеринарии, а также принципиально новых технологиях.

В соответствии с определением Европейской Федерации Биотехнологов (EFB, 1984)биотехнологиябазируется на интегральном использовании наук о природе (биологии, химии, физики), биохимии, микробиологии и инженерных наук (например, электроники) в целях промышленной реализации способностей микроорганизмов, культур клеток тканей и их частей.Европейская комиссия (ЕС)дополняет- для того, чтобы снабдить биологическое сообщество требуемыми продуктами и услугами.

В настоящее время принято следующее определение биотехнологии с учетом направления нашей дисциплины - фармацевтической технологии.

Биотехнология(от греч. вios– жизнь,teken– искусство, мастерство,logos– наука, умение, мастерство) – это получение продуктов из биологических объектов или с применением биологических объектов.

ЗАДАЧИ, СТОЯЩИЕ ПЕРЕД БИОТЕХНОЛОГИЕЙ

1. Поддержание и активизация путей обмена клеток, ведущих к накоплению целевых продуктов при заметном подавлении других реакций обмена у культивируемого организма.

2. Получение клеток или их составных частей (преимущественно - ферментов) для направленного изменения сложных молекул (например, рестриктазы, изомеразы и т.д.).

3. Углубление и совершенствование генетической инженерии, включающей рДНК-биотехнологию и клеточную инженерию, с целью получения особо ценных результатов в фундаментальных и прикладных разработках.

4. Создание безотходных и экологически безопасных биотехнологических процессов.

5. Совершенствование и оптимизация аппаратурного оснащения биотехнологических процессов с целью достижения максимальных выходов конечных продуктов при культивировании лекарственных видов с измененной наследственностью методами клеточной и генной инженерии.

6. Повышение технико-экономических показателей биотехнологических процессов по сравнению с существующими.

История развития биотехнологии

Человек, рождающийся для познания мира, давным-давно освоил на практике различные процессы биотехнологии, не зная, по существу, что они относятся к такому разряду.

Человек использовал биотехнологию на протяжении многих тысяч лет: люди занимались пивоварением, пекли хлеб, придумали способы хранения и переработки продуктов путем ферментации (производство сыра, уксуса, соевого соуса), научились делать мыло из жиров, изготавливать простейшие лекарства и перерабатывать отходы. Однако только разработка методов генетической инженерии, основанных на создании рекомбинантных ДНК, привели к тому «биотехнологическому буму», свидетелями которого мы сейчас и являемся.

Биотехнология как самостоятельная прикладная наука сформировалась в середине 50-х годов XXвека, когда человечество осознало необходимость первоочередного решения на принципиально новых основах главнейших проблем современности – продовольственной, энергетической, ресурсной, загрязнения окружающей среды и др. Биотехнологические процессы базируются на использовании биосинтетического потенциала микроорганизмов, растительных и животных клеток, тканей и органов, культивируемых на искусственных питательных средах.

Возникновение, становление и развитие биотехнологии условно можно подразделить на четыре периода: эмпирический, этиологический, биотехнический и генотехнический.

Эмпирический(от греч. empeirikos - опытный)илидоисторический период - самый длительный, охватывающий примерно 8000 лет, из которых более 6000 тысяч лет - до нашей эры и около 2000 лет - нашей эры. Древние люди интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и некоторых других продуктов. В течение нескольких тысячелетий известен уксус, издревле приготавливавшийся в домашних условиях; первая дистилляция вина осуществлена в XII в., водку из хлебных злаков получили в XVI в., шампанское известно с XVII в., но получение почти абсолютного этанола впервые удалось в XIV в. испанцу Раймунду.

К тому же эмпирическому периоду относятся получение кисло-молочных продуктов, квашенной капусты, медовых алкогольных напитков, силосование кормов, мочка лубоволокнистых растений.

Таким образом, народы исстари пользовались на практике микробиологическими процессами, ничего не зная о микробах. Эмпиризм также был характерен и в практике использования полезных растений и животных.

Второй, этиологический(от греч. aitia - причина)период в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX в. и первую треть ХХ в. (1856 - 1933 г.г.). Он связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Луи Пастера (1822 - 1895 г.г.) - основоположника научной микробиологии и ряда микробиологических дисциплин (промышленной, медицинской, химической, санитарной). Пастер вскрыл микробную природу брожения, доказал возможность жизни в бескислородных условиях, экспериментально опроверг ходившее тогда представление о самопроизвольном зарождении живых существ, создал научные основы вакцинопрофилактики и вакцинотерапии, предложил метод стерилизации, называемый по его имени пастеризацией и т.д.

Этиологический период знаменателен тем, что удалось доказать индивидуальность микробов и получить их в чистых культурах. Более того, каждый вид мог быть размножен на питательных средах и использован в целях воспроизведения соответствующих процессов (бродильных, окислительных и др.). В этот период было начато изготовление пищевых прессованных дрожжей, а также некоторых продуктов обмена (метаболизма) ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот. Во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод.

Третий периодразвития биотехнологии -биотехнический, начался в 1933 году, тогда была опубликована работа А. Клюйвера и Л.Х.Ц. Перкина "Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов", в которой изложены основные технические приемы, а также подходы к оценке и интерпретации получаемых результатов при глубинном культивировании грибов. После этого началось внедрение в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечивающего проведение процессов в стерильных условиях.

Особенно мощный толчок в развитии промышленного биотехнологического оборудования был отмечен в период становления и развития производства антибиотиков (1939 - 1945). Работами многих ученых была показана возможность механизации процессов брожения, культивирования различных клеток и различных клеточных продуктов для нужд человека и, прежде всего, в качестве или в составе лечебных и профилактических средств: антибиотики (пенициллин, стрептомицин, тетрациклин), декстран, ряд аминокислот и другие.

Четвертый периодв биотехнологии -генотехнический(от греч. genesis - происхождение, возникновение, рождение) начался с 1972 года. В этом году П. Берг со своими сотрудниками (США) создали первую рекомбинантную молекулу ДНК.

Однако, без фундаментальных работ Ф. Крика и Дж. Уотсона (1953) по установлению структуры ДНК было невозможно достичь современных результатов в области биотехнологии. Выяснение механизмов функционирования и регуляции ДНК, выделение и изучение специфичных ферментов привело к формированию строго научного подхода к разработке биотехнологических процессов на основе генно-инженерных работ. В этом суть генотехнического периода.

В течение последних 10 - 15 лет происходит бурное развитие биотехнологии, определились сферы приоритетного внедрения конкретных результатов биотехнологических разработок и, как следствие, были выделены основные направления и разделы биотехнологии. К ним относятся: медицинская биотехнология, иммунобиотехнология, биогеотехнология, инженерная энзимология, биоэнерготехнология, космическая биотехнология и др.

Связь биотехнологии с другими науками

Уже в самом определении предмета отражены его местоположение как пограничного, благодаря чему результаты фундаментальных исследований в области биологических, химических и технических дисциплин приобретают выраженно прикладное значение.

Связь биотехнологии с другими науками представлена на слайде, более подробно с информацией вы можете ознакомиться в методическом пособии к 1 занятию.

Сферы практического применения достижений биотехнологии

Биотехнологические разработки могут внести немаловажный вклад в решение комплексных проблем народного хозяйства, здравоохранения и науки.

Для удовлетворения пищевых потребностей необходимо увеличить эффективность растениеводства и животноводства. Именно на это, в первую очередь, нацелены усилия биотехнологов. Кроме того, биотехнология предлагает как источник кормового (возможно, и пищевого) белка клеточную массу бактерий, грибов и водорослей.

Во-вторых, повышение цен на традиционные источники энергии (нефть, природный газ, уголь) и угроза исчерпания их запасов побудили человечество обратиться к альтернативным путям получения энергии. Биотехнология может дать ценные возобновляемые энергетические источники: спирты, биогенные углеводороды, водород. Эти экологически чистые виды топлива можно получить путем биоконверсии отходов промышленного и сельскохозяйственного производства.

В-третьих, уже в наши дни биотехнология оказывает реальную помощь здравоохранению. Нет сомнений в терапевтической ценности инсулина, гормона роста, интерферонов, факторов свертывания крови и иммунной системы, тромболитических ферментов, изготовленных биотехнологическим путем. Помимо получения лечебных средств, биотехнология позволяет проводить раннюю диагностику инфекционных заболеваний и злокачественных новообразований на основе применения препаратов антигенов, моноклональных антител, ДНК/РНК-проб. С помощью новых вакцинных препаратов возможно предупреждение инфекционных болезней.

В-четвертых, биотехнология может резко ограничить масштабы загрязнения нашей планеты промышленными, сельскохозяйственными и бытовыми отходами, токсичными компонентами автомобильных выхлопов и т. д. Современные разработки нацелены на создание безотходных технологий, на получение легко разрушаемых полимеров и поиск новых активных микроорганизмов - разрушителей полимеров (полиэтилена, полипропилена, полихлорвинила) Усилия биотехнологов направлены также на борьбу с пестицидными загрязнениями - следствием неумеренного и нерационального применения ядохимикатов.

Биотехнологические разработки играют важную роль в добыче и переработке полезных ископаемых, получении различных препаратов и создании новой аппаратуры для аналитических целей.

Биотехнология и растениеводство

Культурные растения страдают от сорняков, грызунов, насекомых-вредителей, нематод, фитопатогенных грибов, бактерий, вирусов, неблагоприятных погодных и климатических условий.

В последние годы большое внимание уделяют вирусным заболеваниям растений. Наряду с болезнями, оставляющими видимые следы на культурных растениях (мозаичная болезнь табака и хлопчатника, зимняя болезнь томатов), вирусы вызывают скрытые инфекционные процессы, значительно снижающие урожайность сельскохозяйственных культур и ведущие к их вырождению.

Биотехнологические пути защиты растений от рассмотренных вредоносных агентов включают: 1) выведение сортов растений, устойчивых к неблагоприятным факторам; 2) химические средства борьбы (пестициды) с сорняками (гербициды), грызунами (ратициды), насекомыми (инсектициды), нематодами (нематоциды), фитопатогенными грибами (фунгициды), бактериями, вирусами; 3) биологические средства борьбы с вредителями, использование их естественных врагов и паразитов, а также токсических продуктов, образуемых живыми организмами.

Наряду с защитой растений ставится задача повышения продуктивности сельскохозяйственных культур, их пищевой (кормовой) ценности, задача создания сортов растений, растущих на засоленных почвах, в засушливых и заболоченных районах. Разработки нацелены на повышение энергетической эффективности различных процессов в растительных тканях, начиная от поглощения кванта света в кончая ассимиляцией СО2и водно-солевым обменом.

Выведение новых сортов растений.

Традиционные подходы к выведению новых сортов растений - это селекция на основе гибридизации, спонтанных и индуцированных мутаций. Методы селекции не столь отдаленного будущего включают генетическую и клеточную инженерию.

Генетическую инженерию предлагают использовать для выведения азотфиксирующих растений. Другим решением проблемы могла бы быть трансформация растительных протопластов посредством ДНК. К компетенции клеточной инженерии относят создание новых азотфиксирующих симбиотических ассоциаций «растение – микроорганизм».

Разрабатываются подходы к межвидовому переносу генов osm, обусловливающих устойчивость растений к нехватке влаги, жаре, холоду, засоленности почвы. Перспективы повышения эффективности биоконверсии энергии света связаны с модификацией генов, отвечающих за световые и темновые стадии этого процесса, в первую очередь генов с регулирующих фиксацию СО2растением. В этой связи представляют большой интерес

Клонирование клеток - перспективный метод получения не только новых сортов, но ипромышленно важных продуктов. При правильном подборе условий культивирования, в частности при оптимальном соотношении фитогормонов, изолированные клетки более продуктивны, чем целые растения. Иммобилизация растительных клеток или протопластов нередко ведет к повышению их синтетической активности. Табл. 6 включает биотехнологические процессы с использованием культур растительных клеток, наиболее перспективные для промышленного внедрения.

Таблица 6. Примеры клеточных культур - высокоэффективных продуцентов ценных соединений

Таким образом, биотехнология открывает широкие перспективы в области выведения новых сортов растений, устойчивых к неблагоприятным внешним воздействиям, вредителям, патогенам, не требующих азотных удобрений, отличающихся высокой продуктивностью.

Биодеградация пестицидов.Пестициды обладают мощным, но недостаточно избирательным действием. Так, гербициды, смываясь дождевыми потоками или почвенными водами на посевные площади, наносят ущерб сельскохозяйственным культурам. Помимо этого, некоторые пестициды длительно сохраняются в почве, что тоже приводит к потерям урожая. Возможны разные подходы к решению проблемы: 1) усовершенствование технологии применения пестицидов, что не входит в компетенцию биотехнологии; 2) выведение растений, устойчивых к пестицидам; 3) биодеградация пестицидов в почве.

Разнообразны средства защиты растений от фитопатогенных микроорганизмов.

1. Антибиотики. Примерами могут служить триходермин и трихотецин, продуцируемые грибами Тriсhodermasp. и Тriсhоteciumrоsеum. Эти антибиотики используются для борьбы с корневыми гнилями овощных, зерновых и технических культур.

2. Фитоалексины, естественные растительные агенты, ина кти вирующие микробных возбудителей заболеваний. Эти соедине ния, синтезируемые в тканях растений в ответ на внедрение фитопатогенов, могут служить высокоспецифичными заменителями пестицидов. Фитоалексин перца успешно применяли при фитофторозе. Могут быть использованы также вещества, стимулирующие синтез фятоалексинов в растительных тканях.

3. Использование микробов-антагонистов, вытесняющих патогенный вид и подавляющих его развитие.

4. Иммунизация и вакцинация растений. Вакцинные препараты стремятся вводить непосредственно в прорастаюшме семена.

5. Введение в ткани растений специфичного агента (d-фактора), снижающего жизнеспособность возбудителя.

Биологические удобрения.Биологические (бактериальные) удобрения применяют для обогащения почвы связанным азотом. Большое распространение получили препараты нитрагин и азотобактерин клетки клубеньковых бактерий и азотобактера, к которым добавляют стабилизаторы (мелассу, тиомочевину) и наполнитель (бентонит, почву). Азотобактерин обогащает почву не только азотом, но и витаминами и фитогормонами, гиббереллинами и гетероауксинами. Препарат фосфобактерин из Васillus megateriumпревращает сложные органические соединения фосфора в простые, легко усвояемые растениями. Фосфобактерин также обогащает почву витаминами и улучшает азотное питание растений.

Растения синтезируют ряд соединений, регулирующих их рост и развитие (фитогормоны, биорегуляторы). К их числу принадлежат ауксины, гиббереллины, цитокинины. Созревание плодов стимулирует этилен. Эти биорегуляторы находят применение в сельском хозяйстве. К числу новых, обнаруженных в последние годы биорегуляторов относят пептиды, имеются перспективы их применения в сельском хозяйстве.

Биотехнология и животноводство

Большое значение в связи с интенсификацией животноводства отводится профилактике инфекционных заболеваний сельскохозяйственных животных с применением рекомбинавтных живых вакцин и генноинженерных вакцин-антигенов, ранней диагностике этих заболеваний с помощью моноклональных антител и ДНК/РНК-проб.

Для повышения продуктивности животных нужен полноценный корм. Микробиологическая промышленность выпускает кормовой белок на базе различных микроорганизмов бактерий, грибов, дрожжей, водорослей.

Технологическая биоэнергетика

Технологическая биоэнергетика — одно из направлений биотехнологии, связанное с эффективным использованием энергии, запасаемой при фотосинтезе. Это может быть достигнуто путем:

1) превращения биомассы, накопленной в результате фотосинтеза в дешевое и высококалорийное топливо — метан и другие углеводороды, этанол и т. д.; 2). модификации самого процесса фотосинтеза, в результате которой энергия света с максимальной эффективностью используется на образование водорода или другого топлива, минуя стадию фотоассимиляции СО2и синтеза компонентов клетки. На уровне теоретических разработок находится идея непосредственного преобразования энергии Солнца в электрическую (биофотоэлектрическяе преобразователи энергии).

Получение этанола как топлива.Этанол — экологически чистое топливо, дающее при сгорании СО и Н Он используется в двигателях внутреннего сгорания в чистом виде или как 10—20%-ная добавка к бензину (газохол). В Бразилии уже к

1983 г. 75% автомобилей работали на 95%-ном этаноле, а остальные — на газохоле. В США предполагают заменить на этанол 10% потребляемого бензина. Широкое внедрение этанола планируется в странах Западной Европы.

На значительных посевных площадях намечают выращивать сельскохозяйственные культуры, предназначенные для биотехнологической переработки в этанол. В условиях дефицита посевных площадей возникает проблема, которая уже в наши дни актуальна для Бразилии и выражается дилеммой: продовольствие или энергия. Производство этанола из растительного сырья не является безотходным: на каждый литр спирта приходится 12—14 л сточных вод с высокой концентрацией отходов, опасных для природных экосистем. Проблема рациональной переработки этих отходов не решена.

Классическим биообъектом, используемым при получении спирта, являются дрожжи Saccharomyces cerevisiae.

Получение метана и других углеводородов. Получение мета на важный путь утилизации сельскохозяйственных отходов. Он получается в виде биогаза смеси метана и СО2.

Получение биогаза процесс, отличающийся простотой обо рудования и доступностью сырья, требует небольших капитало вложений. В Китае, Индии, ряде других стран эксплуатируются небольшие установки, в которые аносят подручный материал (солому, навоз и др.), что исключает затраты на доставку сырья. В Китае действует свыше 7 млн, малых установок вместимостью 10—15 л, достаточных для удовлетворения энергетических потреб ностей семьи из пяти человек.

Получение водорода как топлива будущего.Получение водо рода как топлива пока остается на уровне поисковых разработок. Это абсолютно чистое топливо, дающее при сгорании лишь Н отличается исключительно высокой теплотворной способностью — 143 кдж/г. Химический и электрохимический способы получения Н неэкономичны, поэтому заманчиво использование микроорга низмов, способных выделять водород. Такой способностью обла дают аэробные и анаэробные хемотрофные бактерии, пурпурные и зеленые фототрофные бактерии, цианобактерии, различные водоросли и некоторые простейшие. Процесс протекает с участием гидрогеназы или нитрогеназы.

Биотопливные элементы. На уровне поисковых разработок находятся биотопливньте элементы, превращаюiцие химическую энергию субстрата в электрическую. Примерами могут служить топливные элементы на основе окисления метанола в муравьиную кислоту с участием алкогольдегидрогеназы, муравьиной кислоты в СО2с участием формиатдегидрогеназы, глюкозы в глюконовую кислоту с участием глюкозооксидазы. Используют также катали - тическую активность целых клеток, например Е. соli, Вас.subtilis, Рs.Аеruginosa в реакции окисления глюкозы.

Биотехнология и медицина

Нет такого экспериментального подхода или исследовательского направления в биотехнологии, которые бы не получили применения в медицине. Вот почему столь многообразны связи между биотехнологией и самой гуманной из всех наук.

Антибиотики.Антибиотики-это специфические продукты жизнедеятельности, обладающие высокой физиологической активностью по отношению к определенным группам микроорганизмов и к злокачественным опухолям, избирательно задерживающих их рост или полностью подавляющих развитие.

Гормоны. Биотехнология предоставляет медицине новые пути получения ценных гормональных препаратов. Особенно большие сдвиги произошли в последние годы в направлении синтеза пептидных гормонов.

Инсулин, пептидный гормон островков Лангерганса поджелудочной железы, представляет основное средство лечения при сахарном диабете. До недавнего времени инсулин получали из поджелудочной железы быка и свиньи. Препарат отличался от человеческого инсулина 1 аМинОкислотными заменами, так что возникала угроза аллерги ческих реакций, особенно у детей. Широкомасштабное теранев тическое Применение инсулина сдеРживалОсь его ВЫСОКОЙ стои мостью и ограниченНОстЬю ресурсов. Путем химической модифи кации инсулин из ЖИВОТНЫХ удалось сделать неотличимым от челОвеческого, но это означалО дОпОлнительное удорожание продукта.

studfiles.net

1.Значение биотехнологии и история развития.

БТ –наука о клеточных и генных методах и технологиях.

БТ –наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования ГМО в условиях получения новых видов продукции.

Достижения БТ:

1. В с/х: ГМО раст-я, животные; биол средства защиты растенйи

2. Клонир-е в животноводстве

3. В экологии: защита растений, очистка сточных вод, утилизация отходов

4. В медицине получ-е антител, вакцин, сывороток, генная терапия

На ближайшие 10 лет стоят 20 задач, которые необходимо решить:

1) Обеспечить растущее население продуктами питания.

2) Создание новых видов энергии. Запасов нефти и газа хватит на 100 лет.

Направление:

- клеточная инженерия - получение лек-в, белки, аминокислоты, выращ-е клетки

- генная инженерия

- биологическая (использование микроорганизмов)

- экологическая б/т

- инженерная энзимология - использ ферментов

Клеточная инженерия включает:

- микроклональные размножения растений invitro (искусственная пит. среда)

- эмбриокультура

- культура меристем

- гаплоидизация (гаплоидн. растения)

- соматическая гибридизация

История развития:

1902 г. Хаберланд попытался вырастить клетку листа томата на р-ре сахарозы. Он выдвинул гипотезу о тотипотентности соматических растительных клетках.

Тотипотентность сомат клеток - способность образ-ть целое растение с теми же св-ми. Генном у растений предаётся полностью.

1922 г. Роббинс и Котте выростили на пит-ой среде меристемы томата и кукурузы на пит-ой среде.

Готтре в 1932 г. установил, что при посадке на свежую пит-ую среду клетки могут культивировать неограниченно долго.

Успех закрепляется, создаются рецепты приготовления пит-эх сред.

Вводят в культуру новые растения.

В 1955 г. Миллер и Скуг снимают апикальные клетки растений.

1959 г В in vitro введено 142 видов растений

В 60-х годах получили изолированные протопласты.

В 70-е - разработка технологии соматической гибридизации.

2.Состояние и применение достижений биотехнологии в народном хозяйстве.

БТ - использование живых организмов и биологических процессов в промышленном производстве. Развивается микробиологический синтез ферментов, витаминов, аминокислот, антибиотиков и т. п. Перспективно промышленное получение других биол активных в-в (гормональных препаратов, соединений, стимулирующих иммунитет, и т. п.) с помощью методов ГИ и культуры животных и растительных клеток. С развитием БТ связывают решение глобальных проблем человечества - ликвидацию нехватки продовольствия, энергии, минеральных ресурсов, улучшение состояния здравоохранения и качества окружающей среды.

Достижения в б/т:

1) в медицине (получение лекарств, антибиотиков, предназначенных для ранней диагностики и лечения различных заболеваний).

2) в сельском хозяйстве (ГМО жив. и раст. биол. методы защиты растений, клонирование животных, позволяющих повысить эффективность с/х. Во многих странах методами ГИ и КИ созданы высокопродуктивные и устойчивые к вредителям, болезням, гербицидам сорта с/х растений.

3) в производстве (пищевая, хим-ая, нефтегазовая, на основе сконструированных организмов). Промышленное выращивание микроорганизмов, растительных и животных клеток используют для получения многих ценных соединений - ферментов, гормонов, аминокислот, витаминов, антибиотиков, метанола, органических кислот (уксусной, лимонной, молочной) и т. д

4)В экологии (защита растений, очистка сточных вод, утилизация отходов, конструирование экосистем).

5)Энергетика (получение необх. продукции, моделирование фотосинтеза).

6)В экологии: защита растений, очистка сточных вод, утилизация отходов

studfiles.net

Что такое биотехнология? История и достижения биотехнологии :: SYL.ru

Дисциплина, изучающая способы использования организмов для решения технологических задач, - вот что такое биотехнология. А проще говоря, это наука, которая изучает живые организмы в поисках новых способов для обеспечения человеческих потребностей. Например, генная инженерия или клонирование – это новые дисциплины, которые используют с одинаковой активностью как организмы, так и новейшие компьютерные технологии.

Биотехнология: кратко

Очень часто понятие «биотехнология» путают с генной инженерией, возникшей в XX—XXI веках, а ведь биотехнология относится к более широкой специфике работы. Биотехнология специализируется на модификации растений и животных путем гибридизации и искусственного отбора для потребностей человека.

Эта дисциплина дала человечеству возможность улучшить качество пищевых продуктов, увеличить продолжительность жизни и продуктивность живых организмов - вот что такое биотехнология.

До 70-х годов прошлого века этот термин использовали исключительно в пищевой промышленности и сельском хозяйстве. И только в 1970 году ученые начали использовать термин «биотехнология» в лабораторных исследованиях, таких как выращивание живых организмов в пробирках или при создании рекомбинантных ДНК. Эта дисциплина базируется на таких науках, как генетика, биология, биохимия, эмбриология, а также на робототехнике, химических и информационных технологиях.

На основе новых научно-технологических подходов были разработаны методы биотехнологии, которые заключаются в двух основных позициях:

• Крупномасштабном и глубинном культивировании биологических объектов в периодическом постоянном режиме.
• Выращивании клеток и тканей в особых условиях.

Новые методы биотехнологии позволяют манипулировать генами, создавать новые организмы или менять свойства уже существующих живых клеток. Это дает возможность более обширно использовать потенциал организмов и облегчает хозяйственную деятельность человека.

История биотехнологии

Как бы это странно ни звучало, но свои истоки биотехнология берет с далекого прошлого, когда люди только начинали заниматься виноделием, хлебопечением и другими способами приготовления пищи. К примеру, биотехнологический процесс брожения, в котором активно участвовали микроорганизмы, был известен еще в древнем Вавилоне, где широко применялся.

Как науку, биотехнологию стали рассматривать только в начале XX века. Ее основоположником стал французский ученый, микробиолог Луи Пастер, а сам термин впервые ввел в обиход венгерский инженер Карл Эреки (1917 год). XX век был ознаменован бурным развитием молекулярной биологии и генетики, где активно применялись достижения химии и физики. Одним из ключевых этапов исследования стала разработка методов культивирования живых клеток. Изначально для промышленных целей начинали выращивать только грибы и бактерии, но спустя несколько десятилетий ученые могут создавать любые клетки, полностью управляя их развитием.

В начале XX века активно развивалась бродильная и микробиологическая промышленность. В это время предпринимаются первые попытки по налаживанию производства антибиотиков. Разрабатываются первые пищевые концентраты, контролируется уровень ферментов в продуктах животного и растительного происхождения. В 1940 году ученым удалось получить первый антибиотик – пенициллин. Это стало толчком к развитию промышленного производства лекарств, возникает целая отрасль фармацевтической промышленности, что представляет собой одну из ячеек современной биотехнологии.

Сегодня биотехнологии используются в пищевой промышленности, медицине, сельском хозяйстве и многих других сферах человеческой жизнедеятельности. Соответственно появилось множество новых научных направлений с приставкой «био».

Биоинженерия

На вопрос о том, что такое биотехнология, основная часть населения без сомнений ответит, что это не что иное, как генная инженерия. Отчасти это правда, но инженерия лишь часть обширной дисциплины биотехнологий.

Биоинженерия – это дисциплина, основная деятельность которой направлена на укрепление человеческого здоровья посредством объединения знаний из области инженерии, медицины, биологии и применения их на практике. Полное название этой дисциплины – биомедицинская инженерия. Главная ее специализация – решение медицинских проблем. Применение биотехнологий в медицине позволяет моделировать, разрабатывать и изучать новые субстанции, разрабатывать фармацевтические препараты и даже избавлять человека от врожденных заболеваний, что передаются по ДНК. Специалисты в этой области могут создавать приборы и оборудование для проведения новых процедур. Благодаря применению биотехнологий в медицине были разработаны искусственные суставы, кардиостимуляторы, протезы кожи, аппараты искусственного кровообращения. При помощи новых компьютерных технологий специалисты в области биоинженерии могут создавать белки с новыми свойствами при помощи компьютерного моделирования.

Биомедицина и фармакология

Развитие биотехнологий дало возможность по-новому посмотреть на медицину. Нарабатывая теоретическую базу о человеческом организме, специалисты в этой области имеют возможность использовать нанотехнологии для изменения биологических систем. Развитие биомедицины дало толчок для появления наномедицины, основная деятельность которой заключается в слежении, исправлении и конструировании живых систем на молекулярном уровне. К примеру, адресная доставка лекарств. Это не курьерская доставка от аптеки до дома, а передача препарата непосредственно к больной клетке организма.

Также развивается и биофармакология. Она изучает эффекты, которые оказывают вещества биологического или биотехнологического происхождения на организм. Исследования этой области знаний сосредоточены на изучении биофармацевтических препаратов и разработке способов для их создания. В биофармакологии лечебные средства получают из живых биологических систем или тканей организма.

Биоинформатика и бионика

Но биотехнологии – это не только учение о молекулах тканей и клеток живых организмов, это еще и применение компьютерных технологий. Таким образом, имеет место биоинформатика. Она включает в себя совокупность таких подходов, как:

• Геномная биоинформатика. То есть методы компьютерного анализа, которые применяются в сравнительной геномике.
• Структурная биоинформатика. Разработка компьютерных программ, которые предсказывают пространственную структуру белков.
• Вычисление. Создание вычислительных методологий, которые могут управлять биологическими системами.

В этой дисциплине вместе с биологическими методами используются методы математики, статистических вычислений и информатики. Как в биологии используются приемы информатики и математики, так и в точных науках сегодня могут использовать учение об организации живых организмов. Как в бионике. Это прикладная наука, где в технических устройствах применяются принципы и структуры живой природы. Можно сказать, что это своеобразный симбиоз биологии и техники. Дисциплинарные подходы в бионике рассматривают с новой точки зрения как биологию, так и технику. Бионика рассматривала сходные и отличительные черты этих дисциплин. Эта дисциплина имеет три подвида - биологический, теоретический и технический. Биологическая бионика изучает процессы, которые происходят в биологических системах. Теоретическая бионика строит математические модели биосистем. А техническая бионика применяет наработки теоретической бионики для решения различных задач.

Как видно, достижения биотехнологий широко распространены в современной медицине и здравоохранении, но это лишь вершина айсберга. Как уже было сказано, биотехнология начала развиваться с того момента, как человек стал готовить себе пищу, а после широко применялась в сельском хозяйстве для выращивания новых селекционных культур и вывода новых пород домашних животных.

Клеточная инженерия

Одним из самых важных методов в биотехнологии является генная и клеточная инженерия, которые сосредоточены на создании новых клеток. С помощью этих инструментов человечество получило возможность создавать жизнеспособные клетки из совершенно разных элементов, принадлежащих различным видам. Таким образом, создается новый не существующий в природе набор генов. Генная инженерия дает возможность человеку получить желаемые качества от модифицированных клеток растений или животных.

Особенно ценятся достижения генной инженерии в сельском хозяйстве. Это позволяет выращивать растения (или животных) с улучшенными качествами, так называемые селекционные виды. Селекционная деятельность основана на отборе животных или растений с ярко выраженными благоприятными признаками. После эти организмы скрещивают и получают гибрид с требуемой комбинацией полезных признаков. Конечно, на словах все звучит просто, но получить искомый гибрид достаточно сложно. В реальности можно получить организм только с одним или несколькими полезными генами. То есть к исходному материалу добавляется лишь несколько дополнительных качеств, но даже это позволило сделать огромный шаг в развитии сельского хозяйства.

Селекция и биотехнологии дали возможность фермерам повысить урожайность, сделать плоды более крупными, вкусными, а главное, стойкими к морозам. Не обходит селекция стороной и животноводческую сферу деятельности. С каждым годом появляются новые породы домашних животных, которые могут давать больше поголовья и продуктов питания.

Достижения

В создании селекционных растений ученые выделяют три волны:

1. Конец 80-х годов. Тогда ученые впервые начали выводить растения, устойчивые к вирусам. Для этого они брали один ген у видов, которые могли противостоять заболеваниям, «пересаживали» его в ДНК-структуру других растений и заставляли «работать».
2. Начало 2000-х годов. В этот период начали создаваться растения с новыми потребительскими свойствами. Например, с повышенным содержанием масел, витаминов и т. д.
3. Наши дни. В ближайшие 10 лет ученые планируют выпустить на рынок растения-вакцины, растения-лекарства и растения-биорекаткоры, которые будут производить компоненты для пластика, красителей и т. д.

Даже в животноводстве перспективы биотехнологии поражают. Уже давно создаются животные, которые имеют трансгенный ген, то есть обладают каким-либо функциональным гормоном, например гормон роста. Но это были лишь начальные эксперименты. В результате исследований были выведены трансгенные козы, которые могут вырабатывать белок, который останавливает кровотечение у больных, страдающих плохой свертываемостью крови.

В конце 90-х годов прошлого века американские ученые вплотную занялись клонированием клеток эмбрионов животных. Это позволило бы выращивать скот в пробирках, но сейчас этот метод все еще нуждается в доработке. Зато в ксенотрансплантации (пересадка органов одних видов животным другим) ученые в области прикладной биотехнологии достигли существенного прогресса. К примеру, в качестве доноров можно использовать свиней с геномом человека, тогда наблюдается минимальный риск отторжения.

Пищевая биотехнология

Как уже было упомянуто, первоначально методы биотехнологических исследований стали применять в пищевом производстве. Йогурты, закваски, пиво, вино, хлебобулочные изделия – это продукты, полученные при помощи пищевой биотехнологии. Этот сегмент исследования включает в себя процессы, направленные на изменение, улучшение или создание конкретных характеристик живых организмов, в частности бактерий. Специалисты этой области знаний занимаются разработкой новых методик по изготовлению различных продуктов питания. Ищут и улучшают механизмы и методы их приготовления.

Еда, которую человек ест каждый день, должна быть насыщена витаминами, минералами и аминокислотами. Однако по состоянию на сегодняшний день, согласно данным ООН, существует проблема обеспечения человека продуктами питания. Почти половина населения не имеет должного количества пищи, 500 миллионов голодают, четверть населения планеты питаются недостаточно качественными продуктами.

Сегодня на планете проживает 7,5 миллиарда человек, и если не принимать необходимых действий по повышению качества и количества продуктов питания, если этим не заниматься, то люди в развивающихся странах станут страдать от губительных последствий. И если можно заменить липиды, минералы, витамины, антиоксиданты продуктами пищевой биотехнологии, то заменить белок практически невозможно. Более 14 миллионов тонн белка каждый год не хватает, чтобы обеспечить потребности человечества. Но здесь на помощь приходят биотехнологии. Современное белковое производство строится на том, что искусственно формируются белковые волокна. Их пропитывают необходимыми веществами, придают форму, соответствующий цвет и запах. Этот подход дает возможность заменить практически любой белок. А вкус и вид ничем не отличаются от естественного продукта.

Клонирование

Важной областью знаний в современных биотехнологиях является клонирование. Вот уже на протяжении нескольких десятилетий ученые пытаются создать идентичных потомков, не прибегая к половому размножению. В процессе клонирования должен получиться организм, который похож на родительский не только внешне, но и генной информацией.

В природе процесс клонирования распространен среди некоторых живых организмов. Если у человека рождаются однояйцевые близнецы, то их можно считать естественными клонами.

Впервые клонирование провели в 1997 году, когда искусственно создали овцу Долли. И уже в конце ХХ века ученые стали говорить о возможности клонирования человека. Кроме того, исследовалось такое понятие, как частичное клонирование. То есть можно воссоздавать не целый организм, а его отдельные части или ткани. Если усовершенствовать этот метод, то можно получить «идеального донора». Кроме того, клонирование поможет сохранить редкие виды животных или восстановить исчезнувшие популяции.

Моральный аспект

Несмотря на то что основы биотехнологии могут оказать решающее влияние на развитие всего человечества, о таком научном подходе плохо отзывается общественность. Подавляющая часть современных религиозных деятелей (да и некоторые ученые) пытаются предостеречь биотехнологов от чрезмерного увлечения своими исследованиями. Особенно остро это касается вопросов генной инженерии, клонирования и искусственного размножения.

С одной стороны, биотехнологии представляются яркой звездой, мечтой и надеждой, которые станут реальными в новом мире. В будущем эта наука подарит человечеству множество новых возможностей. Станет возможным преодоление смертельных болезней, устранятся физические проблемы, и человек, рано или поздно, сможет достигнуть земного бессмертия. Хотя, с другой стороны, на генофонде может сказаться постоянное употребление генномодифицированных продуктов или появление людей, которых создали искусственно. Появится проблема изменения социальных структур, и, вполне вероятно, придется столкнуться с трагедией медицинского фашизма.

Вот что такое биотехнология. Наука, которая может подарить блестящие перспективы человечеству путем создания, изменения или улучшения клеток, живых организмов и систем. Она сможет подарить человеку новое тело, и мечта о вечной жизни станет реальностью. Но за это придется заплатить немалую цену.

www.syl.ru

Этапы развития биотехнологии

Определение

Общепризнано, что содержанием биотехнологии является использование достижений фундаментальных биологических наук в практических целях. Четверть века назад Европейская федерация по биотехнологии выдвинула следующий тезис: «Биотехнология — применение биологических систем и процессов в промышленности и сфере услуг», не подчеркнув научное содержание биотехнологии; кроме того, слишком широким представляется понятие «сфера услуг». На одном из конгрессов 10 лет спустя было дано более подробное определение: «Биотехнология — это наука об основах реализации процессов получения с помощью биокатализаторов разных продуктов и об использовании таких процессов при защите окружающей среды», все же неоправданно сужающее ее возможности.

В некоторых учебных пособиях биотехнология трактуется как «направление научно-технического прогресса, использующее биологические процессы и агенты для целенаправленного воздействия на природу, а также в интересах промышленного получения полезных для человека продуктов, в частности лекарственных средств».

Из этого и предыдущих определений следует, что биотехнология — и наука, и сфера производства. Она включает разделы энзимологии, промышленной микробиологии, прикладной биохимии, медицинской микробиологии и биохимии, а также разделы, связанные с конструированием заводского оборудования и созданием специализированных поточных линий.

В современных условиях нередко наблюдается тесное переплетение биотехнологии и биоорганической химии. Так, при получении многих лекарственных веществ используются перемежающиеся этапы био- и органического синтеза с последующей трансформацией целевых продуктов, осуществляемой биологическим или химическим методом. При обсуждении перспектив биотехнологии и ее стратегических целей все чаще подчеркивается ее связь с молекулярной биологией и молекулярной генетикой. Широкое распространение получило понятие молекулярной биотехнологии как научной дисциплины, уже в основном сформировавшейся на стыке технологии рекомбинантной ДНК (генетическая или генная инженерия) и традиционных биологических дисциплин, в первую очередь микробиологии, что объясняется техническими причинами более легкого оперирования микробными клетками. Ведется конструирование новых продуцентов биологически активных веществ с помощью технологии рекомбинантной ДНК. В настоящее время бурно развивается и такая область молекулярной генетики как геномика, основная цель которой - полное познание генома, т.е. совокупности всех генов любой клетки, включая клетки человека. Путем секвенирования — установления полной последовательности нуклеотидов в каждом без исключения гене создается своеобразное «досье», отражающее не только видовые, но и индивидуальные особенности организма.

В проблемных научных статьях можно встретить рассчитанные на эффект и свободные от каких-либо догм высказывания о биотехнологии некоторых крупных экспериментаторов, носящие своего рода мировоззренческий характер, например: «Биотехнология — это приближение к Богу». Здесь подразумевается, что такая кардинальная цель молекулярной биологии и молекулярной генетики как познание генома человека — это заигрывание с Богом, а последующее оперирование геномом, его совершенствование (область биотехнологии) — попытка человека приблизиться по могуществу к Богу.

Этапы развития биотехнологии

В развитии биотехнологии выделяют следующие периоды:

эмпирический,

научный,

современный (молекулярный).

Последний специально отделяется от предыдущего, так как биотехнологи уже могут создавать и использовать в производстве неприродные организмы, полученные генно-инженерными методами.

1) Эмпирическая биотехнология неотделима от цивилизации, преимущественно как сфера производства (с древнейших времен — приготовление теста, получение молочнокислых продуктов, сыро-, виноделие, пивоварение, ферментация табака и чая, выделка кож и обработка растительных волокон). В течение тысячелетий человек применял в своих целях ферментативные процессы, не имея понятия ни о ферментах, ни о клетках с их видовой специфичностью и, тем более, генетическим аппаратом. Причем прогресс точных наук долгое время не влиял на технологические приемы, используемые в эмпирической биотехнологии.

2) Быстрое развитие биотехнологии как научной дисциплины с середины XIX в. было инициировано работами Л. Пастера (1822 — 1895).

Именно Л. Пастер ввел понятие биообъекта, не прибегая, впрочем, к такому термину, доказал «живую природу» брожений: каждое осуществлявшееся в производственных условиях брожение (спиртовое, уксусно-, молочнокислое и т.д.) вызывается своим микроорганизмом, а срыв производственного процесса обусловлен несоблюдением чистоты культуры микроорганизма, являющегося в данном случае биообъектом.

Практическое значение этих исследований Л. Пастера сводится к требованию поддержания чистоты культуры, т.е. к проведению производственного процесса с индивидуальным, имеющим точные характеристики биообъектом.

Позднее, приступив к работам в области медицины, Л. Пастер исходил из своей концепции о причине заразных болезней, сводя ее в каждом случае к конкретному, определенному микроорганизму. Хотя техника того времени не позволяла увидеть возбудителя инфекции, как, например, в случае вируса бешенства, однако Л. Пастер считал, что «мы его не видим, но мы им управляем». Целенаправленное воздействие на возбудителя инфекции (в целях ослабления его патогенности) позволяет получать вакцины.

Ослабленный патоген и животное, в организм которого он введен, могут рассматриваться как своеобразный биообъект, а получаемая вакцина - как биотехнологический препарат. Л. Пастер создал строго научные основы получения вакцин, тогда как замечательные достижения Э. Дженнера в борьбе с оспой были результатом освоения эмпирического опыта индийской медицины.

3) Современная биотехнология, основанная на достижениях молекулярной биологии, молекулярной генетики и биоорганической химии (на практическом воплощении этих достижений), выросла из биотехнологии Л. Пастера и, являясь также строго научной, отличается от последней прежде всего тем, что способна создавать и использовать в производстве неприродные биообъекты, что отражается как на производственном процессе в целом, так и на свойствах новых биотехнологических продуктов.

Говоря о биотехнологии, нельзя не упомянуть публикацию в 953 г. первого сообщения о двуспиральной структуре ДНК, ставшего основополагающим для возникновения указанных фундаментальных дисциплин, достижения которых реализуются в современной биотехнологии.

В результате серий публикаций в 1960-х гг. в литературу были внедрены принципиально важные для биотехнолога понятия «оперон» и «структурный ген».

В 1973 г. было опубликовано сообщение об успешном переносе генов из одного организма в другой — в сущности, уже о технологии рекомбинантной ДНК, определяющей возникновение генетической инженерии.

В 1980 г. Верховный суд США признал, что генно-инженерные микроорганизмы могут быть запатентованы, а развитие биотехнологических методов получило юридический статус.

В 1990 г. произошли два принципиально важных события: была разрешена генотерапия (но только применительно к соматическим клеткам человека, т.е. без передачи чужого гена потомству) и утвержден международный проект «Геном человека». Образно говоря, человеку было юридически разрешено познавать свою сущность.

В настоящее время интенсивно растет количество таких успешно применяемых в медицине биотехнологических продуктов, как рекомбинантные белки, вторичные метаболиты микроорганизмов и растений, а также полусинтетических лекарственных агентов, являющихся продуктами одновременно био- и оргсинтеза.

В последние годы родилась новая отрасль генетики - геномика, изучающая не отдельные гены, а целые геномы. Достижения молекулярной биологии и генной инженерии дали человеку возможность читать генетические тексты вначале вирусов, бактерий, дрожжевых грибков, многоклеточных животных. Например, знание геномной структуры патогенных бактерий очень важно при создании рационально сконструированных вакцин, для диагностики и других медицинских целей.

Апрель 2003 года ознаменовался сенсацией в биологии и медицине: Международный консорциум по составлению генетической карты человека (Центр геномного секвенирования: Вашингтонский университет и Сенгеровский центр в Кембридже) опубликовал заявление, что удалось полностью расшифровать геном человека. Титанический труд сотен исследователей из США, Великобритании, Германии, Франции, Японии и Китая занял более 10 лет и обошелся почти в 3 млрд долларов. При этом были разработаны высокоэффективные технологии и инструменты картирования, такие как коллекции клеток, в которых есть небольшие фрагменты каждой из хромосом или искусственные дрожжевые хромосомы, содержащие крупные фрагменты хромосом человека, бактериальные и фаговые векторы, позволяющие размножить (клонировать) фрагменты ДНК человека. Быстро прогрессировала техника секвенирования (например, многоканальный капиллярный электрофорез ускорил и удешевил расшифровку первичной структуры ДНК). Созданы компьютерные программы, позволяющие находить гены в расшифрованных участках ДНК.

История развития биотехнологии

1917 - введен термин биотехнология;

- произведен в промышленном масштабе пенициллин;

- показано, что генетический материал представляет собой ДНК;

1953 - установлена структура инсулина, расшифрована структура ДНК;

1961 - учрежден журнал «Biotechnology and Bioengineering»;

1961-1966 - расшифрован генетический код, оказавшийся универсальным для всех организмов;

1953 - 1976 - расшифрована структура ДНК, ее функции в сохранении и передаче организмом наследственной информации, способность ДНК организовываться в гены;

1963 - осуществлён синтез биополимеров по установленной структуре;

1970 - выделена первая рестрикционная эндонуклеаза;

- осуществлён синтез ДНК;

1972 - синтезирован полноразмерный ген транспортной РНК;

1975 - получены моноклональные антитела;

1976 - разработаны методы определения нуклеотидной последовательности ДНК;

1978 - фирма «Genentech» выпустила человеческий инсулин, полученный с помощью Е. соli;

- синтезированы фрагменты нуклеиновых кислот;

- разрешена к применению в Европе первая вакцина для животных, полученная по технологии рекомбинантных ДНК;

1983 - гибридные Ti - плазмиды применены для трансформации растений;

1990 - официально начаты работы над проектом «геном человека»;

1994 - 1995 - опубликованы подробные генетические и физические карты хромосом человека;

1996 - ежегодный объем продаж первого рекомбинантного белка (эритропоэтина) превысил 1 млрд долларов;

1997 - клонировано млекопитающее из дифференцированной соматической клетки;

2003 - расшифрован геном (набор генов, присущий организму) человека, содержащий приблизительно 30 тысяч генов и три миллиарда «букв» молекул ДНК.

biofile.ru

История развития биотехнологии

Вопрос о формировании биотехнологии трактуется неоднозначно: по мнению одних (Овчинников, Баев, Скрябин), считается правомерным отнести к сфере биотехнологии древние процессы брожения, включая получение спирта, силосование; по мнению других (Аиба, Хемфри, Миллис), условной датой появления биотехнологии можно считать присуждение компании «Мерк Кемикал Компани» за достижения в области биохимической технологии в 1947 г. премии Мак-Гро – Хилла и, наконец, есть мнение, что начало биотехнологии следует отнести к 70-м годам ХХ столетия к моменту зарождения генетической инженерии. Видимо, правомерно отнести возникновение современной биотехнологии, начавшей свое формирование на базе существующих отраслей микробиологической промышленности, к началу 50-х годов нынешнего века, а весь предшествующий данному периоду этап называть предысторией формирования биотехнологии, ведущей корни из древнейших цивилизаций. Предысторию формирования биотехнологии можно подразделить на ряд этапов:

– появление эмпирической технологии в 6м тысячелетии до н.э.,

– зарождение естественных наук в XV–XVII веках;

– формирование микробиологических производств и начало взаимодействия науки и микробиологических производств в конце XIX – 10-х годах XX века, вызвавшее революционное преобразование микробиологических производств;

– создание научно-технических предпосылок для возникновения современной биотехнологии (10-е – конец 40-х годов XX века).

Фото: Idaho National Laboratory

Человек с древнейших времен начал использовать в своей хозяйственной деятельности биологические организмы, в частности микроорганизмы, не зная об их существовании. Первым микробиологическим процессом, использованным на практике, было брожение – процесс обмена веществ, при котором в органическом субстрате происходят изменения под воздействием микробных ферментов. Возбудителями бродильных процессов являются грибы, бактерии, дрожжи. Данные организмы легко культивируются, быстро размножаются в сравнительно простых условиях и синтезируют ферменты, вызывающие разложение органических веществ. С древнейших времен брожение применяли при хлебопечении, пивоварении и виноделии. Так, при раскопках Вавилона обнаружены дощечки, насчитывающие 6000 лет, с описанием процесса приготовления пива, а в пирамидах Египта, построенных в этот же период, – караваи хлеба. Есть сведения об очистных сооружениях, которые функционировали в древнем Риме. С 3–4-го тысячелетий известны человеку процессы пектинового брожения, лежащие в основе мочки прядильных растений, льна, конопли и др. С древнейших времен человечество сталкивалось и с отрицательными последствиями деятельности микроорганизмов (порча продуктов, инфекционные болезни людей и домашнего скота). Следствием этого на первых этапах были неосознанные, эмпирические попытки разработки методов и средств борьбы с этими явлениями. Так стали возникать методы консервирования продуктов.

Во второй половине XV века начитается развитие современного естествознания. На становление и развитие биологии существенное влияние оказали успехи химии, которая из описательной в этот период превращается в аналитическую. Произошли сдвиги в изучении сущности процессов брожения; появился термин «ферментация», а процесс брожения стали связывать с наличием в среде дрожжей или ферментов. В XVI–XVII веках сначала во Франции, а затем повсеместно для разрыхления теста стали использовать пивные дрожжи; позднее с изменением и совершенствованием технологии пивоварения для этих целей стали применять дрожжи спиртовых производств. В Европе стали добывать медь в процессах бактериального выщелачивания. Во второй половине XVIII века была доказана способность одного вещества разлагать другое. Это послужило началом экспериментального изучения уникальной способности ферментов к катализу специфических химических реакций. Таким образом, развитие описательной микробиологии и изучение химических превращений стали важной предпосылкой для становления микробиологии и биохимии.

В XIX веке с развитием химических наук были заложены основы органической химии. В этот период были открыты многие органические кислоты, глицерин, холестерин, глюкоза, первые аминокислоты, осуществлен синтез мочевины. Для зарождения энзимологии большое значение имело изучение процесса гидролиза полисахаридов. Огромное влияние на создание научных основ микробиологических производств имели работы Луи Пастера, который по просьбе правительства Франции исследовал причины нарушения технологических процессов в ряде производств. Работая в области прикладной микробиологии, Пастер сделал ряд крупнейших фундаментальных открытий, которые заложили основы современной технической микробиологии. Пастер неоспоримо доказал, что болезни, порча продуктов, брожение и гниение вызываются микроорганизмами, и создал теорию об экзогенности попадания этих организмов в среду. Этим была доказана несостоятельность бытующей в то время теории самозарождения микроорганизмов.

Работы Пастера заложили научные основы виноделия, пивоварения, производства спирта и уксуса, борьбы с инфекционными болезнями. Современник Пастера Гексли, оценивая работы Пастера, говорил, что «... он своими открытиями возместил Франции большую часть контрибуции, уплаченной Германии». Крупным достижением данного периода была разработка метода чистых культур, а также усовершенствование сред для выделения и выращивания микроорганизмов. Чистые культуры стали применять в сложившихся микробиологических производствах. Большое значение имели работы по изучению микробного антагонизма и применению его в медицине. Мечниковым было создано учение об антагонизме микробов и научно обоснованы рекомендации для практических применений этого учения. В этот период активно изучалась азотфиксация.

Немецкие исследователи Гельригель и Вильфарт установили биологическую природу процесса фиксации азота бобовыми растениями, а Бейеринк выделил чистую культуру клубеньковых бактерий и доказал их присутствие в ризосфере растений. Тогда же блестящими работами Виноградского, Омельянского, Надсона, Исаченко были заложены основы геологической микробиологии; начато изучение роли микроорганизмов в превращениях серы, железа, кальция, грязеобразовании. Стали закладываться научные основы биологической обработки и обезвреживания стоков. Очистные сооружения, известные со времен Древней Индии и Римской империи и пришедшие в упадок в средние века, с бурным развитием промышленности на рубеже XIX–XX веков вновь стали предметом пристальных исследований. В этот период начала складываться энзимология. Для изучения и применения ферментов потребовалась разработка и подбор специальных «мягких» методов выделения и очистки. Началось практическое применение ферментных препаратов для подслащивания ряда веществ, появились препараты для дубления кож и применения в аналитике.

В 70–80-е годы XIX столетия были заложены основы культивирования растительных клеток и животных тканей. После работ Шванна и Вирхова, назвавших клетку элементарным организмом, возник интерес к изучению живых клеток, и начались эксперименты по сохранению жизнеспособности клеток и кусочков тканей в специфических условиях и средах. В 1865 г. Мендель доложил Обществу испытателей природы свои наблюдения о закономерностях передачи наследственных признаков. В начале XX века были введены термины «мутации», «ген», возникла гипотеза Сэттона-Бовери о том, что хромосомы являются материальными носителями наследственных признаков. Русский цитолог Навашин раскрыл особенности структуры хромосом и заложил основы хромосомной теории наследственности. Таким образом, в данный период внедрение научных знаний дало возможность приступить к разработке научно-обоснованных биотехнологий многих производственных процессов. Последний период эры предыстории современных биотехнологий (10-е – 40-е годы XX века) условно можно подразделить на два этапа. На первом этапе, в начале его, в основном, происходило усовершенствование технологии существующих производств, а затем, благодаря успехам микробиологии, биохимии и других наук того периода, в результате принципиальных усовершенствований аппаратуры и технологий возникла основа для организации новых производств. В этот период стали выпускать новые экологически чистые биоудобрения и биологические препараты для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений, возникли производства ряда целевых продуктов (органических растворителей, спиртов), начались промышленные испытания биотехнологических процессов переработки и использования растительных отходов. Второй этап данного периода тесно связан с биотехнологическими методами получения ряда сложных веществ – антибиотиков, ферментов, витаминов.

Революционным моментом данного периода была промышленная реализация технологии производства антибиотиков. Отправной точкой при этом послужило открытие Флемингом, Флори и Чейном химиотерапевтического действия пенициллина. Практически одновременно в СССР Ермольева, изучая действие лизоцима, показала, что он является фактором естественного иммунитета, а Гаузе и Бражникова получили новый активный препарат – антибиотик грамицидин. После второй мировой войны в ходе интенсивного развития промышленных биотехнологий были организованы производства аминокислот, белка одноклеточных, превращение стероидов, освоено культивирование клеток животных и растений. Интактные клетки микроорганизмов широко стали использовать для получения лекарственных веществ стероидной природы, были организованы крупные производства вакцин. Эра новейших биотехнологических процессов, возникшая в течение последних 25–30 лет, связана с использованием иммобилизованных ферментов и клеточных органелл, а также основана на методах рекомбинантных ДНК. Бурно развивающиеся в настоящее время генетическая и клеточная инженерия способствуют тому, что биотехнологии постепенно завоевывают все новые и новые области производства и решительно внедряются во многие сферы деятельности человека.

В 50-е годы после успешного использования для получения вакцины вируса полиомиелита, выращиваемого в культуре клеток млекопитающих, линии культур клеток человека стали незаменимыми для выделения и культивирования ряда других вирусов, производства антител, интерферона, противоопухолевых химиопрепаратов. В конце 60-х годов иммобилизованные ферменты и клетки стали успешно применяться не только для производства полусинтетических препаратов, но и для проведения несложных биохимических анализов. Возникновение генетической инженерии условно относят к 1972 году, когда в США Бергом была создана первая рекомбинантная молекула ДНК.

С середины 70-х годов данной проблемой интенсивно занимаются тысячи научных коллективов и промышленных компаний во всех странах мира. Сочетание слов «генетика» и «инженерия» свидетельствуют о том, что наступило время, когда стало возможным конструирование рекомбинантных ДНК и целенаправленно создавать искусственные генетические программы. Это дало возможность организовать получение многих важных препаратов, а также начать работу по получению новых суперштаммов-деградаторов промышленных токсикантов. Внедрение новейших методов биотехнологии в настоящее время производит переворот в различных областях биотехнологии, включая биотехнологические процессы. Эти методы позволяют интенсифицировать экологически чистые биотехнологии воспроизводства пищи и кормовых препаратов, решать методами задачи обеспечения человечества материальными и энергетическими ресурсами и также природоохранные проблемы.

Таким образом, корни биотехнологических процессов уходят в далекое прошлое, а их будущее необычайно широко и перспективно. Современном биологическим технологиям под силу создать отрасли, основанные на функционировании биологических систем, метаболические системы которых обладают уникальными достоинствами и подчинены интересам человечества.

Литература: Т. Г. Волова. Биотехнология. Изд-во СОРАН Новосибирск 1999

biofile.ru

История развития молекулярной биотехнологии

Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, другие молочнокислые продукты, используя различные микроорганизмы, при этом даже не подозревая об их существовании. Собственно сам термин появился в нашем языке не так давно, вместо него употреблялись слова «промышленная микробиология», «техническая биохимия» и др. Вероятно, древнейшим биотехнологическим процессом было сбраживание с помощью микроорганизмов. В пользу этого свидетельствует описание процесса приготовления пива, обнаруженное в 1981 г. при раскопках Вавилона на дощечке, которая датируется примерно 6-м тысячелетием до н. э. В 3-м тысячелетии до н. э. шумеры изготовляли до двух десятков видов пива. Не менее древними биотехнологическими процессами являются виноделие, хлебопечение, и получение молочнокислых продуктов. В традиционном, классическом, понимании биотехнология - это наука о методах и технологиях производства различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов

Термин «новая» биотехнология в противоположность «старой» биотехнологии применяют для разделения биопроцессов, использующих методы генной инженерии, новую биопроцессорную технику, и более традиционные формы биопроцессов. Так, обычное производство спирта в процессе брожения – «старая» биотехнология, но использование в этом процессе дрожжей, улучшенных методами генной инженерии с целью увеличения выхода спирта - «новая» биотехнология.

Биотехнология как наука является важнейшим разделом современной биологии, которая, как и физика, стала в конце XX в. одним из ведущих приоритетов в мировой науке и экономике.

Всплеск исследований по биотехнологии в мировой науке произошел в 80-х годах, когда новые методологические и методические подходы обеспечили переход к эффективному их использованию в науке и практике и возникла реальная возможность извлечь из этого максимальный экономический эффект. По прогнозам, уже в начале 21 века биотехнологические товары будут составлять четверть всей мировой продукции.

В нашей стране значительное расширение научно-исследовательских работ и внедрение их результатов в производство также было достигнуто в 80-е годы. В этот период в стране была разработана и активно осуществлялась первая общенациональная программа по биотехнологии, были созданы межведомственные биотехнологические центры, подготовлены квалифицированные кадры специалистов - биотехнологов, организованы биотехнологические лаборатории и кафедры в научно-исследовательских учреждениях и вузах.

Однако в дальнейшем внимание к проблемам биотехнологии в стране ослабло, а их финансирование сокращено. В результате развитие биотехнологических исследований и их практическое использование в России замедлилось, что привело к отставанию от мирового уровня, особенно в области генетической инженерии.

Что касается более современных биотехнологических процессов, то они основаны на методах рекомбинантных ДНК, а также на использовании иммобилизованных ферментов, клеток или клеточных органелл. Современная биотехнология - это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных биологических объектов для интенсификации производства или получения новых видов продуктов различного назначения.

Микробиологическая промышленность в настоящее время использует тысячи штаммов различных микроорганизмов. В большинстве случаев они улучшены путем индуцированного мутагенеза и последующей селекции. Это позволяет вести широкомасштабный синтез различных веществ.

Некоторые белки и вторичные метаболиты могут быть получены только путем культивирования клеток эукариот. Растительные клетки могут служить источником ряда соединений - атропин, никотин, алкалоиды, сапонины и др. Клетки животных и человека также продуцируют ряд биологически активным соединений. Например, клетки гипофиза - липотропин, стимулятор расщепления жиров, и соматотропин - гормон, регулирующий рост.

Созданы перевиваемые культуры клеток животных, продуцирующие моноклональные антитела, широко применяемые для диагностики заболеваний. В биохимии, микробиологии, цитологии несомненный интерес вызывают методы иммобилизации как ферментов, так и целых клеток микроорганизмов, растений и животных. В ветеринарии широко используются такие биотехнологические методы, как культура клеток и зародышей, овогенез in vitro, искусственное оплодотворение. Все это свидетельствует о том, что биотехнология станет источником не только новых продуктов питания и медицинских препаратов, но и получения энергии и новых химических веществ, а также организмов с заданными свойствами.

Общие понятия, основные вехи биотехнологии

Биотехнология возникла на стыке микробиологии, биохимии и биофизики, генетики и цитологии, биоорганической химии и молекулярной биологии, иммунологии и молекулярной генетики. Методы биотехнологии могут применяться на следующих уровнях: молекулярном (манипуляция с отдельными частями гена), генном, хромосомном, уровне плазмид, клеточном, тканевом, организменном и популяционном.

Выдающиеся достижения биотехнологии в конце ХХ в. привлекли к ней внимание не только широкого круга ученых, но и всей мировой общественности. Не случайно ХХI в. предложено считать веком биотехнологии.

Термин «биотехнология» предложил венгерский инженер Карл Эреки (1917), когда описывал производство свинины (конечный продукт) с использованием сахарной свеклы (сырье) в качестве корма для свиней (биотрансформация).

Под биотехнологией К. Эреки понимал «все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты». Все последующие определения этого понятия - всего лишь вариации пионерской и классической формулировки К. Эреки.

Биотехнология - наука об использовании живых организмов, биологических процессов и систем в производстве, включая превращение различных видов сырья в продукты.

По определению академика Ю.А. Овчинникова, биотехнология - комплексная, многопрофильная область научно - технического прогресса, включающая разнообразный микро - биологический синтез, генетическую и клеточную инженерную энзимологию, использование знаний, условий и последовательности действия белковых ферментов в организме растений, животных и человека, в промышленных реакторах.

К биотехнологии относится трансплантация эмбрионов, получение трансгенных организмов, клонирование.

Стэнли Коэн и Герберт Бойер в 1973 г. разработали метод переноса гена из одного организма в другой. Коэн писал: «...есть надежда, что удастся ввести в Е. coli гены, ассоциированные с метаболическими или синтетическими функциями присущими другим биологическим видам, например, гены фотосинтеза или продукции антибиотиков». С их работы началась новая эра в молекулярной биотехнологии. Было разработано большое число методик, позволяющих 1) идентифицировать 2) выделять; 3) давать характеристику; 4) использовать гены.

В 1978 г. сотрудники фирмы «Genetech» (США) впервые выделили последовательности ДНК, кодирующие инсулин человека, и перенесли их в клонирующие векторы, способные реплицироваться в клетках Escherichiacoli. Этот препарат мог использоваться больными диабетом, у которых наблюдалась аллергическая реакция на инсулин свиньи.

В настоящее время молекулярная биотехнология дает возможность получать огромное количество продуктов: инсулин, интерферон, «гормоны роста», вирусные антигены, огромное количество белков, лекарственных препаратов, низкомолекулярные вещества и макромолекулы.

Несомненные успехи в использовании индуцированного мутагенеза и селекции для улучшения штаммов-продуцентов при производстве антибиотиков и т.д. стали еще более значимы с использованием методов молекулярной биотехнологии.

Основные вехи развития молекулярной биотехнологии представлены в таблице 1.

Таблица 1. История развития молекулярной биотехнологии (Глик, Пастернак, 2002)

В настоящее время в мире существует более 3000 биотехнологических компаний. В 2004 г. в мире было произведено биотехнологической продукции более чем на 40 млрд. долларов.

biofile.ru

• 
  Древесно кустарниковые растения список
• 
  Дикий помидор комнатное растение
• 
  Грибковые заболевания хвойных растений
• 
  Гигантские растения для сада
• 
  10 удивительных растений мира
• 
  Железный купорос защита растений
• 
  Защита растений железный купорос
• 
  Условия произрастания культурных растений
• 
  Оборудование со2 для растений
• 
  Растение азимина фото описание
• 
  Питомники растений в лнр