Реферат: Биотехнология. Реферат по биотехнологии растений

Реферат - Биотехнологии - Биология

Удивительными открытиями в науке и грандиозным научно-техническим прогрессом ознаменовался XX век, однако научно-технический прогресс в настоящем виде имеет негативные стороны: исчерпание ископаемых ресурсов загрязнение окружающей среды, исчезновение многих видов растений и животных, глобальное изменение климата, появление озоновых дыр над полюсами Земли и т.д. Ясно, что такой путь ведёт в тупик. Нужно принципиальное изменение вектора развития. Биотехнология может внести решающий вклад в решение глобальных проблем человечества.

Биотехнология — это использование живых организмов (или их составных частей) в практических целях. Когда говорят о современной биотехнологии, то подобное определение дополняют словами: на базе достижений молекулярной биологии. Если не сделать подобного добавления, то под определение «биотехнология» попадут и традиционное с/х, животноводство и многие отрасли пищевой промышленности, использующие микроорганизмы. Далее мы остановимся на одном из видов биотехнологии, а именно на генной инженерии, которая открывает совершенно новые пути в медицине химии, в производстве Энергии, новых материалов, в охране окружающей среды. Генная инженерия — это технология манипуляций с веществом наследственности — ДНК.

Сегодня учёные могут в пробирке разрезать молекулу ДНК в желательном месте, изолировать и очищать отдельные её фрагменты, синтезировать их из двух дезоксирибонуклеотидов, могут сшивать такие фрагменты. Результатом таких манипуляций являются «гибридные», или рекомбинантные молекулы ДНК, которых до этого не было в природе.

Годом рождения генной инженерии считается 1972 год, когда в лаборатории Пола Берга в США была получена в пробирке первая рекомбинантная реплицироваться, т.е. размножаться, в бактерии кишечной палочки E.сoli. Само появление генной инженерии стало возможным благодаря фундаментальным открытиям в молекулярной биологии.

В 60-е годы ученые расшифровали генетический код, т.е. установили, что каждая аминокислота в белке кодируется триплетом нуклеотидов в ДНК. Особенно важно, что генетический код универсален для всего живого мира. Это означает, что весь мир «разговаривает» на одном языке. Если передать в какую- либо клетку «чужеродную» ДНК, то информация, в ней закодированная, будет правильно воспринята клеткой реципиентом.

Далее было установлено, что существуют специальные последовательности ДНК, определяющие начало и окончание транскрипции, трансляции, репликации. Практически все эти системы, в первом приближении, безразличны к последовательностям ДНК, расположенным между данными сигналами. Надо сказать, что сами сигналы различаются в разных организмах. Из всего сказанного следует, что если взять некий структурный ген(например человека) и in vitro снабдить его сигналами, характерными для гена бактериальной клетки, то такая структура, помещённая в бактериальную клетку, будет способна к синтезу человеческого белка.

Принципиальная особенность генной — способность создавать структуры ДНК, которые никогда не образуются в живой природе. Генная инженерия преодолела барьер, существующий в живом мире, где генетический обмен осуществляется только в пределах одного вида или близкородственных видов организмов. Она позволяет переносить гены из одного живого организма в любой другой. Эта новая техника открыла безграничные перспективы создания микроорганизмов, растений и животных с новыми полезными свойствами.

Конечно, нарушение барьеров живой природы может таить потенциальную опасность. Вот почему во всех развитых странах мира правила работы, законы, регулирующие генно-инженерную деятельность. Закон о «генно-инженерной деятельности» принят и парламентом РФ в июле 1996 г.

Невозможно рассказать о всех аспектах применения техники генной инженерии в биотехнологии или научных исследованиях. Приведём лишь несколько примеров, иллюстрирующих возможности этого метода.

Одно из наиболее важных направлений генной инженерии — производство лекарств нового поколения, представляющих собой биологически активные белки человека. Следует напомнить, что в большинстве случаев белки человека (как и других животных) видоспецифичны, т.е. для лечения человека можно использовать только белки человека. Вследствие этого возникает проблема получения человеческих белков в нужных количествах.

В связи со сказанным интересна история получения интерферонов. В 1957 г. английские ученые Иссаакс и Линдельман обнаружили, что мыши, болевшие гриппом, не подвержены инфекции другими, более опасными вирусами. Исследование наблюдаемого явления привело к выводу, клетки животных и человека в ответ на вирусную инфекцию выделяют какое-то вещество, которое делает окружающие здоровые клетки устойчивыми к вирусной инфекции. Это вещество (или вещества) получило название интерферона.

В течение последующих 20 лет велись интенсивные исследования. Было установлено, что интерфероны — группы белков, относящиеся к 3 классам — alpha, betta и gamma. Лейкоциты крови выделяют интерферон типа alpha, фибробласты типа betta и T- лейкоциты типа gamma. Интерфероны выделили, очистили и показали их эффект как противовирусных лекарств. Кроме того, эти белки оказались эффективными при лечении рассеянного склероза и некоторых видов рака. Единственным препятствием к использованию интерферонов была их малая доступность. Они синтезировались в очень малых количествах: источником их получения была или донорская кровь, или культура клеток человека. К сожалению, эти источники не позволяли получать интерфероны в количестве, нужных медицине.

В 1980 — 1985 гг. в нескольких лабораториях мира, в том числе и в СССР, были выделены гены человека, определяющие синтез интерферонов, и введены в бактерии. Такие бактерии стали способны синтезировать человеческий интерферон. Очень важно, что они быстро растут, используют дешёвую питательную среду и синтезируют большое количество белка. Из 1 л бактериальной культуры можно выделить столько человеческого интерферона alpha, сколько из 10 тыс. л. донорской крови. Полученный белок абсолютно идентичен интерферону, синтезируемому в организме человека. Конечно, пришлось решать сложную задачу очистки интерферона, полученного способом генной инженерии, до гомогенного состояния.

Ещё 4 — 6 лет заняли доклинические и клинические испытания. Наконец в 1989 -1990 гг. появилось новое лекарство — человеческий интерферон alpha; в России он выпускается под названием «реаферон». За эту работу группа ученых удостоена Ленинской премии.

Сегодня это почти единственный препарат, который эффективен против вирусных гепатитов как в острой, так и в хронических формах, против герпеса, простудных заболеваний. Интерферон применяется и в терапии некоторых видов рака. За рубежом с 1994 г. выпускаются препараты betta и gamma — интерферонов человека.

Из других препаратов рекомбинантных белков человека, получивших широкое медицинское применение, следует назвать инсулин, гормон роста, эритропоэтин. Свиной инсулин отличается от человеческого всего одной аминокислотой. Применяется с 1926 г. для лечения людей при инсулинзависимом сахарном диабете. Для гормона роста и эритропоэтина отмечается, как и для интерферонов, видоспецифичность белков. Генная инженерия открыла новую возможность использования этих белков в медицине. Гормон роста применяется не только для борьбы с карликовостью, но и широко используется как стимулятор для заживления ран, сращивания костей. Гормоны роста животных начали использовать в с/х (увеличение на 15% удоя коров, ускорение роста рыб). Эритропоэтин — стимулятор кроветворения и используется при лечении различного рода анемий.

В настоящее время в мире получили разрешение на применение более 30 препаратов, созданных методами генной инженерии, и более 200 находятся на разных стадиях клинических исследований. Сейчас более 20% фармацевтического рынка лекарств составляют лекарства новой биотехнологии.

Использование рекомбинантных белков человека — принципиально новая терапия. В не вводится ничего чужого. Действительно, если в нём не хватает инсулина или гормона роста, их добавляют (заместительная терапия). С вирусами организм сам борется с помощью интерферонов — человек просто помогает ему.

Значительные успехи достигнуты в генной инженерии растений. В основе этой техники лежат методы культивирования клеток и тканей растений в пробирке и возможность регенерации целого растения из отдельных клеток.

В генной инженерии растений есть свои проблемы. Одна из них состоит в том, что многие полезные свойства растений кодируются не одним, а многими генами. Это делает трудным или невозможным прямое генно-инженерное совершенствование свойств. Другое препятствие, которое постепенно преодолевается, — трудности культивирования и регенерации клеток в целое растение среди некоторых видов, например злаков. Лучшие результаты получены в том случае, когда перенос одного гена может привести к появлению у растения полезного свойства.

Несмотря на ограничения, получены впечатляющие результаты: созданы сорта хлопчатника, томатов, табака, риса, устойчивых к насекомым-вредителям, вирусам, грибковым заболеваниям. Пионер в области применения генно-инженерных растений в с/х — США. Здесь в 1996 году до 20% посевов хлопчатника произведено семенами, модифицированными методом генной инженерии.

Создание генно-инженерных (их сейчас называют трансгенными) животных имеет те же принципиальные трудности, что и создание трансгенных растений, а именно: множественность генов, определяющих хозяйственно ценные признаки. Тем не менее, есть быстро развивающаяся область, связанная с созданием трансгенных животных — продуцентов биологически активных белков.

В высших организмах конкретные гены кодируют производство белков в определенных тканях. Хотя все гены содержатся в каждой клетке, в специализированных клетках работают только некоторые из них, этим и определяется тканевая специфичность. Примером может служить производство белков молока (козеин, лактальбумин) в молочных железах. Есть возможность подставить нужный нам ген под регуляторные последовательности, например казеина, и получить чужеродный белок в составе молока. Важно при этом, что животное чувствует себя нормально, так как чужой ген работает только в процессе лактации.

В мире уже существуют сотни трансгенных овец и коз, продуцирующих в молоке от десятков миллиграмм до нескольких грамм биологически активных белков человека в 1л молока. Такой метод производства экономически выгоден и экологически чище, хотя и требует от ученых больших усилий и времени при создании трансгенных животных по сравнению с созданием генно-инженерных микроорганизмов.

С молоком трансгенных животных можно получать не только лекарства. Известно, что для производства сыра высокого качества необходим фермент, створаживающий молоко, — реннин. Этот фермент добывают из желудков молочных телят. Он дорог и не всегда доступен. Наконец, генные инженеры сконструировали дрожжи, которые стали производить этот ценный белок при микробиологическом синтезе.

Следующий этап генной инженерии — создание трансгенных овец, которые синтезируют химозин в молоке. Небольшое стадо наших овец в России находится на Ленинских Горках под Москвой. Эти овцы синтезируют до 300 мг/л фермента в молоке. Для процесса сыроварения белок можно не выделять, а использовать просто в составе молока.

Возможна экспансия биотехнологии в области, которые сегодня целиком принадлежат химии. Это — биокатализ (вместо химического катализа) и новые материалы. Один из процессов биокатализа, успешно реализованного в промышленности, — получение акриламида из акрилонитрила.

Ch3=CH–CN -> Ch3=CH-C=0

|

Nh3

Акриламид служит исходным мономером для получения полимеров и сополимеров, широко используемых при очистке воды и стоков, в горном деле, при осветлении соков и вин, приготовлении красок и т.п.

До недавнего времени процесс гидролиза нитрила вели при 105 С в присутствии серной кислоты. После окончания процесса серную кислоту нейтрализовали аммиаком. Большое количество сернокислого аммония, в конечном счёте оказывался в реках. Были велики затраты энергии, быстро изнашивалось оборудование, и качество акриламида оставляло желать лучшего.

В 1987 году ученые из института генетики и селекции промышленных микроорганизмов совместно со своими коллегами из Саратовского филиала института приступили к поиску в природе микроорганизмов, которые могли бы превращать акрилонитрил в акриламид, Такие микроорганизмы были найдены. После ряда манипуляций получены микроорганизмы, синтезирующие в 10 тыс. раз больше фермента – нитрилгидратазы, ответственного за трансформацию акрилонитрила.

Достижения учёных реализованы на практике. На одном из заводов, выпускающий антибиотики, налажен выпуск биокатализатора, т.е. нужных микроорганизмов, а ещё на 3 заводах осуществлён процесс биокаталитического получения акриламида. Процесс осуществляется при комнатном давлении и температуре, следовательно, мало энергоёмок. Процесс практически не имеет отходов, экологически чист. Получаемый новым методом акриламид имеет высокую чистоту, что важно, так как большая его часть далее полимеризуется в полиакриламид, а качество полимера сильно зависит от чистоты мономера.

Другой пример относится не к биокатализу, а к биоматериалам. Учёные давно обратили внимание на очень ценные механические свойства материала, из которого пауки плетут сети.

Паутинка примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса, этот материал мягче хлопка, прочнее стали, обладает уникальной эластичностью, практически не меняет свойств при изменении температуры, материал идеально подходит для многих практических целей: парашютного корда, бронежилетов и т.д. Вопрос, где взять большое количество паутины по исходной цене?

На помощь пришла генная инженерия. Учёные выделили гены, ответственные за синтез белков паутины, и перенесли их в микроорганизмы. В 1995 г. появилось сообщение американских исследователей, что в микроорганизмах действительно синтезируется нужный белок. Таким образом открывается путь к промышленному микробиологическому синтезу нового материала.

Обычно для роста микроорганизмов используются дешёвые крахмал, патока и другие с/х продукты, т.е. возобновляемое сырьё.

Нужно отметить. Что бактерии синтезируют не нити, а аморфный белок так же, как и пауки. Нить образуется, когда паук выдавливает белок из сопла своих желёз. Технически возможно имитировать этот процесс, продавливая аморфный белок через очень тонкие отверстия. Первые нити из микробиологического белка уже получены. Есть реальная возможность улучшить великолепные качества паутины, внеся некоторые изменения в аминокислотную последовательность белка.

Приведённые примеры далеко не охватывают всех практических аспектов применения генной инженерии. Мы не касались вопросов энергетики, охраны среды, добычи полезных ископаемых, микробиологической промышленности, а также очень важного вопроса – роли генной инженерии в развитии самой молекулярной биологии.

Новая «Зелёная революция», которая уже началась, даст растения, которые не будут нуждаться в пестицидах, а в будущем — и в азотных удобрениях. Прекращение использования

Химических пестицидов резко улучшит состояние окружающей среды, сократит расходы нефти и газа на их производство (на 3%). Появятся новые материалы новые лекарства, высокопроизводительные животные, новые пищевые продукты.

По заключению экспертов конгресса США, «биотехнология в наибольшей степени изменит образ жизни людей в XXI веке».

www.ronl.ru

Реферат Биотехнология

Реферат на тему:

План:

Введение
• 1 История биотехнологии
• 2 Искусственный отбор
• 3 Клонирование
• 4 Гибридизация
• 5 Генная инженерия
  • 5.1 Трансгенные растения
  • 5.2 Трансгенные животные
• 6 Биоинженерия
• 7 Биотехнология в фантастике
• 8 Примечание

Введение

Возможные способы применения массовой культуры водорослей

Биотехноло́гия — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии.

Биотехнологией часто называют применение генной инженерии в XX–XXI веках, но термин относится и к более широкому комплексу процессов модификации биологических организмов для обеспечения потребностей человека, начиная с модификации растений и одомашненных животных путем искусственного отбора и гибридизации. С помощью современных методов традиционные биотехнологические производства получили возможность улучшить качество пищевых продуктов и увеличить продуктивность живых организмов.

До 1971 года термин «биотехнология» использовался, большей частью, в пищевой промышленности и сельском хозяйстве. С 1970 года учёные используют термин в применении к лабораторным методам, таким, как использование рекомбинантной ДНК и культур клеток, выращиваемых in vitro.

Биотехнология основана на генетике, молекулярной биологии, биохимии, эмбриологии и клеточной биологии, а также прикладных дисциплинах — химической и информационной технологиях и робототехнике.

1. История биотехнологии

Впервые термин «биотехнология» применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году.

Использование в промышленном производстве микроорганизмов или их ферментов, обеспечивающих технологический процесс известны издревле, однако систематизированные научные исследования позволили существенно расширить арсенал методов и средств биотехнологии.

Так, в 1814 году петербургский академик К. С. Кирхгоф открыл явление биологического катализа и пытался биокаталитическим путём получить сахар из доступного отечественного сырья (до середины XIX века сахар получали только из сахарного тростника). В 1891 году в США японский биохимик Дз. Такамине получил первый патент на использование ферментных препаратов в промышленных целях: учёный предложил применить диастазу для осахаривания растительных отходов.

В начале XX века активно развивалась бродильная и микробиологическая промышленность. В эти же годы были предприняты первые попытки наладить производство антибиотиков, пищевых концентратов, полученных из дрожжей, осуществить контроль ферментации продуктов растительного и животного происхождения.

Первый антибиотик — пенициллин — удалось выделить и очистить до приемлемого уровня в 1940 году, что дало новые задачи: поиск и налаживание промышленного производства лекарственных веществ, продуцируемых микроорганизмами, работа над удешевлением и повышением уровня биобезопасности новых лекарственных препаратов.

2. Искусственный отбор

3. Клонирование

4. Гибридизация

5. Генная инженерия

Субстраты для получения белка одноклеточных для разных классов микроорганизмов

Несмотря на то, что первые успешные опыты по трансформации клеток экзогенной ДНК были поставлены ещё в 1940-е года Эйвери, Маклеодом и Маккарти, первый коммерческий препарат человеческого рекомбинантного инсулина был получен только в 1970-е года. Введение чуждых для генома бактериальных клеток генов производят с использованием т. н. векторных ДНК, например плазмиды, присутствующие в бактериальных клетках, а также бактериофаги и другие мобильные генетические элементы могут быть использованы в качестве векторов для переноса экзогенной ДНК в клетку реципиента.

Получить новый ген можно:

• А) Вырезанием его из геномной ДНК хозяина при помощи рестрицирующей эндонуклеазы, катализирующей разрыв фосфодиэфирных связей между определёнными азотистыми основаниями в ДНК на участках с определённой последовательностью нуклеотидов;
• Б) Химико-ферментативным синтезом;
• В) Синтезом кДНК на основе выделенной из клетки матричной РНК при помощи ферментов ревертазы и ДНК-полимеразы, при этом изолируется ген, не содержащий незначащих последовательностей и способный экспрессироваться при условии подбора подходящей промоторной последовательности в прокариотических системах без последующих модификаций, что чаще всего необходимо при трансформации прокариотических систем эукариотическими генами, содержащими интроны и экзоны.

После этого обрабатывают векторную молекулу ДНК рестриктазой с целью образования двуцепочечного разрыва и в образовавшуюся «брешь» производится «вклеивание» гена в вектор используя фермент ДНК-лигазу, а затем такими рекомбинантными молекулами трансформируют клетки реципиента, например клетки кишечной палочки. При трансформации с использованием в качестве вектора например плазмидной ДНК необходимо, чтобы клетки были компетентными для проникновения экзогенной ДНК в клетку, для чего например используют электропорацию клеток реципиента. После успешного проникновения в клетку экзогенная ДНК начинает реплицироваться и экспрессироваться в клетке.

5.1. Трансгенные растения

Трансгенные растения — это те растения, которым «пересажены» гены других организмов.

Картофель, устойчивый к колорадскому жуку, был создан путём введения гена выделенного из генома почвенной тюрингской бациллы Bacillus thuringiensis, вырабатывающий белок Cry, представляющий собой протоксин, в кишечнике насекомых этот белок растворяется и активируется до истинного токсина, губительно действующего на личинок и имаго насекомых, у человека и других теплокровных животных подобная трансформация протоксина невозможна и соответственно этот белок для человека не токсичен и безопасен. Опрыскивание спорами Bacillus thuringiensis использовалось для защиты растений и до получения первого трансгенного растения, но с низкой эффективностью, продукция эндотоксина внутри тканей растения существенно повысило эффективность защиты, а также повысило экономическую эффективность ввиду того, что растение само начало продуцировать защитный белок. Путём трансформации растения картофеля при помощи Agrobacterium tumefaciens были получены растения, синтезирующие этот белок в мезофилле листа и других тканях растения и соответственно непоражаемые колорадским жуком. Данный подход используется и для создания других сельскохозяйственных растений, резистентных к различным видам насекомых.

5.2. Трансгенные животные

В качестве трансгенных животных чаще всего используются свиньи. Например, есть свиньи с человеческими генами — их вывели в качестве доноров человеческих органов.

Японские генные инженеры ввели в геном свиней ген шпината, который производит фермент FAD2, способный преобразовывать жирные насыщенные кислоты в линолевую — ненасыщенную жирную кислоту. У модифицированных свиней на 1/5 больше ненасыщенных жирных кислот, чем у обычных.[1]

Зелёные светящиеся свиньи — трансгенные свиньи, выведенные группой исследователей из Национального университета Тайваня путём введения в ДНК эмбриона гена зелёного флуоресцентного белка, позаимствованного у флуоресцирующей медузы Aequorea victoria. Затем эмбрион был имплантирован в матку самки свиньи. Поросята светятся зелёным цветом в темноте и имеют зеленоватый оттенок кожи и глаз при дневном свете. Основная цель выведения таких свиней, по заявлениям исследователей, — возможность визуального наблюдения за развитием тканей при пересадке стволовых клеток.

6. Биоинженерия

Биоинженерия или биомедицинская инженерия - это дисциплина, направленная на углубление знаний в области инженерии, биологии и медицины и укрепление здоровья человечества за счет междисциплинарных разработок, которые объединяют в себе инженерные подходы с достижениями биомедицинской науки и клинической практики. Биоинженерия/биомедицинская инженерия - это применение технических подходов для решения медицинских проблем в целях улучшения охраны здоровья. Эта инженерная дисциплина направлена на использование знаний и опыта для нахождения и решения проблем биологии и медицины. Биоинженеры работают на благо человечества, имеют дело с живыми системами и применяют передовые технологии для решения медицинских проблем. Специалисты по биомедицинской инженерии могут участвовать в создании приборов и оборудования, в разработке новых процедур на основе междисциплинарных знаний, в исследованиях, направленных на получение новой информации для решения новых задач. Среди важных достижений биоинженерии можно упомянуть разработку искусственных суставов, магниторезонансной томографии, кардиостимуляторов, артроскопии, ангиопластики, биоинженерных протезов кожи, почечного диализа, аппаратов искусственного кровообращения. Более подробную информацию о специальности "Биоинженерия" можно получить на Web-сайте Sloan Career Cornerstone Center в разделе Bioengineering.

7. Биотехнология в фантастике

• Арахниды (Звёздный десант)
• Ворлон
• Йуужань-вонги
• Лексс
• Раса X
• Рейфы (Звёздные врата)
• Тейлоны
• Тени (Вавилон-5)
• Тираниды

www.wreferat.baza-referat.ru

Реферат - Биотехнология - Биология и химия

Вот как объясняет ставшее за последнее время очень популярным словом “технология” “Словарь иностранных слов”: “Технология (от греческого techne — искусство, ремесло, наука — logos — понятие, учение) — совокупность знаний о способах и средствах проведения производственных процессов...” Слову “биотехнология” немногим за десять лет. Оно настолько молодо, что определение его не попало пока ни в один из словарей. Но факультеты биотехнологии в институтах уже появились.

Биотехнология — многоотраслевая наука. Но, пожалуй, наиболее почетное место в ней занимает, помимо генной инженерии, наука об искусственном культивировании изолированных клеток и тканей и о ростовых либо ингибирующих веществах.

Оторванная от коллектива себе подобных клетка в пробирке сохраняет “память” — генетическую информацию, заложенную родителями. Но специальность (специализацию) она утрачивает и образует при делении нечто аморфное, напоминающее по форме морскую губку — каллус (в переводе с латинского “мозоль” ). Это ткань, которая возникает не только в пробирке, но и в естественных условиях при ранении растения. Помимо утраты узкой специализации клетка порой начинает вести себя, словно пациент сумасшедшего дома. Например, активные гены вдруг застопориваются, а “спавшие” ни с того ни с сего начинают интенсивно работать. Клетка в “клетке”, то есть в пробирке, может резко изменить соотношение ферментных и структурных белков. В ней увеличивается число молекул РНК, синтезирующих в обилии те белки, к производству которых клетка ранее относилась с прохладцей.

Однако стоит предоставить “узнице” определенные условия, как она вновь приобретает какую-то специализацию, причем не обязательно “старую”: взятая из корня или листа клетка образует целое растение. Регенерации полноценных растений из каллуса добиваются в принципе двумя путями: дифференциацией побегов и корней посредством изменения соотношения гормонов цитокинина и ауксина или образованием эмбриоидов. Этот соматический (асексуальный) эмбриогенез впервые был прослежен к 1959 году у моркови; со временем его стали применять при производстве жизнеспособных растений у разных видов.

Небезынтересно, что в лабораториях обнаружили способность изолированных клеток некоторых видов растений закаляться. Так, если клетки без закалки еле переносят температуру —20° С, то с закалкой способны выдержать и минус 35° С, а клетки сибирской яблони с закалкой терпят мороз ниже 50° С. Вот только клетки теплолюбивого лимона никаким закалкам не поддаются. Появилась возможность отбора клеток с большой морозостойкостью из каллуса пшеницы и ели.

Изолированные клетки сохраняют способность синтезировать вещества, присущие ей invivo, то есть в теле живого организма, — витамины, гормоны, алкалоиды, кумарины, стеронды и так далее. Это заинтересовало биологов с точки зрения утилизации этих веществ для промышленности.

В лабораториях обнаружена еще одна способность клеток: отдели одну от других или посади ее на питательную среду поодаль от сородичей, и она наотрез откажется делиться и размножаться. Экспериментаторы, естественно, предполагают, что “телепатия” клеток имеет химическую природу, однако выделить и рассмотреть “в лицо” виновника “телепатии” до сих пор не удалось. Прямо не вещество, а привидение — очень уж мала его концентрация. Киевскому соратнику Р. Г. Бутенко — Ю. Ю. Глебе все же удалось заставить клетку, “страдающую” от одиночества, делиться в мельчайшей капельке питательной среды.

Чем дольше занималась лаборатория Р. Г. Бутенко культурой клеток, тем больше интересных явлений открывалось перед ее сотрудниками. Ну хотя бы то, что клетки каллуса, имеющие единственного предка — одну прапрапра… (и так далее) клетку, оказываются через несколько поколений генетически различными. Может быть, изучив это явление, мы обнаружим, что предком обезьяны и человека был прозаический кольчатый червь.

Изменения, наблюдаемые в изолированной культуре, могут возникать вследствие мутаций специфических генов и хромосомных перестроек. Частота, тип и стабильность изменчивости зависят от генотипа исходного растения и физиолого-биохимического состояния (“настроения” ) клетки. Высказано предположение, что условия изолированной культуры приводят к глубокой клеточной дестабилизации. Широкий спектр вариантов, образующихся из культивируемого материала, является отражением дестабилизации, за которой следуют действие отбора и вторичные наследственные изменения в популяции клеток.

Наблюдаемая изменчивость имеет большое значение при применении культуры клеток и тканей для улучшения сельскохозяйственных культур.

Воздействие мутагенами — веществами или радиацией, вызывающими наследственные изменения, увеличивает частоту измененных клеток, а использование селективных условий (например, повышенного инфекционного фона) создает предпосылки для размножения только измененных в нужном человеку направлении клеток. Однако многие исследователи, памятуя, вероятно, строки стихотворения Федора Тютчева (“Природа — сфинкс. И тем она верней своим искусом губит человека...” ), отказываются от использования мутагенов, чтобы избежать добавочных нежелательных мутаций. Тем более, что мутантных клеточных линий возникает вполне достаточно и без их вмешательства.

В клетках каллуса часто меняется и число хромосом. Каллус растения гаплопаппус, например, через два года оказался состоящим на 95 процентов из полиплоидных (содержащих в ядре более двух геномов) клеток с числом наборов основного (базисного) числа хромосом, равным восьми и более. В США получены полиплоидные формы табака из клеток каллуса, культивируемых вне организма, отличающиеся рядом хозяйственно ценных признаков. Выход полиплоидных форм оказался настолько значительным, что этот метод рекомендован для экспериментального получения полиплоидов. Такие же результаты получены у лимона и клевера ползучего.

Да и вообще регенерировавшиеся из каллуса растения часто отличаются от своих родителей числом хромосом. Генетически идентичное воспроизведение генотипов через дифференциацию в культуре каллуса в настоящее время можно осуществить у сравнительно немногих видов.

Для селекции генетическая изменчивость клеток каллуса может представить определенный интерес. На основе регенерации в культуре тканей и органов растений получены высокопродуктивные формы подсолнечника. К сожалению, у таких важнейших сельскохозяйственных культур, как зерновые и бобовые, активировать морфогенез на питательных средах пока удается редко, но есть успехи при работе и с этими “непокорными” культурами.

На питательных средах при высокой интенсивности освещения ныне выращивают растения-гаплоиды из пыльцевых зерен. У них вдвое меньше хромосом, чем в обычных соматических клетках стеблей, листвы и корня родительского растения. Из них при удвоении хромосом путем обработки колхицином или закисью азота под давлением (есть и иные пути удвоения) получают дигаплоиды (или, допустим, тетрагаплоиды, если основной набор учетверен). Они гомозиготны, то есть обеспечивают проявление свойственных им признаков устойчиво на протяжении многих поколений. У них, как говорят генетики, не выщепляются новые признаки, если, конечно, не появляются мутации — внезапные новые наследственные признаки. Гомозиготные линии нередко используют в селекции на гетерозис — достоверное повышение продуктивности, качества или иного показателя против родительских форм, вовлеченных в гибридизацию.

Используют гаплоиды и иначе. В Китае с помощью культуры пыльников выведены короткостебельные, скороспелые и высокоурожайные сорта риса. Применение в этой стране питательных сред, включающих картофельный экстракт, привело к ранее недостижимому — получению гаплоидов у ржи, что открыло новые возможности в селекции этой перекрестноопыляющейся культуры. Получены интересные результаты у ячменя, перца, мака, люцерны, винограда, тополя, яблони и масличного рапса. У последней культуры, проведенной через культуру пыльников, несколько уменьшили и надеются уменьшить еще более содержание вредных гликозидных соединений. Всего в Китае к 1984 году из пыльцевых зерен выращено около 40 видов растений. Изучение популяций пшеницы, риса, кукурузы и табака из пыльников показало, что около 90 процентов удвоенных гаплоидов является генетически однородными, хотя у 10 процентов все же отмечена нестабильность числа хромосом и их структуры.

В нашей стране эффективный способ получения пшеницы из пыльцы в культуре пыльников разработан саратовскими учеными В. М. Сухановым, В. С. Тырновым и Н. Н. Салтыковой.

Самое интересное, что иногда и гибридизацию удается провести в чашках Петри, пробирках, вообще в каких-либо сосудах, в которые помещают изолированную от растения семяпочку. На нее наносят пыльцу, преодолевая таким образом самонесовместимость — отказ растения дать семена, если его пытаются оплодотворить собственной пыльцой.

В пробирке случается порой преодолеть несовместимость довольно отдаленных видов, и даже родов растений. Однако бывает и так, что скрестить растения, относящиеся к двум разным видам или родам, удается, но полученные от гибридизации семена не желают прорастать — сказывается несовместимость, допустим, зародыша с эндоспермом. Это обычное явление при скрещивании пшеницы и ржи (есть, однако, и другие факторы, препятствующие прорастанию). В таких случаях с успехом прибегают к отделению зародыша от эндосперма на ранних этапах развития зерновки и помещению зародыша на искусственную питательную среду, состоящую из многих компонентов.

При выращивании молодых эмбрионов добились завязывания жезнеспособных семян у межродовых гибридов — ячмень X рожь, элимус X пшеница, трнпсакум X кукуруза; томат культурный X томат перуанский, чина пурпурная X чина членистая, лядвенец тонкий X лядвенец топяной, донник желтый X донник белый, фасоль обыкновенная X фасоль остролистная (тепарн), клевер сходный X клевер гибридный (розовый), слива североамериканская X слива персидская. М. Ф. Терновский с сотрудниками получил межвидовой гибрид табака с новыми свойствами устойчивости благодаря культуре на искусственной питательной среде каллусов из неспособных к прорастанию гибридных семян. Таким же путем получены нормальные гибриды первого поколения от скрещивания днплоидных и тетраплоидных форм райграса.

И наконец, еще одно важное достоинство использования питательных сред. В пробирке удается слить воедино соматические клетки разных видов. Для этого, правда, их приходится беззастенчиво “раздевать” — освобождать от оболочки с помощью специальных ферментов. После этой процедуры мы имеем дело уже не с клеткой, а с протопластом. Протопласты двух видов кидают в один протопласт — гетерокариот, который через некоторое время обзаводится новой “одежкой”. Так удается объединять даже животные клетки с растительными, например, клетку табака с обнаженной клеткой дрозофилы. Надо сказать, что такие клетки, хотя и пытаются делиться, но впустую. К делению способны пока лишь слитые клетки видов в пределах одного рода, изредка — различных родов и семейств. Но как знать! Со временем будет преодолена и эта несовместимость, и селекционеры получат гибриды, которые им и во сне не снились.

К настоящему времени удалось совместить протопласты и получить соматические гибриды картофеля и томата, правда, с мизерным урожаем плодов и клубней. А вот соматическая гибридизация устойчивых к болезням и вредителям диких диплоидных видов картофеля (2х) с культурными диплоидными {2х) может представить практический интерес: 2х + 2х = 4х — это как раз оптимальный уровень плоидности у картофеля.

Неожиданны результаты канадца К. Н. Као, который получил гетерокариотическне (с совмещенными ядрами) клетки из слившихся протопластов сон и табака сизого (табачного дерева), способные к делению, и линии клеток сои и табака с синхронным делением хромосом.

При использовании культуры клеток и тканей удается быстро размножить новый сорт, если культуру в производстве размножают вегетативно, или линию для производства гибридных семян у овощных, декоративных и других возделываемых растении. Чаще всего размножают (клонируют) верхушки побегов (такое размножение не совсем точно называют культурой меристемы — ведь, кроме последней, в процесс включаются и другие элементы) и латеральную (боковую) меристему — образовательную, интенсивно делящуюся ткань. Возрастает использование культур тканей для клонирования соцветий, цветков, боковых почек, листьев и корней, культуры каллуса и в отдельных случаях культуры клеток. У спаржи для размножения наиболее пригодны верхушки побегов, у пасленовых и краснокочанной капусты — кусочки (экспланты) листа, у цветной капусты и нарцисса — частички соцветий, у лилейных, ирисовых (касатиковых) и амариллисовых — экспланты из луковиц, клубней, ризомов (коротких мясистых корневищ), листьев, соцветий и семяпочек, у птицемлечника — экспланты из стебля, листьев, завязи, чашелистиков и даже луковичной чешуи, у глоксинии — высечки из листьев и цветоножек, у лука порея — кусочки луковицы, у герани при получении диплоидных растений — экспланты пыльников.

Наиболее экономически выгодно размножение в культуре тканей селекционных сортов цветов: орхидей, агав, бегоний, хризантем, цикламена, драцены, ириса, лилий, нарцисса, флокса и других.

Новой областью применения клонирования в стерильной среде верхушек побегов и других эксплантов стало размножение пород кустарников, плодовых культур и ананаса.

Из каллуса от зубчиков чеснока получили безвирусные растения. Экономически оправдано размножение методом стерильной культуры гетерозисных гибридных семян овощных и декоративных культур.

Культура тканей растении, главным образом верхушек побегов (меристем), играет очень важную роль в освобождении семенного материала от вирусов. Цветоводы первыми обнаружили, что растения, выращенные не из клубней или луковиц, а из делящихся клеток, помещенных в питательную среду, вирусными болезнями, как правило, не поражены и дают здоровое вегетативное потомство клубней и луковиц. Этот прием взяли на вооружение и картофелеводы-семеноводы.

Получение свободных или, вернее, почти свободных от вирусов растений — обычный прием первичного семеноводства некоторых сельскохозяйственных культур: картофеля, клевера, люцерны и хмеля, овощных (хрена, ревеня, шампиньона, цветной капусты), плодовых культур (малины, красной и черной смородины, яблони, сливы), а также декоративных растений (хризантемы, гвоздики, пеларгонии, фрезии, цимбидиума, гортензии, нарцисса, лилии, гиацинта, ириса, тюльпана, гладиолуса) Некоторых физиологов задолго до того, как они осознали себя в роли биотехнологов, заинтересовали биорегуляторы растений и ранее всего стимуляторы роста.

В начале второй мировой войны был открыт ауксин. Сначала его получали из верхушки колеоптиля (бесцветного чехла, защищающего первый молодой лист) кукурузы. Но это был поистине каторжный труд: за 10 дней восемь лаборанток немецкого биохимика-фанатика Ф. Кегля переработали 100 тысяч проростков и получили в результате количество активного вещества, достаточное лишь для установления кислой природы ауксина. Для того чтобы таким путем добыть из колеоптилей кукурузы 250 миллиграммов ауксина, лаборанткам пришлось бы проработать, не прерываясь на сон и еду, по крайней мере, 400 лет.

К счастью, вскоре был найден обильный и доступный источник ауксина. Им оказалась человеческая моча. Как установили дотошные химики, в среднем каждый житель планеты ежедневно может давать для нужд биохимии, физиологии и сельского хозяйства примерно 1—2 миллиграмма ауксина.

Под названием ауксин объединен целый ряд веществ — регуляторов роста. Важнейшее из них получило наименование гетероаукснна и представляет собой бета-индолил-уксусную кислоту, или ИУК. ИУК в изобилии образуется микроорганизмами — дрожжами, грибами и бактериями.

ИУК эффективно используют для ускорения образования корней у черенков плодово-ягодных и других растений. В настоящее время синтезирован целый ряд ауксинов, среди которых особенно большой активностью обладает бета-нафтил-уксусная кислота (НУК).

Близко к группе гетероауксинов стоят гербициды, представляющие собой производные фенокси-уксусной кислоты. В культуре клеток, тканей и органов чаще всего применяют 2,4-дихлорфенокси-уксусную кислоту (2,4-Д), 2,4,6-трихлорфенокси-уксусную кислоту и 2-метил-4-хлорфенокси-уксусную кислоту. Обладают активностью и используются как свободные кислоты, так и растворимые в воде натриевые и аммонийные соли этих кислот, а также их эфиры. Кроме того, идут в дело еще и этаноламиновые соли. Эти гербициды были открыты одновременно в начале второй мировой войны в США и Великобритании.

2,4-Д может заменить (гетероауксин в культуре тканей, причем он в 10 с лишним раз активнее последнего вызывает образование корней, распад крахмала, усиливает дыхание. Очень слабые концентрации гербицида действуют благоприятно на прорастание семян и на развитие микроорганизмов.

В Японии некогда приметили интересное заболевание молодых растении риса, вызываемое грибом Gibbcrcllafujukuroi. Наряду с гибелью растений у некоторых экземпляров, оставшихся в живых, можно было наблюдать энергичный рост стеблей и листьев. Как выяснилось, ускорение роста вызывается соединениями, являющимися продуктами обмена веществ гриба. Эти вещества (терпеноиды), выделенные в чистом виде получили название гиббереллинов.

Гиббереллины способны стимулировать не только рост, но и цветение. Их применяют в основном для ускорения прорастания ячменя при изготовлении солода и для повышения урожайности винограда.

Позднее был открыт ряд соединений, оказывающих сильное стимулирующее действие на деление растительных клеток — цитокининов. Из них наиболее активен кинетин. Очень активным соединением явилась дифенилмочевина, выделенная из кокосового молока.

Для выявления эффекта действия ростовых веществ необходимы поразительно малые их концентрации. Одного грамма гетероауксина, например, достаточно для 10(в13 степени) растений. Чтобы рассадить эти растения, предоставив каждому площадь питания в квадратный сантиметр, потребовалась бы пашня площадью более 900 квадратных километров. Чтобы развести грамм гетероауксина до недеятельной концентрации, необходимо 200 миллиардов литров, для доставки которых потребовалось бы 400 тысяч железнодорожных составов.

Активность ростовых веществ растений на единицу массы по активности не уступает активности животных гормонов. Так, активность ауксина для овса превосходит активность эстрона для мышей в 10 раз, тороксина для человека — в 100 и андростерона для каплунов — в 1000 раз.

К активным веществам, играющим существенную роль в культуре тканей, принадлежат и витамины. Так, тиамин (анейрин, витамин В1) участвует в процессе роста корней. Многократные пассажи (посевы клеток) кончиков корней без него невозможны. Для роста корней, помимо питательных веществ и тиамина, необходимы и другие витамины. Например, горох и редис нуждаются еще в никотиновой кислоте, на томаты благоприятно действует витамин B6 (еще лучше с никотиновой кислотой). А вот лен может обойтись одним тиамином.

В зернах злаков тиамин находится в алейроновом слое и, следовательно, не может присутствовать в полированном рисе. Поэтому преимущественное употребление его в пищу населением Восточной Азии приводило к вспышкам бери-бери.

При автоклавировании (автоклавы — герметичные аппараты для выполнения работ при повышенной температуре и давлении для стерилизации) тиамин расщепляется на пиримидин и тиазол. Для роста корней томата, оказывается, достаточно одного тиазола, а для некоторых фитопатогенных грибов — только пиримидина (при необходимости организм сам синтезирует второй компонент тиамина). Возможно, это имеет какое-то значение при симбиозе (например, у лишайников или микротрофных растений), а также паразитизме.

Аскорбиновая кислота (витамин С) важна для роста побегов. Введение аскорбиновой кислоты ускоряет укоренение черенков и стимулирует прорастание пыльцы. Предполагают, что она имеет отношение к обмену ростовых веществ у растений.

Действие аскорбиновой кислоты основано на ее окислительно-восстановнтельных свойствах: в окислительной форме аскорбиновая кислота превращается в вещество, тормозящее рост. Не исключено, что она вызывает актизирование ростового вещества из его неактивной формы.

Культивируемые штаммы дрожжей нуждаются для своего развития в веществах биоса — комплексе витаминов. К биосу принадлежит мезоинозит, бнотин (некогда скоропалительно названный витамином Н, а ныне зачисленный в группу витамина В) и пантотеновая кислота. Впрочем, пантотеновая кислота может быть заменена бета-аланином, при помощи которого дрожжи, вероятно, сами синтезируют пантотеновую кислоту. Дрожжи нуждаются и в тиамине.

Все эти вещества природные штаммы дрожжей синтезируют сами, а вот культурные дрожжи такую способность утратили — у них наблюдают постепенно усиливающуюся гетеротрофность — склонность к питанию готовыми органическими веществами и потерю способности к синтезу одного или нескольких активных веществ биоса.

В никотиновой кислоте нуждаются корни некоторых растений. Она встречается постоянно у высших и низших растений. Предполагается, что никотиновая кислота — универсальное активное вещество.

Пиридоксин усиливает рост корней, например, у томатов и моркови. Под влиянием женского полового гормона млекопитающих животных — эстрона (фолликулярного гормона) усиливается вегетативное развитие растений.

Паста с эстроном, нанесенная на цветочные почки дремы, задерживает развитие тычинок и усиливает развитие завязей. А вот тестостерон — мужской половой гормон работает прямо противоположно эстрону.

В росте листьев участвуют производные пурина: мочевая кислота и аденин. Более или менее заметным образом реагирует живая плазма на действие Н+ или ОН-ионов. Движение плазмы стимулирует гистидин.

Биорегуляторы используют и в растениеводстве и в животноводстве. В растениеводстве они, кстати, зачастую помогают сохранить в культуре старые сорта. Например, виноделы Франции не стремятся к внедрению новых сортов винограда. Французы любят свои вина, заслужившие за столетия мировую известность.

То же можно сказать и об обыкновенном картофеле. И в Европе, и в Америке старые “проверенные” временем сорта удерживаются в производстве десятилетиями. Никакая реклама новейших сортов население не соблазняет — привычка решает выбор.

Сорт картофеля Ранняя Роза (Эрли Роуз), выведенный в США в 1861 году, до сих пор встречается если не на полях, то в огородной культуре на Американском и Европейском континентах. Еще более стар сорт Гарнет Чили — прадед большинства американских сортов и ряда европейских; его и по сей день высаживают близ Сан-Франциско. Столетний юбилей “справил” сорт Айрнш Коблер; полустолетний возраст у американских сортов Катадин и Чиппева.

Кстати, и пищевой промышленности, перерабатывающей картофель в хлопья, чипсы, гарни, гранулы, в замороженный и жареный “французский картофель”, также приходится придерживаться десятилетиями “стандартных” сортов, отвечающих условиям переработки, ибо сортов картофеля, пригодных для выработки некоторых продуктов, крайне мало. После освоения процесса и техники переработки одного-двух сортов заводам экономически невыгодно “настраиваться” (перестраивать технологию и обновлять технику) на новые сорта картофеля. Тем более что даже такое “простое” требование пищевой промышленности к селекционерам, как непременная устойчивость сортов к механическим повреждениям, повергает последних в глубокое уныние (а подобных требований к перерабатываемому сорту десятки).

Вот почему биотехнологи стремятся как-то помочь старым апробированным сортам — улучшить их продуктивность, качество или товарный вид. Привередливые американцы, например, предпочитают апельсины ярко-оранжевой окраски. Химики предложили для удовлетворения вкуса потребителей обрабатывать апельсины веществом с малоудобоваримым названием: (2-пара-диэтиламиноэтоксибензаль) — пара-метоксиацетонфенон.

За десять дней обработки этим биорегулятором количество каротиноидов возросло в 16 раз. И окраска стала много живее, и полезного провитамина А значительно прибавилось.

Правда, химики с этим препаратом несколько “перехимичили”: после обработки в корке нередко образовывались красные каротиноиды, придававшие цитрусовым зловещий бордовый цвет, что несколько настораживало непосвященных. Поэтому прибегли к другим биорегуляторам — диэтилоктиламину и диэтилнониламину. Содержание каротиноидов увеличивалось всего в два — пять раз, и ярко-оранжевые плоды пошли нарасхват. И мякоть стала по цвету ярко-оранжевой, и сок гляделся попраздничнее.

Нашли также вещества, которые не только глаз тешат, но и аромат цитрусовых усиливают. Пройдешь мимо магазина в задумчивости, но невольно вздохнешь полной грудью и вернешься, вспомнив, что забыл к чаю лимон купить.

Все известные биорегуляторы либо “подстегивают”, либо депрессируют гены (сдерживают их на туго натянутых вожжах), либо вообще “выключают”. Например, упоминавшийся выше биорегулятор с названием, требующим недюжинной памяти, приостанавливал последующие превращения гамма-каротина, что благоприятствовало окраске плодов. В будущем подобным способом надеются повысить содержание действующих веществ в лекарственных растениях.

Искусственному дозариванию зеленых плодов томата помогает обработка их регуляторами роста: зарубежным препаратом этрел, отечественными — гидрелом, дигидрелом или декстрелом (они равноценны по физиологической активности). За 7—10 дней хранения при температуре 18—20° С обработанные этими препаратами плоды созревают на 90 процентов. Искусственно дозаренные плоды по питательной ценности ничуть не уступают естественно дозревшим.

У люцерны обнаружен природный регулятор роста триаконтанол — соединение спиртовой природы, включающее 30 атомов углерода. Он концентрируется главным образом в кутикуле — надкожице, покрывающей поверхность листьев. В концентрации 1 микрограмм на литр трнаконтанол повышает урожай картофеля на 20 процентов. Обработка им семян овощных культур усиливает рост растений и повышает урожайность на 17—25 процентов. Полагают, что триаконтанол активирует некоторые ферменты или влияет на мембраны, интенсифицируя процессы метаболизма — обмена веществ.

В начале 20-х годов медики обнаружили, что если крысам вводить экстракты из гипофиза — мозгового придатка, расположенного у основания мозга, то они начинают расти заметно охотнее и достигают размеров хорошо откормленного кота. Действующим веществом оказался вырабатываемый гипофизом гормон роста, получивший название соматотропина, или соматотропного гормона (СТГ). При избытке этого гормона в организме вырастают крупные животные — гиганты в пределах своей популяции; недостаток же обусловливает карликовый рост и всевозможные уродства — непропорциональное увеличение отдельных частей тела.

В конце 60-х годов биохимики-медики выделили соматотропин в чистом виде, изучили его состав и структуру. Выяснилось, что это белок, состоящий из 191 аминокислотного остатка. Но ученых ждало разочарование. Хотя соматотропины животных и были близки человеческому по своей структуре, но, как оказалось, имели несколько иной аминокислотный состав, иную последовательность аминокислот в полипептидной цепи и даже иные размеры молекул. Кроме того, в отличие от других гормонов они обладали видовой специфичностью — гормон животного не действовал на человека. В общем-то соматотропные гормоны вполне удовлетворили бы животноводов, если бы не одна трудность: получать их из такого сырья, как гипофизы убойных животных, экономически нецелесообразно. Ныне разрабатывают приемы синтеза соматотропных гормонов (СТГ) методами генной инженерии. В лабораторных условиях Института биоорганической химии имени М. М. Шемякина и Института молекулярной биологии синтезированные гормоны уже “работают”.

Биохимиков-“животноводов”, включившихся в соревнование с химиками от медицины в 40—50-х годах, при первых же, казалось бы, блестящих успехах (были синтезированы гормоны роста животных — синтетические эстрогены) осадили “коварные” медики, которые приписали новым препаратам некоторые побочные явления.

Но химики-“животноводы” не успокоились. Они решили обратиться к природным эстрогенам, таким как эстрадиол, эстрон, эстриол. Последние быстро включаются в обмен и быстро выводятся; кроме того, легко разрушаются при варке и жарений мяса. И действие их весьма эффективно: при однократном введении под кожу (так используют и другие гормоны) 50 миллиграммов валерианата эстраднола среднесуточный прирост массы бычков увеличивается на 17—20 процентов. Производные андрогенов — анаболические стероиды в тех же условиях при дозе 150—200 миллиграммов тоже повысили прирост массы животных на 15—20 процентов.

Микоэстраген — зеранол, получаемый из плесени кукурузы, по данным исследователей нескольких стран, после однократного введения обеспечивает в течение 120 дней прирост массы бычков на 10 процентов.

www.ronl.ru

Реферат - Биотехнологии - Биология

Удивительными открытиями в науке и грандиозным научно-техническим прогрессом ознаменовался XX век, однако научно-технический прогресс в настоящем виде имеет негативные стороны: исчерпание ископаемых ресурсов загрязнение окружающей среды, исчезновение многих видов растений и животных, глобальное изменение климата, появление озоновых дыр над полюсами Земли и т.д. Ясно, что такой путь ведёт в тупик. Нужно принципиальное изменение вектора развития. Биотехнология может внести решающий вклад в решение глобальных проблем человечества.

Биотехнология — это использование живых организмов (или их составных частей) в практических целях. Когда говорят о современной биотехнологии, то подобное определение дополняют словами: на базе достижений молекулярной биологии. Если не сделать подобного добавления, то под определение «биотехнология» попадут и традиционное с/х, животноводство и многие отрасли пищевой промышленности, использующие микроорганизмы. Далее мы остановимся на одном из видов биотехнологии, а именно на генной инженерии, которая открывает совершенно новые пути в медицине химии, в производстве Энергии, новых материалов, в охране окружающей среды. Генная инженерия — это технология манипуляций с веществом наследственности — ДНК.

Сегодня учёные могут в пробирке разрезать молекулу ДНК в желательном месте, изолировать и очищать отдельные её фрагменты, синтезировать их из двух дезоксирибонуклеотидов, могут сшивать такие фрагменты. Результатом таких манипуляций являются «гибридные», или рекомбинантные молекулы ДНК, которых до этого не было в природе.

Годом рождения генной инженерии считается 1972 год, когда в лаборатории Пола Берга в США была получена в пробирке первая рекомбинантная реплицироваться, т.е. размножаться, в бактерии кишечной палочки E.сoli. Само появление генной инженерии стало возможным благодаря фундаментальным открытиям в молекулярной биологии.

В 60-е годы ученые расшифровали генетический код, т.е. установили, что каждая аминокислота в белке кодируется триплетом нуклеотидов в ДНК. Особенно важно, что генетический код универсален для всего живого мира. Это означает, что весь мир «разговаривает» на одном языке. Если передать в какую- либо клетку «чужеродную» ДНК, то информация, в ней закодированная, будет правильно воспринята клеткой реципиентом.

Далее было установлено, что существуют специальные последовательности ДНК, определяющие начало и окончание транскрипции, трансляции, репликации. Практически все эти системы, в первом приближении, безразличны к последовательностям ДНК, расположенным между данными сигналами. Надо сказать, что сами сигналы различаются в разных организмах. Из всего сказанного следует, что если взять некий структурный ген(например человека) и in vitro снабдить его сигналами, характерными для гена бактериальной клетки, то такая структура, помещённая в бактериальную клетку, будет способна к синтезу человеческого белка.

Принципиальная особенность генной — способность создавать структуры ДНК, которые никогда не образуются в живой природе. Генная инженерия преодолела барьер, существующий в живом мире, где генетический обмен осуществляется только в пределах одного вида или близкородственных видов организмов. Она позволяет переносить гены из одного живого организма в любой другой. Эта новая техника открыла безграничные перспективы создания микроорганизмов, растений и животных с новыми полезными свойствами.

Конечно, нарушение барьеров живой природы может таить потенциальную опасность. Вот почему во всех развитых странах мира правила работы, законы, регулирующие генно-инженерную деятельность. Закон о «генно-инженерной деятельности» принят и парламентом РФ в июле 1996 г.

Невозможно рассказать о всех аспектах применения техники генной инженерии в биотехнологии или научных исследованиях. Приведём лишь несколько примеров, иллюстрирующих возможности этого метода.

Одно из наиболее важных направлений генной инженерии — производство лекарств нового поколения, представляющих собой биологически активные белки человека. Следует напомнить, что в большинстве случаев белки человека (как и других животных) видоспецифичны, т.е. для лечения человека можно использовать только белки человека. Вследствие этого возникает проблема получения человеческих белков в нужных количествах.

В связи со сказанным интересна история получения интерферонов. В 1957 г. английские ученые Иссаакс и Линдельман обнаружили, что мыши, болевшие гриппом, не подвержены инфекции другими, более опасными вирусами. Исследование наблюдаемого явления привело к выводу, клетки животных и человека в ответ на вирусную инфекцию выделяют какое-то вещество, которое делает окружающие здоровые клетки устойчивыми к вирусной инфекции. Это вещество (или вещества) получило название интерферона.

В течение последующих 20 лет велись интенсивные исследования. Было установлено, что интерфероны — группы белков, относящиеся к 3 классам — alpha, betta и gamma. Лейкоциты крови выделяют интерферон типа alpha, фибробласты типа betta и T- лейкоциты типа gamma. Интерфероны выделили, очистили и показали их эффект как противовирусных лекарств. Кроме того, эти белки оказались эффективными при лечении рассеянного склероза и некоторых видов рака. Единственным препятствием к использованию интерферонов была их малая доступность. Они синтезировались в очень малых количествах: источником их получения была или донорская кровь, или культура клеток человека. К сожалению, эти источники не позволяли получать интерфероны в количестве, нужных медицине.

В 1980 — 1985 гг. в нескольких лабораториях мира, в том числе и в СССР, были выделены гены человека, определяющие синтез интерферонов, и введены в бактерии. Такие бактерии стали способны синтезировать человеческий интерферон. Очень важно, что они быстро растут, используют дешёвую питательную среду и синтезируют большое количество белка. Из 1 л бактериальной культуры можно выделить столько человеческого интерферона alpha, сколько из 10 тыс. л. донорской крови. Полученный белок абсолютно идентичен интерферону, синтезируемому в организме человека. Конечно, пришлось решать сложную задачу очистки интерферона, полученного способом генной инженерии, до гомогенного состояния.

Ещё 4 — 6 лет заняли доклинические и клинические испытания. Наконец в 1989 -1990 гг. появилось новое лекарство — человеческий интерферон alpha; в России он выпускается под названием «реаферон». За эту работу группа ученых удостоена Ленинской премии.

Сегодня это почти единственный препарат, который эффективен против вирусных гепатитов как в острой, так и в хронических формах, против герпеса, простудных заболеваний. Интерферон применяется и в терапии некоторых видов рака. За рубежом с 1994 г. выпускаются препараты betta и gamma — интерферонов человека.

Из других препаратов рекомбинантных белков человека, получивших широкое медицинское применение, следует назвать инсулин, гормон роста, эритропоэтин. Свиной инсулин отличается от человеческого всего одной аминокислотой. Применяется с 1926 г. для лечения людей при инсулинзависимом сахарном диабете. Для гормона роста и эритропоэтина отмечается, как и для интерферонов, видоспецифичность белков. Генная инженерия открыла новую возможность использования этих белков в медицине. Гормон роста применяется не только для борьбы с карликовостью, но и широко используется как стимулятор для заживления ран, сращивания костей. Гормоны роста животных начали использовать в с/х (увеличение на 15% удоя коров, ускорение роста рыб). Эритропоэтин — стимулятор кроветворения и используется при лечении различного рода анемий.

В настоящее время в мире получили разрешение на применение более 30 препаратов, созданных методами генной инженерии, и более 200 находятся на разных стадиях клинических исследований. Сейчас более 20% фармацевтического рынка лекарств составляют лекарства новой биотехнологии.

Использование рекомбинантных белков человека — принципиально новая терапия. В не вводится ничего чужого. Действительно, если в нём не хватает инсулина или гормона роста, их добавляют (заместительная терапия). С вирусами организм сам борется с помощью интерферонов — человек просто помогает ему.

Значительные успехи достигнуты в генной инженерии растений. В основе этой техники лежат методы культивирования клеток и тканей растений в пробирке и возможность регенерации целого растения из отдельных клеток.

В генной инженерии растений есть свои проблемы. Одна из них состоит в том, что многие полезные свойства растений кодируются не одним, а многими генами. Это делает трудным или невозможным прямое генно-инженерное совершенствование свойств. Другое препятствие, которое постепенно преодолевается, — трудности культивирования и регенерации клеток в целое растение среди некоторых видов, например злаков. Лучшие результаты получены в том случае, когда перенос одного гена может привести к появлению у растения полезного свойства.

Несмотря на ограничения, получены впечатляющие результаты: созданы сорта хлопчатника, томатов, табака, риса, устойчивых к насекомым-вредителям, вирусам, грибковым заболеваниям. Пионер в области применения генно-инженерных растений в с/х — США. Здесь в 1996 году до 20% посевов хлопчатника произведено семенами, модифицированными методом генной инженерии.

Создание генно-инженерных (их сейчас называют трансгенными) животных имеет те же принципиальные трудности, что и создание трансгенных растений, а именно: множественность генов, определяющих хозяйственно ценные признаки. Тем не менее, есть быстро развивающаяся область, связанная с созданием трансгенных животных — продуцентов биологически активных белков.

В высших организмах конкретные гены кодируют производство белков в определенных тканях. Хотя все гены содержатся в каждой клетке, в специализированных клетках работают только некоторые из них, этим и определяется тканевая специфичность. Примером может служить производство белков молока (козеин, лактальбумин) в молочных железах. Есть возможность подставить нужный нам ген под регуляторные последовательности, например казеина, и получить чужеродный белок в составе молока. Важно при этом, что животное чувствует себя нормально, так как чужой ген работает только в процессе лактации.

В мире уже существуют сотни трансгенных овец и коз, продуцирующих в молоке от десятков миллиграмм до нескольких грамм биологически активных белков человека в 1л молока. Такой метод производства экономически выгоден и экологически чище, хотя и требует от ученых больших усилий и времени при создании трансгенных животных по сравнению с созданием генно-инженерных микроорганизмов.

С молоком трансгенных животных можно получать не только лекарства. Известно, что для производства сыра высокого качества необходим фермент, створаживающий молоко, — реннин. Этот фермент добывают из желудков молочных телят. Он дорог и не всегда доступен. Наконец, генные инженеры сконструировали дрожжи, которые стали производить этот ценный белок при микробиологическом синтезе.

Следующий этап генной инженерии — создание трансгенных овец, которые синтезируют химозин в молоке. Небольшое стадо наших овец в России находится на Ленинских Горках под Москвой. Эти овцы синтезируют до 300 мг/л фермента в молоке. Для процесса сыроварения белок можно не выделять, а использовать просто в составе молока.

Возможна экспансия биотехнологии в области, которые сегодня целиком принадлежат химии. Это — биокатализ (вместо химического катализа) и новые материалы. Один из процессов биокатализа, успешно реализованного в промышленности, — получение акриламида из акрилонитрила.

Ch3=CH–CN -> Ch3=CH-C=0

|

Nh3

Акриламид служит исходным мономером для получения полимеров и сополимеров, широко используемых при очистке воды и стоков, в горном деле, при осветлении соков и вин, приготовлении красок и т.п.

До недавнего времени процесс гидролиза нитрила вели при 105 С в присутствии серной кислоты. После окончания процесса серную кислоту нейтрализовали аммиаком. Большое количество сернокислого аммония, в конечном счёте оказывался в реках. Были велики затраты энергии, быстро изнашивалось оборудование, и качество акриламида оставляло желать лучшего.

В 1987 году ученые из института генетики и селекции промышленных микроорганизмов совместно со своими коллегами из Саратовского филиала института приступили к поиску в природе микроорганизмов, которые могли бы превращать акрилонитрил в акриламид, Такие микроорганизмы были найдены. После ряда манипуляций получены микроорганизмы, синтезирующие в 10 тыс. раз больше фермента – нитрилгидратазы, ответственного за трансформацию акрилонитрила.

Достижения учёных реализованы на практике. На одном из заводов, выпускающий антибиотики, налажен выпуск биокатализатора, т.е. нужных микроорганизмов, а ещё на 3 заводах осуществлён процесс биокаталитического получения акриламида. Процесс осуществляется при комнатном давлении и температуре, следовательно, мало энергоёмок. Процесс практически не имеет отходов, экологически чист. Получаемый новым методом акриламид имеет высокую чистоту, что важно, так как большая его часть далее полимеризуется в полиакриламид, а качество полимера сильно зависит от чистоты мономера.

Другой пример относится не к биокатализу, а к биоматериалам. Учёные давно обратили внимание на очень ценные механические свойства материала, из которого пауки плетут сети.

Паутинка примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса, этот материал мягче хлопка, прочнее стали, обладает уникальной эластичностью, практически не меняет свойств при изменении температуры, материал идеально подходит для многих практических целей: парашютного корда, бронежилетов и т.д. Вопрос, где взять большое количество паутины по исходной цене?

На помощь пришла генная инженерия. Учёные выделили гены, ответственные за синтез белков паутины, и перенесли их в микроорганизмы. В 1995 г. появилось сообщение американских исследователей, что в микроорганизмах действительно синтезируется нужный белок. Таким образом открывается путь к промышленному микробиологическому синтезу нового материала.

Обычно для роста микроорганизмов используются дешёвые крахмал, патока и другие с/х продукты, т.е. возобновляемое сырьё.

Нужно отметить. Что бактерии синтезируют не нити, а аморфный белок так же, как и пауки. Нить образуется, когда паук выдавливает белок из сопла своих желёз. Технически возможно имитировать этот процесс, продавливая аморфный белок через очень тонкие отверстия. Первые нити из микробиологического белка уже получены. Есть реальная возможность улучшить великолепные качества паутины, внеся некоторые изменения в аминокислотную последовательность белка.

Приведённые примеры далеко не охватывают всех практических аспектов применения генной инженерии. Мы не касались вопросов энергетики, охраны среды, добычи полезных ископаемых, микробиологической промышленности, а также очень важного вопроса – роли генной инженерии в развитии самой молекулярной биологии.

Новая «Зелёная революция», которая уже началась, даст растения, которые не будут нуждаться в пестицидах, а в будущем — и в азотных удобрениях. Прекращение использования

Химических пестицидов резко улучшит состояние окружающей среды, сократит расходы нефти и газа на их производство (на 3%). Появятся новые материалы новые лекарства, высокопроизводительные животные, новые пищевые продукты.

По заключению экспертов конгресса США, «биотехнология в наибольшей степени изменит образ жизни людей в XXI веке».

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта www.study.online.ks.ua/

www.ronl.ru

Реферат Биотехнологии

Реферат на тему:

План:

Введение
• 1 История биотехнологии
• 2 Искусственный отбор
• 3 Клонирование
• 4 Гибридизация
• 5 Генная инженерия
  • 5.1 Трансгенные растения
  • 5.2 Трансгенные животные
• 6 Биоинженерия
• 7 Биотехнология в фантастике
• 8 Примечание

Введение

Возможные способы применения массовой культуры водорослей

Биотехноло́гия — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии.

Биотехнологией часто называют применение генной инженерии в XX–XXI веках, но термин относится и к более широкому комплексу процессов модификации биологических организмов для обеспечения потребностей человека, начиная с модификации растений и одомашненных животных путем искусственного отбора и гибридизации. С помощью современных методов традиционные биотехнологические производства получили возможность улучшить качество пищевых продуктов и увеличить продуктивность живых организмов.

До 1971 года термин «биотехнология» использовался, большей частью, в пищевой промышленности и сельском хозяйстве. С 1970 года учёные используют термин в применении к лабораторным методам, таким, как использование рекомбинантной ДНК и культур клеток, выращиваемых in vitro.

Биотехнология основана на генетике, молекулярной биологии, биохимии, эмбриологии и клеточной биологии, а также прикладных дисциплинах — химической и информационной технологиях и робототехнике.

1. История биотехнологии

Впервые термин «биотехнология» применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году.

Использование в промышленном производстве микроорганизмов или их ферментов, обеспечивающих технологический процесс известны издревле, однако систематизированные научные исследования позволили существенно расширить арсенал методов и средств биотехнологии.

Так, в 1814 году петербургский академик К. С. Кирхгоф открыл явление биологического катализа и пытался биокаталитическим путём получить сахар из доступного отечественного сырья (до середины XIX века сахар получали только из сахарного тростника). В 1891 году в США японский биохимик Дз. Такамине получил первый патент на использование ферментных препаратов в промышленных целях: учёный предложил применить диастазу для осахаривания растительных отходов.

В начале XX века активно развивалась бродильная и микробиологическая промышленность. В эти же годы были предприняты первые попытки наладить производство антибиотиков, пищевых концентратов, полученных из дрожжей, осуществить контроль ферментации продуктов растительного и животного происхождения.

Первый антибиотик — пенициллин — удалось выделить и очистить до приемлемого уровня в 1940 году, что дало новые задачи: поиск и налаживание промышленного производства лекарственных веществ, продуцируемых микроорганизмами, работа над удешевлением и повышением уровня биобезопасности новых лекарственных препаратов.

2. Искусственный отбор

3. Клонирование

4. Гибридизация

5. Генная инженерия

Субстраты для получения белка одноклеточных для разных классов микроорганизмов

Несмотря на то, что первые успешные опыты по трансформации клеток экзогенной ДНК были поставлены ещё в 1940-е года Эйвери, Маклеодом и Маккарти, первый коммерческий препарат человеческого рекомбинантного инсулина был получен только в 1970-е года. Введение чуждых для генома бактериальных клеток генов производят с использованием т. н. векторных ДНК, например плазмиды, присутствующие в бактериальных клетках, а также бактериофаги и другие мобильные генетические элементы могут быть использованы в качестве векторов для переноса экзогенной ДНК в клетку реципиента.

Получить новый ген можно:

• А) Вырезанием его из геномной ДНК хозяина при помощи рестрицирующей эндонуклеазы, катализирующей разрыв фосфодиэфирных связей между определёнными азотистыми основаниями в ДНК на участках с определённой последовательностью нуклеотидов;
• Б) Химико-ферментативным синтезом;
• В) Синтезом кДНК на основе выделенной из клетки матричной РНК при помощи ферментов ревертазы и ДНК-полимеразы, при этом изолируется ген, не содержащий незначащих последовательностей и способный экспрессироваться при условии подбора подходящей промоторной последовательности в прокариотических системах без последующих модификаций, что чаще всего необходимо при трансформации прокариотических систем эукариотическими генами, содержащими интроны и экзоны.

После этого обрабатывают векторную молекулу ДНК рестриктазой с целью образования двуцепочечного разрыва и в образовавшуюся «брешь» производится «вклеивание» гена в вектор используя фермент ДНК-лигазу, а затем такими рекомбинантными молекулами трансформируют клетки реципиента, например клетки кишечной палочки. При трансформации с использованием в качестве вектора например плазмидной ДНК необходимо, чтобы клетки были компетентными для проникновения экзогенной ДНК в клетку, для чего например используют электропорацию клеток реципиента. После успешного проникновения в клетку экзогенная ДНК начинает реплицироваться и экспрессироваться в клетке.

5.1. Трансгенные растения

Трансгенные растения — это те растения, которым «пересажены» гены других организмов.

Картофель, устойчивый к колорадскому жуку, был создан путём введения гена выделенного из генома почвенной тюрингской бациллы Bacillus thuringiensis, вырабатывающий белок Cry, представляющий собой протоксин, в кишечнике насекомых этот белок растворяется и активируется до истинного токсина, губительно действующего на личинок и имаго насекомых, у человека и других теплокровных животных подобная трансформация протоксина невозможна и соответственно этот белок для человека не токсичен и безопасен. Опрыскивание спорами Bacillus thuringiensis использовалось для защиты растений и до получения первого трансгенного растения, но с низкой эффективностью, продукция эндотоксина внутри тканей растения существенно повысило эффективность защиты, а также повысило экономическую эффективность ввиду того, что растение само начало продуцировать защитный белок. Путём трансформации растения картофеля при помощи Agrobacterium tumefaciens были получены растения, синтезирующие этот белок в мезофилле листа и других тканях растения и соответственно непоражаемые колорадским жуком. Данный подход используется и для создания других сельскохозяйственных растений, резистентных к различным видам насекомых.

5.2. Трансгенные животные

В качестве трансгенных животных чаще всего используются свиньи. Например, есть свиньи с человеческими генами — их вывели в качестве доноров человеческих органов.

Японские генные инженеры ввели в геном свиней ген шпината, который производит фермент FAD2, способный преобразовывать жирные насыщенные кислоты в линолевую — ненасыщенную жирную кислоту. У модифицированных свиней на 1/5 больше ненасыщенных жирных кислот, чем у обычных.[1]

Зелёные светящиеся свиньи — трансгенные свиньи, выведенные группой исследователей из Национального университета Тайваня путём введения в ДНК эмбриона гена зелёного флуоресцентного белка, позаимствованного у флуоресцирующей медузы Aequorea victoria. Затем эмбрион был имплантирован в матку самки свиньи. Поросята светятся зелёным цветом в темноте и имеют зеленоватый оттенок кожи и глаз при дневном свете. Основная цель выведения таких свиней, по заявлениям исследователей, — возможность визуального наблюдения за развитием тканей при пересадке стволовых клеток.

6. Биоинженерия

Биоинженерия или биомедицинская инженерия - это дисциплина, направленная на углубление знаний в области инженерии, биологии и медицины и укрепление здоровья человечества за счет междисциплинарных разработок, которые объединяют в себе инженерные подходы с достижениями биомедицинской науки и клинической практики. Биоинженерия/биомедицинская инженерия - это применение технических подходов для решения медицинских проблем в целях улучшения охраны здоровья. Эта инженерная дисциплина направлена на использование знаний и опыта для нахождения и решения проблем биологии и медицины. Биоинженеры работают на благо человечества, имеют дело с живыми системами и применяют передовые технологии для решения медицинских проблем. Специалисты по биомедицинской инженерии могут участвовать в создании приборов и оборудования, в разработке новых процедур на основе междисциплинарных знаний, в исследованиях, направленных на получение новой информации для решения новых задач. Среди важных достижений биоинженерии можно упомянуть разработку искусственных суставов, магниторезонансной томографии, кардиостимуляторов, артроскопии, ангиопластики, биоинженерных протезов кожи, почечного диализа, аппаратов искусственного кровообращения. Более подробную информацию о специальности "Биоинженерия" можно получить на Web-сайте Sloan Career Cornerstone Center в разделе Bioengineering.

7. Биотехнология в фантастике

• Арахниды (Звёздный десант)
• Ворлон
• Йуужань-вонги
• Лексс
• Раса X
• Рейфы (Звёздные врата)
• Тейлоны
• Тени (Вавилон-5)
• Тираниды

wreferat.baza-referat.ru

Реферат - Биотехнология - Разное

Возможности биотехнологии необычайно велики благодаря тому, что ее методы выгоднее обычных: они используются при оптимальных условиях (температуре и давлении), более производительны, экологически чисты и не требуют химических реактивов, отравляющих среду и др.

Объектами биотехнологии служат многочисленные представители групп живых организмов — микроорганизмы (вирусы, бактерии, протисты, дрожжи и др.}, растения, животные, а также изолированные из них клетки и субклеточные структуры (орга-неллы). Биотехнология базируется на протекающих в живых системах физиолого-биохимических процессах, в результате которых осуществляются выделение энергии, синтез и расщепление продуктов метаболизма, формирование химических и структурных компонентов клетки.

^ Главными направлениями биотехнологии являются: 1) производство с помощью микроорганизмов и культивируемых эука-риотических клеток биологически активных соединений (ферментов, витаминов, гормональных препаратов), лекарственных препаратов (антибиотиков, вакцин, сывороток, высокоспецифичных антител и др.), а также белков, аминокислот, используемых в качестве кормовых добавок; 2) применение биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка сточных вод, загрязнений почвы и т. и.) и для защиты растений от вредителей и болезней; 3) создание новых полезных штаммов микроорганизмов, сортов растений, пород животных и т. п.

^ Задачи, методы и достижения биотехнологии. Человечеству необходимо научиться эффективно изменять наследственную природу живых организмов, чтобы обеспечить себя доброкачественной пищей и сырьем и при этом не привести планету к экологической катастрофе. Поэтому не случайно главной задачей селекционеров в наше время стало решение проблемы создания новых форм растений, животных и микроорганизмов, хорошо приспособленных к индустриальным способам производства, устойчиво переносящих неблагоприятные условия, эффективно использующих солнечную энергию и, что особенно важно, позволяющих получать биологически чистую продукцию без чрезмерного загрязнения окружающей среды. Принципиально новыми подходами к решению этой фундаментальной проблемы является использование в селекции генной и клеточной инженерии.

Генная (генетическая) инженерия — раздел молекулярной генетику связанный с целенаправленным созданием новых молекул ДНК, способных размножаться в клетке-хозяине и осуществлять контроль за синтезом необходимых метаболитов клетки. Возникнув на стыке химии нуклеиновых кислот и генетики микроорганизмов, генная инженерия занимается расшифровкой структуры генов, их синтезом и клонированием, вставкой выделенных из клеток живых организмов или вновь синтезированных генов в клетки растений и животных с целью направленного изменения их наследственных свойств.

Для осуществления переноса генов (или трансгенеза) от одного вида организмов в другой, часто очень далекий по своему происхождению, необходимо выполнить несколько сложных операций:

выделение генов (отдельных фрагментов ДНК) из клеток бак-терий, растений или животных. В отдельных случаях эту операцию заменяют искусственным синтезом нужных генов;

соединение (сшивание) отдельных фрагментов ДНК любого происхождения в единую молекулу в составе плазмиды;

введение гибридной плазмидной ДНК, содержащей нужный ген, в клетки хозяина;

копирование (клонирование) этого гена в новом хозяине с обеспечением его работы.

Клонированные гены путем микроинъекции вводят в яйцеклетку млекопитающих или протопласты растений (изолированные клетки, лишенные клеточной стенки) и из них выращивают целых животных или растения, в геном которых встроены (интегрированы) клонированные гены. Растения и животные, геном которых изменен путем генноинженерных операций, получили название трансгенных растений или трансгенных животных.

Уже получены трансгенные мыши, кролики, свиньи, овцы, в геноме которых работают чужеродные гены различного происхождения, в том числе гены бактерий, дрожжей, млекопитающих, человека, а также трансгенные растения с генами других, неродственных видов. Трансгенные организмы свидетельствуют о больших возможностях генной инженерии как прикладной ветви молекулярной генетики. Например, в последние годы получено новое поколение трансгенных растений, для которых характерны такие ценные признаки, как устойчивость к гербицидам, к насекомым и др. Трансгенные растения в 1999 г. занимали в мире площадь, равную 48,2 млн. га.

Есть все основания предполагать, что уже в ближайшем будущем будет решена проблема направленного изменения наследственности высших растений, что приведет к революции в сельском хозяйстве. В первую очередь речь идет о создании симбиоза между злаками и азотфиксирующими клубеньковыми бактериями, а это решит проблему азотных удобрений. Имеются уже доказательства того, что свободноживущие азотфиксирующие бактерии способны ассоциировать с корнями злаков, давая возможность растению-хозяину получать некоторое количество азота в результате бактериальной азотфиксации. Теперь генетически нужно добиться, чтобы азотфиксирующие бактерии более эффективно присоединялись к корням злаков, что способствовало бы их более полезной и успешной ассоциации (симбиозу).

Разрабатывается метод переноса в определенные растения более эффективных ферментных систем метаболического пути фиксации атмосферного углерода (темновой фазы фотосинтеза), что позволит повысить скорость фиксации углекислого газа и, как следствие, продуктивность фотосинтеза культурных растений.

Самым важным шагом к победе не только над генетическими болезнями, но и над старостью будет разработка методов геноте-рапии, безопасных для клетки. Тогда у врачей появится возможность заменять в организме пожилых людей поврежденные в результате мутаций гены на нормальные.

На сегодняшний день методы генной инженерии позволили осуществить синтез в промышленных количествах таких гормонов, как инсулин, интерферон и соматотропин (гормон роста), которые необходимы для лечения ряда генетических болезней человека — сахарного диабета, некоторых видов злокачественных образований, карликовости,

С помощью генетических методов были получены также штаммы микроогранизмов (Ashbya gossypii, Pseudomonas denitrificans и др.), которые производят в десятки тысяч раз больше витаминов (С, В3, В13, и др.), чем исходные формы.

В основе клеточной инженерии лежит использование методов культивирования изолированных клеток и тканей на искусственной питательной среде в регулируемых условиях. Это стало возможным благодаря способности растительных клеток в результате регенерации формировать целое растение из единичной клетки. Условия регенерации разработаны для многих культурных растений — картофеля, пшеницы, ячменя, кукурузы, томатов и др. Работа с этими объектами делает возможным использование в селекции нетрадиционных методов клеточной инженерии — соматической гибридизации, гаплоидии, клеточной селекции, преодоления нескрещиваемости в культуре и др.

^ Соматическая гибридизация — это слияние двух различных клеток в культуре тканей. Сливаться могут разные виды клеток одного организма и клетки разных, иногда очень далеких видов, например мыши и крысы, кошки и собаки, человека и мыши,

Культивирование клеток растений стало возможным, когда научились с помощью ферментов избавляться от толстой клеточной стенки и получать изолированный протопласт, который можно культивировать так же, как и клетки животных. Кроме того, можно заставить слиться с протопластом других видов растений и получить в соответствующих условиях новые гибриды. Протопласт является также идеальным реципиентом для чужеродной ДНК, что дает возможность образования генетически модифицированных растений.

Из протопластов многих растений в подходящих условиях формируются полноценные организмы, которые можно пересадить в землю и далее размножать обычным способом. Таким путем получают гибриды между растениями, которые иначе не скрещиваются, освобождаются от вирусов или, наоборот, вводят в растения иные гены.

У растений-регенерантов выявлен широкий спектр мутаций как по качественным, так и по количественным признакам. Для проведения направленной селекции мутантов в культуре создается селективный фон, позволяюеций отобрать клетки с нужными качествами. Именно этот тип клеточной селекции обеспечивает возможность повышения приспособленности генотипов, т. е. в культуре возможна селекция на устойчивость к патогенам, гербицидам, засолению почв, высокой или низкой их кислотности, засухе и т, п. Общий принцип отбора растительных клеток в культуре на питательной среде заключается в том, что признак растения, по которому ведется отбор, как правило, должен проявляться на клеточном уровне.

Например, если в культуру растительных клеток добавить токсичные аналоги аминокислот, то будут размножаться только те мутанты, у которых собственный синтез этих аминокислот выше обычного. Так удалось получить клетки, а из них растения моркови, синтезирующие в 20 раз больше метионина, в 30 раз — триптофана, в 5 раз — лизина. Проведение такой селекции на целых растениях потребовало бы огромной работы в течение многих десятков лет.

Очень важное направление клеточной инженерии связано с ранними стадиями эмбриогенеза. Например, оплодотворение яйцеклеток в пробирке уже сейчас позволяет преодолевать некоторые распространенные формы бесплодия у человека. У сельскохозяйственных животных с помощью инъекции гормонов удается получить от одной коровы-рекордистки десятки яйцеклеток, оплодотворить их в пробирке спермой породистого быка, а затем имплантировать в матку других коров; в результате один ценный экземпляр дает в 10 раз больше потомства, чем это было возможно обычным путем.

Культуру растительных клеток выгодно использовать для быстрого размножения медленно растущих растений — женьшеня, маслинной пальмы, малины, персиков и др. Так, при обычном разведении куст малины дает не более 50 отростков в год, а с помощью культуры клеток можно получить более 50 тыс. растений. При таком разведении иногда вырастают растения более продуктивные, чем исходный сорт. Так были выведены новые ценные сорта картофеля, грейпфрута и т. д.

Уже многие годы для решения проблемы загрязнения окружающей среды используются биологические методы, разработанные биотехнологами. Так, бактерии родов Rhodococcus и Nocardia с успехом применяют для эмульгирования и сорбции углеводородов нефти из водной среды. Они способны разделять водную и нефтяную фазы, концентрировать нефть, очищать сточные воды от примесей нефти. Ассимилируя углеводороды нефти, такие микроорганизмы преобразуют их в белки, витамины группы В и каротины. Если в питательную среду из нефтяных фракций добавить азотистые вещества с минеральными солями, то процесс образования белков пойдет необычайно интенсивно. Практически с каждой тонны углеводородов таким путем можно получить до тонны белков. Это означает, что менее одного процента обрабатываемой теперь сырой нефти хватило бы для возмещения недостатка в белках на всей планете.

Некоторые из штаммов галобактерий с успехом применяют для удаления мазута с песчаных пляжей. Получены также генно-инженерные штаммы, способные расщеплять октан, камфору, нафталин, ксилол, эффективно утилизировать сырую нефть. Для извлечения металлов из сточных вод могут широко использоваться штаммы Citrobacter, Zoogloea, способные накапливать уран, медь, кобальт.

Получены высокоэффективные штаммы Pseudomonas и термофильной бактерии Sulfolobus для удаления серы из угля; это одна из сложнейших экологических проблем; так как при сжигании угля происходит сильное загрязнение окружающей среды серой.

Биотехнология проникает в тяжелую промышленность, где микроорганизмы используются для добычи, превращения и переработки природных ископаемых. Уже в древности первые металлурги получали железо из болотных руд, производимых железобактериями, которые способны концентрировать железо. Теперь разработаны способы бактериальной концентрации ряда других ценных металлов — марганца, цинка, меди, хрома и др. Эти методы используются для разработки отвалов старых рудников и бедных месторождений, где традиционные методы добычи экономически невыгодны.

Биотехнология решает не только конкретные задачи науки и производства. У нее есть более глобальная методологическая задача — она расширяет и ускоряет масштабы воздействий человека на живую природу и способствует адаптации живых систем к условиям существования человека, т. е. к ноосфере. Биотехнология, таким образом, выступает в роли мощного фактора антропогенной адаптивной эволюции.

У биотехнологии, генетической и клеточной инженерии многообещающие перспективы. Со временем человек будет внедрять нужные гены в клетки растений, животных и человека, что позволит постепенно избавиться от многих наследственных болезней, заставит клетки синтезировать необходимые лекарства и биологически активные соединения, а затем — непосредственно белки и незаменимые аминокислоты, употребляемые в пищу. Используя методы, уже освоенные природой, биотехнологи надеются получать с помощью фотосинтеза водород — самое экологически чистое топливо будущего, а также превращать в аммиак атмосферный азот при обычных условиях и т. д.

www.ronl.ru

Реферат Биотехнологии

Удивительными открытиями в науке и грандиозным научно-техническим прогрессом ознаменовался XX век, однако научно-технический прогресс в настоящем виде имеет негативные стороны: исчерпание ископаемых ресурсов загрязнение окружающей среды, исчезновение многих видов растений и животных, глобальное изменение климата, появление озоновых дыр над полюсами Земли и т.д. Ясно, что такой путь ведёт в тупик. Нужно принципиальное изменение вектора развития. Биотехнология может внести решающий вклад в решение глобальных проблем человечества.

Биотехнология - это использование живых организмов (или их составных частей) в практических целях. Когда говорят о современной биотехнологии, то подобное определение дополняют словами: на базе достижений молекулярной биологии. Если не сделать подобного добавления, то под определение "биотехнология" попадут и традиционное с/х, животноводство и многие отрасли пищевой промышленности, использующие микроорганизмы. Далее мы остановимся на одном из видов биотехнологии, а именно на генной инженерии, которая открывает совершенно новые пути в медицине химии, в производстве Энергии, новых материалов, в охране окружающей среды. Генная инженерия - это технология манипуляций с веществом наследственности - ДНК.

Сегодня учёные могут в пробирке разрезать молекулу ДНК в желательном месте, изолировать и очищать отдельные её фрагменты, синтезировать их из двух дезоксирибонуклеотидов, могут сшивать такие фрагменты. Результатом таких манипуляций являются "гибридные", или рекомбинантные молекулы ДНК, которых до этого не было в природе.

Годом рождения генной инженерии считается 1972 год, когда в лаборатории Пола Берга в США была получена в пробирке первая рекомбинантная реплицироваться, т.е. размножаться, в бактерии кишечной палочки E.сoli. Само появление генной инженерии стало возможным благодаря фундаментальным открытиям в молекулярной биологии.

В 60-е годы ученые расшифровали генетический код, т.е. установили, что каждая аминокислота в белке кодируется триплетом нуклеотидов в ДНК. Особенно важно, что генетический код универсален для всего живого мира. Это означает, что весь мир "разговаривает" на одном языке. Если передать в какую- либо клетку "чужеродную" ДНК, то информация, в ней закодированная, будет правильно воспринята клеткой реципиентом.

Далее было установлено, что существуют специальные последовательности ДНК, определяющие начало и окончание транскрипции, трансляции , репликации. Практически все эти системы, в первом приближении, безразличны к последовательностям ДНК, расположенным между данными сигналами. Надо сказать, что сами сигналы различаются в разных организмах. Из всего сказанного следует, что если взять некий структурный ген(например человека) и in vitro снабдить его сигналами, характерными для гена бактериальной клетки, то такая структура, помещённая в бактериальную клетку, будет способна к синтезу человеческого белка.

Принципиальная особенность генной - способность создавать структуры ДНК, которые никогда не образуются в живой природе. Генная инженерия преодолела барьер, существующий в живом мире, где генетический обмен осуществляется только в пределах одного вида или близкородственных видов организмов. Она позволяет переносить гены из одного живого организма в любой другой. Эта новая техника открыла безграничные перспективы создания микроорганизмов, растений и животных с новыми полезными свойствами.

Конечно, нарушение барьеров живой природы может таить потенциальную опасность. Вот почему во всех развитых странах мира правила работы, законы, регулирующие генно-инженерную деятельность. Закон о "генно-инженерной деятельности" принят и парламентом РФ в июле 1996 г.

Невозможно рассказать о всех аспектах применения техники генной инженерии в биотехнологии или научных исследованиях. Приведём лишь несколько примеров, иллюстрирующих возможности этого метода.

Одно из наиболее важных направлений генной инженерии - производство лекарств нового поколения, представляющих собой биологически активные белки человека. Следует напомнить, что в большинстве случаев белки человека (как и других животных) видоспецифичны, т.е. для лечения человека можно использовать только белки человека. Вследствие этого возникает проблема получения человеческих белков в нужных количествах.

В связи со сказанным интересна история получения интерферонов. В 1957 г. английские ученые Иссаакс и Линдельман обнаружили, что мыши, болевшие гриппом, не подвержены инфекции другими, более опасными вирусами. Исследование наблюдаемого явления привело к выводу, клетки животных и человека в ответ на вирусную инфекцию выделяют какое-то вещество, которое делает окружающие здоровые клетки устойчивыми к вирусной инфекции. Это вещество (или вещества) получило название интерферона.

В течение последующих 20 лет велись интенсивные исследования. Было установлено, что интерфероны - группы белков, относящиеся к 3 классам - alpha, betta и gamma. Лейкоциты крови выделяют интерферон типа alpha , фибробласты типа betta и T- лейкоциты типа gamma. Интерфероны выделили, очистили и показали их эффект как противовирусных лекарств. Кроме того, эти белки оказались эффективными при лечении рассеянного склероза и некоторых видов рака. Единственным препятствием к использованию интерферонов была их малая доступность. Они синтезировались в очень малых количествах: источником их получения была или донорская кровь, или культура клеток человека. К сожалению, эти источники не позволяли получать интерфероны в количестве, нужных медицине.

В 1980 - 1985 гг. в нескольких лабораториях мира, в том числе и в СССР, были выделены гены человека, определяющие синтез интерферонов, и введены в бактерии. Такие бактерии стали способны синтезировать человеческий интерферон. Очень важно, что они быстро растут, используют дешёвую питательную среду и синтезируют большое количество белка. Из 1 л бактериальной культуры можно выделить столько человеческого интерферона alpha, сколько из 10 тыс. л. донорской крови. Полученный белок абсолютно идентичен интерферону, синтезируемому в организме человека. Конечно, пришлось решать сложную задачу очистки интерферона, полученного способом генной инженерии, до гомогенного состояния.

Ещё 4 - 6 лет заняли доклинические и клинические испытания. Наконец в 1989 -1990 гг. появилось новое лекарство - человеческий интерферон alpha; в России он выпускается под названием "реаферон". За эту работу группа ученых удостоена Ленинской премии.

Сегодня это почти единственный препарат, который эффективен против вирусных гепатитов как в острой, так и в хронических формах, против герпеса, простудных заболеваний. Интерферон применяется и в терапии некоторых видов рака. За рубежом с 1994 г. выпускаются препараты betta и gamma - интерферонов человека.

Из других препаратов рекомбинантных белков человека, получивших широкое медицинское применение, следует назвать инсулин, гормон роста, эритропоэтин. Свиной инсулин отличается от человеческого всего одной аминокислотой. Применяется с 1926 г. для лечения людей при инсулинзависимом сахарном диабете. Для гормона роста и эритропоэтина отмечается, как и для интерферонов, видоспецифичность белков. Генная инженерия открыла новую возможность использования этих белков в медицине. Гормон роста применяется не только для борьбы с карликовостью, но и широко используется как стимулятор для заживления ран, сращивания костей. Гормоны роста животных начали использовать в с/х (увеличение на 15% удоя коров, ускорение роста рыб). Эритропоэтин - стимулятор кроветворения и используется при лечении различного рода анемий.

В настоящее время в мире получили разрешение на применение более 30 препаратов, созданных методами генной инженерии, и более 200 находятся на разных стадиях клинических исследований. Сейчас более 20% фармацевтического рынка лекарств составляют лекарства новой биотехнологии.

Использование рекомбинантных белков человека - принципиально новая терапия. В не вводится ничего чужого. Действительно, если в нём не хватает инсулина или гормона роста, их добавляют (заместительная терапия). С вирусами организм сам борется с помощью интерферонов - человек просто помогает ему.

Значительные успехи достигнуты в генной инженерии растений. В основе этой техники лежат методы культивирования клеток и тканей растений в пробирке и возможность регенерации целого растения из отдельных клеток.

В генной инженерии растений есть свои проблемы. Одна из них состоит в том, что многие полезные свойства растений кодируются не одним, а многими генами. Это делает трудным или невозможным прямое генно-инженерное совершенствование свойств. Другое препятствие, которое постепенно преодолевается, - трудности культивирования и регенерации клеток в целое растение среди некоторых видов, например злаков. Лучшие результаты получены в том случае, когда перенос одного гена может привести к появлению у растения полезного свойства.

Несмотря на ограничения, получены впечатляющие результаты: созданы сорта хлопчатника, томатов, табака, риса, устойчивых к насекомым-вредителям, вирусам, грибковым заболеваниям. Пионер в области применения генно-инженерных растений в с/х - США. Здесь в 1996 году до 20% посевов хлопчатника произведено семенами, модифицированными методом генной инженерии.

Создание генно-инженерных (их сейчас называют трансгенными) животных имеет те же принципиальные трудности, что и создание трансгенных растений, а именно: множественность генов, определяющих хозяйственно ценные признаки. Тем не менее, есть быстро развивающаяся область, связанная с созданием трансгенных животных - продуцентов биологически активных белков.

В высших организмах конкретные гены кодируют производство белков в определенных тканях. Хотя все гены содержатся в каждой клетке, в специализированных клетках работают только некоторые из них, этим и определяется тканевая специфичность. Примером может служить производство белков молока (козеин, лактальбумин) в молочных железах. Есть возможность подставить нужный нам ген под регуляторные последовательности, например казеина, и получить чужеродный белок в составе молока. Важно при этом, что животное чувствует себя нормально, так как чужой ген работает только в процессе лактации.

В мире уже существуют сотни трансгенных овец и коз, продуцирующих в молоке от десятков миллиграмм до нескольких грамм биологически активных белков человека в 1л молока. Такой метод производства экономически выгоден и экологически чище, хотя и требует от ученых больших усилий и времени при создании трансгенных животных по сравнению с созданием генно-инженерных микроорганизмов.

С молоком трансгенных животных можно получать не только лекарства. Известно, что для производства сыра высокого качества необходим фермент, створаживающий молоко, - реннин. Этот фермент добывают из желудков молочных телят. Он дорог и не всегда доступен. Наконец, генные инженеры сконструировали дрожжи, которые стали производить этот ценный белок при микробиологическом синтезе.

Следующий этап генной инженерии - создание трансгенных овец, которые синтезируют химозин в молоке. Небольшое стадо наших овец в России находится на Ленинских Горках под Москвой. Эти овцы синтезируют до 300 мг/л фермента в молоке. Для процесса сыроварения белок можно не выделять, а использовать просто в составе молока.

Возможна экспансия биотехнологии в области, которые сегодня целиком принадлежат химии. Это - биокатализ (вместо химического катализа) и новые материалы. Один из процессов биокатализа, успешно реализованного в промышленности, - получение акриламида из акрилонитрила.

Ch3=CH–CN -> Ch3=CH-C=0

|

Nh3

Акриламид служит исходным мономером для получения полимеров и сополимеров, широко используемых при очистке воды и стоков, в горном деле, при осветлении соков и вин, приготовлении красок и т.п.

До недавнего времени процесс гидролиза нитрила вели при 105 С в присутствии серной кислоты. После окончания процесса серную кислоту нейтрализовали аммиаком. Большое количество сернокислого аммония, в конечном счёте оказывался в реках. Были велики затраты энергии, быстро изнашивалось оборудование, и качество акриламида оставляло желать лучшего.

В 1987 году ученые из института генетики и селекции промышленных микроорганизмов совместно со своими коллегами из Саратовского филиала института приступили к поиску в природе микроорганизмов, которые могли бы превращать акрилонитрил в акриламид, Такие микроорганизмы были найдены. После ряда манипуляций получены микроорганизмы, синтезирующие в 10 тыс. раз больше фермента – нитрилгидратазы, ответственного за трансформацию акрилонитрила.

Достижения учёных реализованы на практике. На одном из заводов, выпускающий антибиотики, налажен выпуск биокатализатора, т.е. нужных микроорганизмов, а ещё на 3 заводах осуществлён процесс биокаталитического получения акриламида. Процесс осуществляется при комнатном давлении и температуре, следовательно, мало энергоёмок. Процесс практически не имеет отходов, экологически чист. Получаемый новым методом акриламид имеет высокую чистоту, что важно, так как большая его часть далее полимеризуется в полиакриламид, а качество полимера сильно зависит от чистоты мономера.

Другой пример относится не к биокатализу, а к биоматериалам. Учёные давно обратили внимание на очень ценные механические свойства материала, из которого пауки плетут сети.

Паутинка примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса, этот материал мягче хлопка, прочнее стали, обладает уникальной эластичностью, практически не меняет свойств при изменении температуры, материал идеально подходит для многих практических целей: парашютного корда, бронежилетов и т.д. Вопрос, где взять большое количество паутины по исходной цене?

На помощь пришла генная инженерия. Учёные выделили гены, ответственные за синтез белков паутины, и перенесли их в микроорганизмы. В 1995 г. появилось сообщение американских исследователей, что в микроорганизмах действительно синтезируется нужный белок. Таким образом открывается путь к промышленному микробиологическому синтезу нового материала.

Обычно для роста микроорганизмов используются дешёвые крахмал, патока и другие с/х продукты, т.е. возобновляемое сырьё.

Нужно отметить. Что бактерии синтезируют не нити, а аморфный белок так же, как и пауки. Нить образуется, когда паук выдавливает белок из сопла своих желёз. Технически возможно имитировать этот процесс, продавливая аморфный белок через очень тонкие отверстия. Первые нити из микробиологического белка уже получены. Есть реальная возможность улучшить великолепные качества паутины, внеся некоторые изменения в аминокислотную последовательность белка.

Приведённые примеры далеко не охватывают всех практических аспектов применения генной инженерии. Мы не касались вопросов энергетики, охраны среды, добычи полезных ископаемых, микробиологической промышленности, а также очень важного вопроса – роли генной инженерии в развитии самой молекулярной биологии.

Новая «Зелёная революция», которая уже началась, даст растения, которые не будут нуждаться в пестицидах, а в будущем - и в азотных удобрениях. Прекращение использования

Химических пестицидов резко улучшит состояние окружающей среды, сократит расходы нефти и газа на их производство (на 3%). Появятся новые материалы новые лекарства, высокопроизводительные животные, новые пищевые продукты.

По заключению экспертов конгресса США, «биотехнология в наибольшей степени изменит образ жизни людей в XXI веке».

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.study.online.ks.ua/

bukvasha.ru

• 
  Растения полезные для офиса
• 
  Растения для офиса полезные
• 
  Растение чайное дерево фото
• 
  Растение туя как ухаживать
• 
  Растение монстера как ухаживать
• 
  Комнатные растения замиокулькас фото
• 
  Клематис уход за растением
• 
  Как правильно прищипывать растения
• 
  Гидрогель для растений фото
• 
  Уход за светолюбивыми растениями
• 
  Растение с красной коробочкой