Los últimos avances en biotecnología. ¿Qué es la biotecnología? Principales direcciones y logros.
INTRODUCCIÓN
1.1. Provisiones generales
La Ley de la Federación Rusa "Sobre Medicina Veterinaria" define las principales tareas de la medicina veterinaria "en el campo del conocimiento y la práctica científicos destinados a prevenir enfermedades animales y su tratamiento, producir productos pecuarios completos y veterinariamente seguros y proteger a la población de enfermedades comunes a los humanos y a los animales”.
La solución de varios de estos problemas se lleva a cabo mediante métodos de biotecnología.
La Federación Europea de Biotecnología, fundada en 1978, da una definición bastante completa de biotecnología. Según esta definición biotecnología es una ciencia que, basada en la aplicación de conocimientos en el campo de la microbiología, la bioquímica, la genética, la ingeniería genética, la inmunología, la tecnología química, la instrumentación y la ingeniería mecánica, utiliza objetos biológicos (microorganismos, células de tejidos animales y vegetales) o moléculas (núcleos ácidos, proteínas, enzimas, carbohidratos, etc.) para la producción industrial de sustancias y productos útiles para humanos y animales.
Hasta que el término general "biotecnología" se aceptó generalmente, nombres como microbiología aplicada, bioquímica aplicada, tecnología enzimática, bioingeniería, genética aplicada y biología aplicada se utilizaron para referirse a las diversas tecnologías más estrechamente relacionadas con la biología.
El uso de los logros científicos en biotecnología se lleva a cabo al más alto nivel de la ciencia moderna. Solo la biotecnología crea la posibilidad de obtener una variedad de sustancias y compuestos a partir de materiales relativamente baratos, accesibles y renovables.
A diferencia de las sustancias y compuestos naturales, los sintetizados artificialmente requieren grandes inversiones, son poco absorbidos por los organismos animales y humanos y tienen un costo elevado.
La biotecnología utiliza microorganismos y virus que, en el curso de su vida, producen naturalmente las sustancias que necesitamos: vitaminas, enzimas, aminoácidos, ácidos orgánicos, alcoholes, antibióticos y otros compuestos biológicamente activos.
La célula viva supera a cualquier planta en su estructura organizativa, coherencia de procesos, precisión de resultados, eficiencia y racionalidad.
Actualmente, los microorganismos se utilizan principalmente en tres tipos de procesos biotecnológicos:
Para la producción de biomasa;
Para obtener productos metabólicos (por ejemplo, etanol, antibióticos, ácidos orgánicos, etc.);
Para el procesamiento de compuestos orgánicos e inorgánicos de origen tanto natural como antropogénico.
La tarea principal del primer tipo de procesos que la producción biotecnológica está llamada a resolver hoy es la eliminación de la deficiencia proteica en la alimentación de animales de granja y aves, porque en las proteínas de origen vegetal hay una deficiencia de aminoácidos y, sobre todo, especialmente valiosos, los llamados esenciales.
La dirección principal del segundo grupo de procesos biotecnológicos es actualmente la producción de productos de síntesis microbiana utilizando productos de desecho de diversas industrias, incluidas las industrias de procesamiento de alimentos, petróleo y madera, etc.
El procesamiento biotecnológico de varios compuestos químicos tiene como objetivo principal garantizar el equilibrio ecológico en la naturaleza, procesar los productos de desecho de la actividad humana y minimizar el impacto antropogénico negativo en la naturaleza.
A escala industrial, la biotecnología es una industria en la que se pueden distinguir las siguientes ramas:
Producción de polímeros y materias primas para la industria textil;
Obtención de metanol, etanol, biogás, hidrógeno y su uso en las industrias energética y química;
Producción de proteínas, aminoácidos, vitaminas, enzimas, etc. por cultivo a gran escala de levadura, algas, bacterias;
Aumentar la productividad de las plantas y animales agrícolas;
Obtención de herbicidas y bioinsecticidas;
Introducción generalizada de métodos de ingeniería genética en la obtención de nuevas razas de animales, variedades de plantas y cultivo de cultivos de células de tejidos de origen vegetal y animal;
Tratamiento de residuos industriales y domésticos, aguas residuales, producción de compost utilizando microorganismos;
Aprovechamiento de las emisiones nocivas de petróleo, productos químicos que contaminan el suelo y el agua;
Elaboración de preparados terapéuticos y profilácticos y de diagnóstico (vacunas, sueros, antígenos, alérgenos, interferones, antibióticos, etc.).
Casi todos los procesos biotecnológicos están estrechamente relacionados con la actividad vital de varios grupos de microorganismos: bacterias, virus, levaduras, hongos microscópicos, etc., y tienen una serie de rasgos característicos:
1. El proceso de síntesis microbiana, por regla general, es parte de una producción de múltiples etapas, y el producto objetivo de la etapa de biosíntesis a menudo no es comercial y está sujeto a un procesamiento adicional.
2. A la hora de cultivar microorganismos, suele ser necesario mantener condiciones asépticas, lo que requiere la esterilización de equipos, comunicaciones, materias primas, etc.
3. El cultivo de microorganismos se lleva a cabo en sistemas heterogéneos, cuyas propiedades fisicoquímicas pueden cambiar significativamente durante el proceso.
4. El proceso tecnológico se caracteriza por una alta variabilidad debido a la presencia de un objeto biológico en el sistema, es decir. poblaciones de microorganismos.
5. La complejidad y el carácter multifactorial de los mecanismos de regulación del crecimiento de microorganismos y la biosíntesis de productos metabólicos.
6. Complejidad y, en la mayoría de los casos, falta de información sobre la composición cualitativa y cuantitativa de los medios de producción.
7. Concentraciones relativamente bajas de productos objetivo.
8. La capacidad del proceso para autorregularse.
9. Las condiciones óptimas para el crecimiento de microorganismos y para la biosíntesis de productos diana no siempre coinciden.
Los microorganismos consumen sustancias del medio ambiente, crecen, se multiplican, liberan productos metabólicos líquidos y gaseosos, realizando con ello aquellos cambios en el sistema (acumulación de biomasa o productos metabólicos, consumo de contaminantes) por los que se lleva a cabo el proceso de cultivo. Por tanto, un microorganismo puede ser considerado como un elemento central de un sistema biotecnológico, lo que determina la eficiencia de su funcionamiento.
1.2. Historia del desarrollo de la biotecnología.
En los últimos 20 años, la biotecnología, por sus ventajas específicas frente a otras ciencias, ha dado un paso decisivo a nivel industrial, lo que también se debe en gran medida al desarrollo de nuevos métodos de investigación y a la intensificación de procesos que han abierto oportunidades hasta ahora desconocidas. en la obtención de preparados biológicos, métodos de aislamiento, identificación y purificación biológica de sustancias activas.
La biotecnología se formó y evolucionó a medida que se formó y desarrolló la sociedad humana. Su aparición, formación y desarrollo se pueden dividir condicionalmente en 4 períodos.
1. El período empírico o prehistórico - el más largo, que abarca aproximadamente 8000 años, de los cuales más de 6000 años antes de Cristo. y alrededor del 2000 d.C. Los pueblos antiguos de esa época utilizaban intuitivamente las técnicas y métodos para la elaboración del pan, la cerveza y algunos otros productos, que ahora catalogamos como biotecnológicos.
Se sabe que los sumerios, los primeros habitantes de Mesopotamia (en el territorio del actual Irak), crearon una civilización floreciente en esos días. Hornearon pan con masa madre, dominaron el arte de hacer cerveza. La experiencia adquirida fue transmitida de generación en generación, difundida entre los pueblos vecinos (asirios, babilonios, egipcios y antiguos hindúes). Desde hace varios milenios se conoce el vinagre, que se prepara en casa desde la antigüedad. La primera destilación en la vinificación se realizó en el siglo XII; el vodka de cereales se obtuvo por primera vez en el siglo XVI; El champán se conoce desde el siglo XVIII.
El período empírico incluye la producción de productos lácteos fermentados, chucrut, bebidas alcohólicas a base de miel y el ensilado de forrajes.
Por lo tanto, los pueblos de la antigüedad utilizaron procesos biotecnológicos en la práctica, sin saber nada sobre los microorganismos. El empirismo también fue característico de la práctica de utilizar plantas y animales útiles.
En 1796, tuvo lugar un evento importante en biología: E. Jenner llevó a cabo las primeras vacunas humanas contra la viruela bovina en la historia.
2. El período etiológico en el desarrollo de la biotecnología abarca la segunda mitad del siglo XIX. y el primer tercio del siglo XX. (1856 - 1933). Está asociado con la destacada investigación del gran científico francés L. Pasteur (1822 - 95), el fundador de la microbiología científica.
Pasteur estableció la naturaleza microbiana de la fermentación, probó la posibilidad de vida en condiciones libres de oxígeno, sentó las bases científicas para la vacunación, etc.
Durante el mismo período, trabajaron sus destacados estudiantes, empleados y colegas: E. Duclos, E. Roux, Sh.E. Chamberlan, II. Mechnikov; R. Koch, D. Lister, G. Ricketts, D. Ivanovsky y otros.
En 1859, L. Pasteur preparó un medio nutritivo líquido, R. Koch en 1881 propuso un método para cultivar bacterias en rodajas de patata estériles y en medios nutritivos de agar. Y, como consecuencia de esto, fue posible probar la individualidad de los microbios y obtenerlos en cultivos puros. Además, cada especie podría propagarse en medios nutrientes y usarse para reproducir los procesos correspondientes (fermentación, oxidación, etc.).
Entre los logros del 2do período, se destacan los siguientes:
1856 - El monje checo G. Mendel descubrió las leyes de dominancia de los rasgos e introdujo el concepto de unidad de herencia en forma de un factor discreto que se transmite de padres a descendientes;
1869 - F. Miler aisló "nucleína" (ADN) de los leucocitos;
1883 - I. Mechnikov desarrolló la teoría de la inmunidad celular;
1984 - F. Leffler aisló y cultivó el agente causal de la difteria;
1892 - D. Ivanovsky descubrió virus;
1893 - W. Ostwald estableció la función catalítica de las enzimas;
1902 - G. Haberland mostró la posibilidad de cultivar células vegetales en soluciones nutritivas;
1912 - C. Neuberg reveló el mecanismo de los procesos de fermentación;
1913 - L. Michaelis y M. Menten desarrollaron la cinética de las reacciones enzimáticas;
1926 - X. Morgan formuló la teoría cromosómica de la herencia;
1928 - F. Griffith describe el fenómeno de la "transformación" en las bacterias;
1932 - M. Knoll y E. Ruska inventaron el microscopio electrónico.
Durante este período, la fabricación de alimentos prensados
levadura, así como productos de su metabolismo - acetona, butanol, ácido cítrico y láctico, Francia comenzó a crear bioinstalaciones para el tratamiento microbiológico de aguas residuales.
Sin embargo, la acumulación de una gran masa de células de la misma edad siguió siendo un proceso extremadamente laborioso. Es por eso que se requería un enfoque fundamentalmente diferente para resolver muchos problemas en el campo de la biotecnología.
3. Período biotécnico: comenzó en 1933 y duró hasta 1972.
En 1933 A. Kluiver y A.Kh. Perkin publicó el trabajo "Métodos para estudiar el metabolismo de los hongos del moho", en el que describió las principales técnicas, así como los enfoques para evaluar los resultados obtenidos en el cultivo sumergido de hongos. Se ha iniciado la introducción en biotecnología de equipos herméticos a gran escala, que aseguran que los procesos se realicen en condiciones de esterilidad.
Se notó un impulso particularmente poderoso en el desarrollo de equipos biotecnológicos industriales durante la formación y el desarrollo de la producción de antibióticos (durante la Segunda Guerra Mundial 1939-1945, cuando hubo una necesidad urgente de medicamentos antimicrobianos para tratar pacientes con heridas infectadas).
Todo lo progresivo en el campo de las disciplinas biotecnológicas y técnicas, logrado hasta ese momento, se reflejó en la biotecnología:
1936: se resolvieron las principales tareas de diseño, creación y puesta en práctica del equipo necesario, incluido el principal: un biorreactor (fermentador, aparato de cultivo);
1942 - M. Delbrück y T. Anderson vieron virus por primera vez usando un microscopio electrónico;
1943 - se produce penicilina a escala industrial;
1949 - J. Lederberg descubrió el proceso de conjugación en MI.collie;
1950 - J. Monod desarrolló los fundamentos teóricos del cultivo controlado continuo de microbios, que fueron desarrollados en su investigación por M. Stephenson, I. Molek, M. Ierusalimsky,
I. Rabotnova, I. Pomozgova, I. Basnakyan, V. Biryukov;
1951 - M. Theiler desarrolló una vacuna contra la fiebre amarilla;
1952 - W. Hayes describió el plásmido como un factor de herencia extracromosómico;
1953 - F. Crick y J. Watson decodificaron la estructura del ADN. Este ha sido el impulso para el desarrollo de métodos para el cultivo a gran escala de células de varios orígenes para obtener productos celulares y las propias células;
1959: científicos japoneses descubrieron plásmidos de resistencia a los antibióticos (factor K) en una bacteria disentérica;
1960 - S. Ochoa y A. Kornberg aislaron proteínas que pueden "entrelazar" o "pegar" nucleótidos en cadenas poliméricas, sintetizando así macromoléculas de ADN. Una de estas enzimas se aisló de Escherichia coli y se denominó ADN polimerasa;
1961 - M. Nirenberg leyó las primeras tres letras de la genética
codificar el aminoácido fenilalanina;
1962 - X. Qur'an sintetizó químicamente un gen funcional;
1969 - M. Beckwith y S. Shapiro aislaron el gen del operón 1ac de MI.collie;
- 1970: se aisló la enzima enzima de restricción (endonucleasa de restricción).
4. El período de la ingeniería genética comenzó en 1972, cuando P. Berg creó la primera recombinación de una molécula de ADN, demostrando así la posibilidad de manipulaciones dirigidas con el material genético de las bacterias.
Naturalmente, sin el trabajo fundamental de F. Crick y J. Watson sobre el establecimiento de la estructura del ADN, sería imposible lograr resultados modernos en el campo de la biotecnología. La elucidación de los mecanismos de funcionamiento y replicación del ADN, el aislamiento y el estudio de enzimas específicas condujeron a la formación de un enfoque estrictamente científico para el desarrollo de procesos biotécnicos basados en manipulaciones de ingeniería genética.
La creación de nuevos métodos de investigación fue un requisito previo necesario para el desarrollo de la biotecnología en el cuarto período:
1977 - M. Maxam y W. Gilbert desarrollaron un método para analizar la estructura primaria del ADN por degradación química, y J. Sanger
- por copia de polimerasa utilizando análogos de nucleótidos de terminación;
1981: se aprueba el primer kit de diagnóstico de anticuerpos monoclonales para su uso en los EE. UU.;
1982: salió a la venta la insulina humana producida por células de E. coli; permitido para uso en países europeos, la vacuna para animales obtenida por tecnología
ADN recombinante; se han desarrollado interferones modificados genéticamente, factor necrotizante de tumores, interleucina-2, hormona de crecimiento humana, etc.;
1986 - K. Mullis desarrolló el método de reacción en cadena de la polimerasa (PCR);
1988: comienza la producción a gran escala de equipos y kits de diagnóstico para PCR;
1997 - El primer mamífero (Dolly the Sheep) fue clonado a partir de una célula somática diferenciada.
Destacados científicos nacionales como L.S. Tsenkovski, S.N. Vyshelessky, M. V. Likhachev, N. N. Ginzburg, S. G. Kolesov, Ya.R. Kolyakov, R. V. Petrov, V. V. Kafarov y otros hicieron una contribución invaluable al desarrollo de la biotecnología.
Los logros más importantes de la biotecnología en el 4º período:
1. Desarrollo de procesos intensivos (en lugar de extensivos) basados en investigación fundamental dirigida (con productores de antibióticos, enzimas, aminoácidos, vitaminas).
2. Obtención de superproductores.
3. Creación de varios productos necesarios para una persona basada en tecnologías de ingeniería genética.
4. Creación de organismos inusuales que no existían previamente en la naturaleza.
5. Desarrollo e implantación en la práctica de equipos especiales para sistemas biotecnológicos.
6. Automatización e informatización de procesos productivos biotecnológicos con máximo aprovechamiento de materias primas y mínimo consumo energético.
Los logros de la biotecnología mencionados anteriormente se están implementando actualmente en la economía nacional y se pondrán en práctica en los próximos 10 a 15 años. En un futuro previsible, se definirán nuevos pilares de la biotecnología y nos esperan nuevos descubrimientos y avances.
1.3. Biosistemas, objetos y métodos en biotecnología
Uno de los términos en biotecnología es el concepto de "biosistema". Las características generalizadas de un sistema biológico (vivo) se pueden reducir a tres características principales inherentes a ellos:
1. Los sistemas vivos son sistemas abiertos heterogéneos que intercambian materia y energía con el medio ambiente.
2. Estos sistemas son autónomos, autorreguladores y activos, es decir, capaz de intercambiar información con el medio ambiente para mantener su estructura y controlar los procesos metabólicos.
3. Los sistemas vivos se reproducen a sí mismos (células, organismos).
Por estructura, los biosistemas se dividen en elementos (subsistemas), interconectados y se caracterizan por una organización compleja (átomos, moléculas, orgánulos, células, organismos, poblaciones, comunidades).
El control en una célula es una combinación de los procesos de síntesis de moléculas de proteína-enzima necesarias para la implementación de una función particular y procesos continuos de cambios de actividad durante la interacción de códigos de triplete de ADN en el núcleo y macromoléculas en ribosomas. El fortalecimiento y la inhibición de la actividad enzimática ocurren dependiendo de la cantidad de productos iniciales y finales de las reacciones bioquímicas correspondientes. Debido a esta compleja organización, los biosistemas difieren de todos los objetos no vivos.
El comportamiento de un biosistema es un conjunto de sus reacciones en respuesta a influencias externas, es decir. la tarea más común de los sistemas de control de los organismos vivos es preservar su base energética en condiciones ambientales cambiantes.
NUEVO MÉJICO. Amosov divide todos los biosistemas en cinco niveles jerárquicos de complejidad: organismos unicelulares, organismos multicelulares, poblaciones, biogeocenosis y biosfera.
Los organismos unicelulares son virus, bacterias y protozoos. Las funciones de los organismos unicelulares son el intercambio de materia y energía con el medio ambiente, el crecimiento y la división, las reacciones a estímulos externos en forma de cambios en el metabolismo y la forma de movimiento. Todas las funciones de los organismos unicelulares están respaldadas por procesos bioquímicos de naturaleza enzimática y a través del metabolismo energético, desde el método de obtención de energía hasta la síntesis de nuevas estructuras o la división de las existentes. El único mecanismo de los organismos unicelulares que asegura su adaptación al medio ambiente es el mecanismo de cambios en los genes de ADN individuales y, como resultado, un cambio en las proteínas enzimáticas y un cambio en las reacciones bioquímicas.
La base de un enfoque sistemático para el análisis de las estructuras de los biosistemas es su representación en forma de dos componentes: energía y control.
En la fig. 1. muestra un diagrama esquemático generalizado de los flujos de energía e información en cualquier biosistema. El elemento principal es el componente energético, denotado por MS (sistema metabólico), y el componente de control, denotado por P (control genético y fisiológico) y que transmite señales de control a los efectores (E). Una de las principales funciones del sistema metabólico es suministrar energía a los biosistemas.
Arroz. 1. Flujos de energía e información en un biosistema.
La estructura de los biosistemas se mantiene mediante los mecanismos de control genético. Al recibir energía e información de otros sistemas en forma de productos metabólicos (metabolitos), y durante el período de formación, en forma de hormonas, el sistema genético controla el proceso de síntesis de las sustancias necesarias y apoya la actividad vital de otros sistemas del cuerpo. , y los procesos en este sistema proceden muy lentamente.
A pesar de la diversidad de biosistemas, la relación entre sus propiedades biológicas permanece invariable para todos los organismos. En un sistema complejo, las posibilidades de adaptación son mucho mayores que en uno simple. En un sistema simple, estas funciones son proporcionadas por una pequeña cantidad de mecanismos, mientras que son más sensibles a los cambios en el entorno externo.
Los biosistemas se caracterizan por una heterogeneidad cualitativa, que se manifiesta en el hecho de que dentro del mismo biosistema funcional, subsistemas con señales de control adecuadas cualitativamente diferentes (químicas, físicas, informativas) trabajan juntos y en armonía.
La jerarquía de los biosistemas se manifiesta en la complicación gradual de una función en un nivel de la jerarquía y una transición abrupta a una función cualitativamente diferente en el siguiente nivel de la jerarquía, así como en la construcción específica de varios biosistemas, su análisis y gestión en una secuencia tal que la función de salida final del nivel inferior de la jerarquía se incluye como un elemento del nivel superior.
La adaptación constante al entorno y la evolución son imposibles sin la unidad de dos propiedades opuestas: la organización estructural-funcional y la probabilidad estructural-funcional, la estocasticidad y la variabilidad.
La organización estructural y funcional se manifiesta en todos los niveles de los biosistemas y se caracteriza por una alta estabilidad de las especies biológicas y de su forma. A nivel de macromoléculas, esta propiedad la proporciona la replicación de macromoléculas, a nivel de célula - por división, a nivel de individuo y población - por reproducción de individuos a través de la reproducción.
Como objetos o sistemas biológicos que utiliza la biotecnología, en primer lugar, es necesario nombrar a los microorganismos unicelulares, así como a las células animales y vegetales. La elección de estos objetos se debe a los siguientes puntos:
1. Las células son una especie de "biofábricas" que producen una variedad de productos valiosos en el transcurso de la vida: proteínas, grasas, carbohidratos, vitaminas, ácidos nucleicos, aminoácidos, antibióticos, hormonas, anticuerpos, antígenos, enzimas, alcoholes, etc. Muchos de estos productos, sumamente necesarios en la vida humana, aún no están disponibles para su obtención por métodos "no biotecnológicos" debido a la escasez o alto costo de las materias primas
o la complejidad de los procesos tecnológicos;
2. Las células se reproducen extremadamente rápido. Por lo tanto, una célula bacteriana se divide cada 20 a 60 minutos, una célula de levadura, cada 1,5 a 2 horas, un animal, después de 24 horas, lo que hace posible cultivar artificialmente grandes cantidades de biomasa en un medio nutritivo relativamente barato y no deficiente. a escala industrial en un tiempo relativamente corto células microbianas, animales o vegetales. Por ejemplo, en un biorreactor con una capacidad de 100 m 3, 10 "6 - 10 18 células microbianas se pueden cultivar en 2 - 3 días. Durante la vida de las células, cuando crecen, una gran cantidad de productos valiosos ingresan al ambiente, y las propias células son despensas de estos productos;
3. La biosíntesis de sustancias complejas como proteínas, antibióticos, antígenos, anticuerpos, etc. es mucho más económica y tecnológicamente más accesible que la síntesis química. Al mismo tiempo, la materia prima inicial para la biosíntesis, por regla general, es más simple y más accesible que las materias primas para otros
tipos de síntesis. Para biosíntesis, residuos de productos agrícolas, pesqueros, industria alimentaria, materias primas vegetales (suero, levadura, madera, melaza, etc.)
4. La posibilidad de realizar un proceso biotecnológico a escala industrial, es decir disponibilidad de equipos tecnológicos apropiados, disponibilidad de materias primas, tecnologías de procesamiento, etc.
Así, la naturaleza les dio a los investigadores un sistema vivo que contenía y sintetizaba componentes únicos y, en primer lugar, ácidos nucleicos, con cuyo descubrimiento la biotecnología y la ciencia mundial en general comenzaron a desarrollarse rápidamente.
Los objetos de la biotecnología son virus, bacterias, hongos, organismos protozoarios, células (tejidos) de plantas, animales y humanos, sustancias de origen biológico (por ejemplo, enzimas, prostaglandinas, lectinas, ácidos nucleicos), moléculas.
Al respecto, se puede decir que los objetos de la biotecnología se refieren o bien a los microorganismos o bien a las células vegetales y animales. A su vez, el cuerpo se puede caracterizar como un sistema de síntesis económica, compleja, compacta y decidida, que avanza de manera constante y activa con un mantenimiento óptimo de todos los parámetros necesarios.
Los métodos utilizados en biotecnología están determinados por dos niveles: celular y molecular. Ambos están determinados por objetos biológicos.
En el primer caso, se trata de células bacterianas (para la producción de preparados vacunales), actinomicetos (para la producción de antibióticos), micromicetos (para la producción de ácido cítrico), células animales (para la fabricación de vacunas antivirales), células humanas células (para la fabricación de interferón), etc.
En el segundo caso, se trata de moléculas, por ejemplo, de ácidos nucleicos. Sin embargo, en la etapa final, el nivel molecular se transforma en celular. Las células de animales y plantas, las células microbianas en el proceso de vida (asimilación y disimilación) forman nuevos productos y liberan metabolitos de diversa composición fisicoquímica y acción biológica.
Cuando una célula crece, tiene lugar una gran cantidad de reacciones catalizadas por enzimas, como resultado de lo cual se forman compuestos intermedios, que a su vez se convierten en estructuras celulares. Compuestos intermedios, los bloques de construcción incluyen 20 aminoácidos, 4 ribonucleótidos, 4 desoxirribonucleótidos, 10 vitaminas, monosacáridos, ácidos grasos, hexosaminas. A partir de estos "bloques de construcción" se construyen "bloques": alrededor de 2000 proteínas, ADN, tres tipos de ARN, polisacáridos, lípidos, enzimas. Los "bloques" resultantes se utilizan para construir estructuras celulares: el núcleo, los ribosomas, la membrana, la pared celular, las mitocondrias, los flagelos, etc., que forman la célula.
En cada etapa de la "síntesis biológica" de la célula, es posible determinar aquellos productos que pueden ser utilizados en biotecnología.
Por lo general, los productos unicelulares se dividen en 4 categorías:
a) las propias células como fuente del producto objetivo. Por ejemplo, se utilizan bacterias o virus cultivados para producir una vacuna de partículas vivas o muertas; levadura como proteína de alimentación o base para la obtención de hidrolizados de medios nutrientes, etc.;
b) moléculas grandes que son sintetizadas por las células en proceso de crecimiento: enzimas, toxinas, antígenos, anticuerpos, peptidoglicanos, etc.;
c) metabolitos primarios: sustancias de bajo peso molecular (menos de 1500 daltons) necesarias para el crecimiento celular, como aminoácidos, vitaminas, nucleótidos, ácidos orgánicos;
d) metabolitos secundarios (idiolitos): compuestos de bajo peso molecular que no son necesarios para el crecimiento celular: antibióticos, alcaloides, toxinas, hormonas.
Todos los microobjetos utilizados en biotecnología se denominan acariotas, pro o eucariotas. Del grupo de los eucariotas, por ejemplo, opera como objetos biológicos con células de protozoos, algas y hongos, del grupo de los procariotas, con células de algas verdeazuladas y bacterias, acariotas, con virus.
Los bioobjetos del micromundo varían en tamaño desde nanómetros (virus, bacteriófagos) hasta milímetros y centímetros (algas gigantes) y se caracterizan por una tasa de reproducción relativamente rápida. La industria farmacéutica moderna utiliza una gama gigantesca de objetos biológicos, cuya agrupación es muy compleja y se puede hacer mejor sobre la base del principio de su proporcionalidad.
Un enorme conjunto de objetos biológicos no agota toda la base elemental con la que opera la biotecnología. Los recientes avances en biología e ingeniería genética han llevado a la aparición de objetos biológicos completamente nuevos: bacterias transgénicas (modificadas genéticamente), virus, hongos, células vegetales, animales, humanas y quimeras.
A pesar de que los representantes de todos los superreinos contienen material genético, varios akaryotes carecen de algún tipo de ácido nucleico (ARN o ADN). No pueden funcionar (incluso replicarse) fuera de una célula viva y, por lo tanto, es legítimo llamarlos libres de energía nuclear. El parasitismo de los virus se desarrolla a nivel genético.
El examen específico de varios nichos ecológicos revela grupos siempre nuevos de microorganismos que producen sustancias útiles que pueden usarse en biotecnología. El número de tipos de microorganismos utilizados en biotecnología crece constantemente.
Al elegir un objeto biológico, en todos los casos es necesario observar el principio de fabricabilidad. Entonces, si las propiedades de un objeto biológico no se conservan o sufren cambios significativos durante numerosos ciclos de cultivo, entonces este objeto biológico debe ser reconocido como no tecnológico, es decir, como no tecnológico. inaceptable para los desarrollos tecnológicos posteriores a la etapa de investigación de laboratorio.
Con el desarrollo de la biotecnología, los bancos especializados de objetos biológicos cobran gran importancia, en particular, las colecciones de microorganismos con propiedades estudiadas, así como los criobancos de células animales y vegetales, que ya pueden utilizarse con éxito utilizando métodos especiales para construir nuevos organismos. útil para la biotecnología. De hecho, estos bancos de cultivos especializados son responsables de mantener un acervo genético extremadamente valioso.
Las colecciones de cultivos juegan un papel importante en la protección legal de nuevos cultivos y en la estandarización de procesos biotecnológicos. En las colecciones, la preservación, mantenimiento y provisión de microorganismos con cepas, plásmidos, fagos, líneas celulares se lleva a cabo tanto para investigación científica y aplicada, como para industrias relevantes. Las colecciones de cultivos, además de la tarea principal, garantizar la viabilidad y la conservación de las propiedades genéticas de las cepas, contribuyen al desarrollo de la investigación científica (en el campo de la taxonomía, citología, fisiología) y también sirven para fines educativos. Cumplen una función indispensable como depositarios de cepas patentables. De acuerdo con las normas internacionales, no solo los productores efectivos, sino también los cultivos utilizados en la ingeniería genética pueden ser patentados y depositados.
Los científicos prestan mucha atención a la creación intencional de nuevos objetos biológicos que no existen en la naturaleza. En primer lugar, cabe señalar la creación de nuevas células de microorganismos, plantas, animales por ingeniería genética. La creación de nuevos objetos biológicos, por supuesto, contribuye a la mejora de la protección jurídica de las invenciones en el campo de la ingeniería genética y la biotecnología en general. Se ha formado una dirección que se ocupa del diseño de células artificiales. Actualmente, existen métodos que permiten obtener células artificiales a partir de diversos materiales sintéticos y biológicos, por ejemplo, una membrana celular artificial con una permeabilidad y unas propiedades superficiales determinadas. Dentro de dichas células pueden encerrarse algunos materiales: sistemas enzimáticos, extractos celulares, células biológicas, materiales magnéticos, isótopos, anticuerpos, antígenos, hormonas, etc. El uso de células artificiales ha dado resultados positivos en la producción de interferones y anticuerpos monoclonales, en la creación de inmunosorbentes, etc.
Se están desarrollando enfoques para crear enzimas artificiales y análogos de enzimas con mayor estabilidad y actividad. Por ejemplo, se lleva a cabo la síntesis de polipéptidos de la estereoconfiguración deseada, se buscan métodos de mutagénesis dirigida para reemplazar un aminoácido por otro en la molécula de enzima. Se están haciendo intentos para construir modelos catalíticos no enzimáticos.
Los siguientes grupos de objetos biológicos deben destacarse como los más prometedores:
Recombinantes, es decir organismos obtenidos por ingeniería genética;
Células de tejidos vegetales y animales;
microorganismos termofílicos y enzimas;
organismos anaerobios;
Asociaciones para la transformación de sustratos complejos;
Objetos biológicos inmovilizados.
El proceso de creación artificial de un objeto biológico (microorganismo o célula tisular) consiste en cambiar su información genética para excluir propiedades no deseadas y mejorar las deseadas o darle cualidades completamente nuevas. Los cambios más específicos se pueden realizar mediante recombinación: redistribuir genes o partes de genes y combinar información genética de dos o más organismos en un organismo. La obtención de organismos recombinantes, en particular, puede realizarse por fusión de protoplastos, por transferencia de plásmidos naturales y por métodos de ingeniería genética.
Los agentes biológicos no tradicionales en esta etapa del desarrollo de la biotecnología incluyen células de tejidos animales y vegetales, incluidos hibridomas, trasplantes. Los cultivos de células de mamíferos ya están produciendo interferón y vacunas virales; en un futuro cercano se llevará a cabo la producción a gran escala de anticuerpos monoclonales, antígenos de superficie de células humanas y factores angiogénicos.
Con el desarrollo de métodos biotecnológicos, se prestará cada vez más atención al uso de microorganismos termófilos y sus enzimas.
Las enzimas producidas por microorganismos termófilos se caracterizan por su estabilidad térmica y mayor resistencia a la desnaturalización en comparación con las enzimas de los mesófilos. La realización de procesos biotecnológicos a temperaturas elevadas utilizando enzimas de microorganismos termófilos presenta una serie de ventajas:
1) aumenta la velocidad de reacción;
2) aumenta la solubilidad de los reactivos y, por lo tanto, la productividad del proceso;
3) se reduce la posibilidad de contaminación microbiana del medio de reacción.
Hay un renacimiento de los procesos biotecnológicos que utilizan microorganismos anaerobios, que a menudo también son termofílicos. Los procesos anaerobios llaman la atención de los investigadores por la falta de energía y la posibilidad de obtener biogás. Dado que el cultivo anaeróbico no requiere aireación del medio y los procesos bioquímicos son menos intensos, el sistema de eliminación de calor se simplifica, los procesos anaeróbicos pueden considerarse ahorradores de energía.
Los microorganismos anaerobios se utilizan con éxito para procesar residuos (biomasa vegetal, residuos de la industria alimentaria, residuos domésticos, etc.) y efluentes (efluentes domésticos e industriales, estiércol) en biogás.
En los últimos años se ha ido expandiendo el uso de cultivos mixtos de microorganismos y sus asociaciones naturales. En una situación biológica real en la naturaleza, los microorganismos existen en forma de comunidades de varias poblaciones que están íntimamente relacionadas entre sí y realizan la circulación de sustancias en la naturaleza.
Las principales ventajas de los cultivos mixtos frente a los monocultivos son las siguientes:
La capacidad de utilizar sustratos complejos y heterogéneos, a menudo inadecuados para monocultivos;
La capacidad de mineralizar compuestos orgánicos complejos;
Mayor capacidad de biotransformación de sustancias orgánicas;
Mayor resistencia a sustancias tóxicas, incluidos los metales pesados;
Mayor resistencia a las influencias ambientales;
Productividad incrementada;
Posible intercambio de información genética entre especies individuales de la comunidad.
Es necesario destacar un grupo de objetos biológicos tales como enzimas-catalizadores de origen biológico, que son estudiados en el aspecto aplicado por la ingeniería enzimológica. Su tarea principal es el desarrollo de procesos biotecnológicos que utilizan la acción catalítica de enzimas, generalmente aisladas de sistemas biológicos o ubicadas dentro de células privadas artificialmente de la capacidad de crecer. Gracias a las enzimas, la velocidad de las reacciones, en comparación con las reacciones que ocurren en ausencia de estos catalizadores, aumenta en 10 b - 10 12 veces.
Los objetos biológicos inmovilizados deben señalarse como una rama separada de la creación y el uso de objetos biológicos. El objeto inmovilizado es un sistema armonioso, cuya acción generalmente está determinada por la selección correcta de tres componentes principales: el objeto biológico, el portador y el método de unión del objeto al portador.
Se utilizan principalmente los siguientes grupos de métodos para movilizar objetos biológicos:
Inclusión en geles, microcápsulas;
Adsorción en vehículos insolubles;
Enlace covalente a un portador;
Reticulación con reactivos bifuncionales sin el uso de un vehículo;
- "autoagregación" en el caso de células intactas.
Las principales ventajas de utilizar objetos biológicos inmovilizados son:
alta actividad;
Capacidad de controlar el microambiente del agente;
la posibilidad de una separación completa y rápida de los productos objetivo;
La posibilidad de organizar procesos continuos con múltiples usos del objeto.
Como se desprende de lo anterior, en los procesos biotecnológicos es posible utilizar una serie de objetos biológicos caracterizados por diferentes niveles de complejidad de regulación biológica, por ejemplo, celular, subcelular, molecular. El enfoque para la creación de todo el sistema biotecnológico en su conjunto depende directamente de las características de un objeto biológico particular.
Como resultado de la investigación biológica fundamental, se profundiza y amplía el conocimiento sobre la naturaleza y, por ende, sobre las posibilidades de aplicar un determinado sistema biológico como principio activo de un proceso biotecnológico. El conjunto de objetos biológicos se actualiza continuamente.
1.4. Principales direcciones de desarrollo de métodos.biotecnología en medicina veterinaria
Durante los últimos 40 a 50 años, ha habido un desarrollo abrupto de la mayoría de las ciencias, lo que ha llevado a una revolución uniforme en la producción de biopreparados médicos y veterinarios, la creación de plantas y animales transgénicos con propiedades únicas específicas. Dichos estudios son áreas prioritarias del progreso científico y tecnológico en el siglo XXI. ocupan un lugar destacado entre todas las ciencias.
Incluso una simple enumeración de formas comerciales de productos biológicos indica las posibilidades ilimitadas de la biotecnología. Sin embargo, este importante tema merece algún detalle.
En nuestra opinión, las posibilidades de la biotecnología son particularmente impresionantes en tres áreas principales.
El primero es la producción a gran escala de proteína microbiana con fines alimentarios (al principio, a base de hidrolizados de madera, y luego, a base de hidrocarburos de petróleo).
La producción de aminoácidos esenciales necesarios para el equilibrio de la composición de aminoácidos de los aditivos para piensos juega un papel importante.
Además de proteínas para piensos, aminoácidos, vitaminas y otros aditivos para piensos que aumentan el valor nutricional de los piensos, las posibilidades de producción en masa y el uso de preparaciones virales y bacterianas para la prevención de enfermedades de aves y animales de granja, para el control eficaz de Las plagas de las plantas agrícolas se están expandiendo rápidamente. Los preparados microbiológicos, a diferencia de muchos químicos, tienen una alta especificidad de acción sobre insectos nocivos y microorganismos fitopatógenos, son inocuos para humanos y animales, aves e insectos benéficos. Junto con la destrucción directa de plagas durante el período de procesamiento, actúan sobre la descendencia, reducen su fertilidad y no provocan la formación de formas resistentes de organismos nocivos.
Las posibilidades de la biotecnología en la producción de preparados enzimáticos para el procesamiento de materias primas agrícolas y la creación de nuevos piensos para la cría de animales son enormes.
La segunda dirección son los desarrollos en interés del desarrollo de la ciencia biológica, la salud pública y la medicina veterinaria. Sobre la base de los logros de la ingeniería genética y la biología molecular, la biotecnología puede proporcionar a la atención de la salud vacunas y antibióticos altamente efectivos, anticuerpos monoclonales, interferón, vitaminas, aminoácidos, así como enzimas y otros productos biológicos para fines médicos y de investigación. Algunos de estos medicamentos ya se utilizan con éxito hoy en día no solo en experimentos científicos, sino también en medicina práctica y medicina veterinaria.
Finalmente, la tercera dirección son los desarrollos para la industria. Ya en la actualidad, los productos de las industrias biotecnológicas son consumidos o utilizados por las industrias alimentaria y ligera (enzimas), la metalurgia (utilización de determinadas sustancias en los procesos de flotación, fundición de precisión, laminación de precisión), la industria del petróleo y el gas (utilización de una serie de preparados para el procesamiento complejo de biomasa vegetal y microbiana durante la perforación de pozos, durante la limpieza selectiva, etc.), industrias del caucho y de pinturas y barnices (mejorando la calidad del caucho sintético debido a ciertos aditivos proteicos), así como una número de otras industrias.
Entre las áreas de biotecnología que se desarrollan activamente se encuentran la bioelectrónica y la bioelectroquímica, la biónica, la nanotecnología, que utilizan sistemas biológicos o los principios de funcionamiento de dichos sistemas.
Los sensores que contienen enzimas se utilizan ampliamente en la investigación científica. En base a ellos, se han desarrollado una serie de dispositivos, por ejemplo, instrumentos de análisis baratos, precisos y fiables. También están surgiendo inmunosensores bioelectrónicos, algunos de los cuales utilizan el efecto de campo de los transistores. En base a ellos, se planea crear dispositivos relativamente baratos capaces de determinar y mantener la concentración de una amplia gama de sustancias en los fluidos corporales en un nivel dado, lo que puede causar una revolución en el diagnóstico biológico.
Logros de la biotecnología veterinaria. En Rusia, la biotecnología como ciencia comenzó a desarrollarse en 1896. El ímpetu fue la necesidad de crear agentes preventivos y terapéuticos contra enfermedades como el ántrax, la peste bovina, la rabia, la fiebre aftosa y la triquinosis. A finales del siglo XIX. más de 50.000 animales y 20.000 personas mueren cada año a causa del ántrax. Para 1881 - 1906 3,5 millones de vacas murieron a causa de la peste. Sap causó daños importantes, de los cuales murió ganado equino y personas.
Los éxitos de la ciencia y la práctica veterinaria doméstica en la prevención específica de enfermedades infecciosas están asociados con importantes descubrimientos científicos realizados a finales del siglo XIX y principios del XX. Se trataba del desarrollo y la introducción en la práctica veterinaria de preparados preventivos y de diagnóstico para enfermedades animales de cuarentena y especialmente peligrosas (vacunas contra el ántrax, peste, rabia, alérgenos para el diagnóstico de tuberculosis, muermo, etc.). Está científicamente demostrada la posibilidad de preparar sueros hiperinmunes terapéuticos y de diagnóstico.
Este período marca la organización real de una industria biológica independiente en Rusia.
Desde 1930, los laboratorios e institutos bacteriológicos veterinarios existentes en Rusia comenzaron a expandirse significativamente y, sobre esta base, comenzó la construcción de grandes fábricas biológicas y biocombinados para la producción de vacunas, sueros y diagnósticos para fines veterinarios. Durante este período se desarrollan procesos tecnológicos, documentación científica y tecnológica, así como métodos uniformes (estándares) para la fabricación, control y uso de medicamentos en zootecnia y medicina veterinaria.
En la década de 1930, bajo la dirección de V. N. Shaposhnikov, se construyeron las primeras plantas para la producción de levadura forrajera a partir de hidrolizados de madera, desechos agrícolas y licores de sulfito. La tecnología de producción microbiológica de acetona y butanol se ha introducido con éxito (Fig. 2).
Su enseñanza sobre la naturaleza bifásica de la fermentación desempeñó un papel importante en la creación de los cimientos de la biotecnología doméstica. En 1926 se estudiaron en la URSS las regularidades bioenergéticas de la oxidación de hidrocarburos por microorganismos. En los años siguientes, los desarrollos biotecnológicos fueron ampliamente utilizados en nuestro país para ampliar la "gama" de antibióticos para la medicina y la ganadería, enzimas, vitaminas, sustancias de crecimiento y plaguicidas.
Desde el establecimiento en 1963 del Instituto de Investigación Científica para la Biosíntesis de Sustancias Proteicas de toda la Unión, se ha establecido en nuestro país la producción a gran escala de biomasa rica en proteínas de microorganismos como alimento.
En 1966, la industria microbiológica se separó en una industria separada y se creó la Dirección General de la Industria Microbiológica bajo el Consejo de Ministros de la URSS - Glavmikrobioprom.
Desde 1970 se ha realizado en nuestro país una intensa investigación en la selección de cultivos de microorganismos para cultivo continuo con fines industriales.
Los investigadores soviéticos se involucraron en el desarrollo de métodos de ingeniería genética en 1972. Cabe señalar que el proyecto "Revertase" se implementó con éxito en la URSS: la producción de la enzima "transcriptasa inversa" a escala industrial.
El desarrollo de métodos para estudiar la estructura de las proteínas, la elucidación de los mecanismos de funcionamiento y la regulación de la actividad enzimática abrió el camino a la modificación específica de las proteínas y condujo al nacimiento de la ingeniería enzimológica. Las enzimas inmovilizadas con alta estabilidad se convierten en una poderosa herramienta para reacciones catalíticas en diversas industrias.
Todos estos logros han llevado la biotecnología a un nuevo nivel, cualitativamente diferente del anterior por la capacidad de controlar conscientemente los procesos celulares de biosíntesis.
Durante los años de formación de la producción industrial de preparados biológicos en nuestro país, se han producido importantes cambios cualitativos en los métodos biotecnológicos para su producción:
Se han realizado estudios para obtener cepas avirulentas de microorganismos estables, con propiedades fijadas hereditariamente, a partir de las cuales se preparan vacunas vivas;
Se han desarrollado nuevos medios nutrientes para el cultivo de microorganismos, incluidos los basados en hidrolizados y extractos de materias primas para fines no alimentarios;
Se han obtenido medios nutrientes séricos de alta calidad para leptospira y otros microorganismos difíciles de cultivar;
Se ha desarrollado un método de reactor profundo para cultivar muchos tipos de bacterias, hongos y algunos virus;
Se obtuvieron nuevas cepas y líneas celulares sensibles a muchos virus, lo que aseguró la preparación y producción de vacunas antivirales estándar y más activas;
Todos los procesos de producción están mecanizados y automatizados;
Se han desarrollado e introducido en la producción métodos modernos de concentración de cultivos de microorganismos y secado por sublimación de productos biológicos;
Reducción de costos energéticos para la obtención de una unidad de producción, estandarización y mejora de la calidad de los productos biológicos;
Se ha mejorado la cultura de producción de productos biológicos.
Al prestar gran atención al desarrollo de productos biológicos veterinarios para la prevención, el diagnóstico de enfermedades infecciosas y el tratamiento de animales enfermos, nuestro país trabaja constantemente para mejorar la tecnología industrial, dominar la producción de medicamentos más efectivos, más baratos y estándar. En este caso, los principales requisitos son:
Uso de la experiencia mundial;
Ahorro de recursos;
Preservación de áreas de producción;
Adquisición e instalación de modernos equipos y líneas tecnológicas;
Llevar a cabo investigaciones científicas sobre el desarrollo y descubrimiento de nuevos tipos de bioproductos, recetas nuevas y económicas para la preparación de medios nutrientes;
La búsqueda de cepas de microorganismos más activas en relación con sus propiedades antigénicas, inmunogénicas y productivas.
Institución Educativa General del Estado Federal de Educación Profesional Superior “Academia Estatal de Medicina Veterinaria y Biotecnología de Moscú que lleva el nombre de V.I. K. I. Skryabian»
Ensayo de biotecnología
"Conferencia No. 1"
Trabajo completado
estudiante de FVM
4 cursos, 11 grupos
gordon maria
La disciplina que estudia cómo se utilizan los organismos para resolver problemas tecnológicos es de lo que se trata la biotecnología. En pocas palabras, es una ciencia que estudia los organismos vivos en busca de nuevas formas de satisfacer las necesidades humanas. Por ejemplo, la ingeniería genética o la clonación son nuevas disciplinas que utilizan tanto organismos como las últimas tecnologías informáticas con igual actividad.
Biotecnología: Brevemente
Muy a menudo, el concepto de "biotecnología" se confunde con la ingeniería genética, que surgió en los siglos XX-XXI, pero la biotecnología se refiere a una especificidad de trabajo más amplia. La biotecnología se especializa en la modificación de plantas y animales a través de la hibridación y selección artificial para las necesidades humanas.
Esta disciplina le ha dado a la humanidad la oportunidad de mejorar la calidad de los alimentos, aumentar la esperanza de vida y la productividad de los organismos vivos, eso es la biotecnología.
Hasta la década de 1970, este término se usaba exclusivamente en la industria alimentaria y la agricultura. No fue sino hasta la década de 1970 que los científicos comenzaron a utilizar el término "biotecnología" en la investigación de laboratorio, como el cultivo de organismos vivos en tubos de ensayo o la creación de ADN recombinante. Esta disciplina se basa en ciencias como la genética, la biología, la bioquímica, la embriología, así como en la robótica, la química y las tecnologías de la información.
Sobre la base de nuevos enfoques científicos y tecnológicos, se han desarrollado métodos biotecnológicos, que consisten en dos posiciones principales:
- Cultivo a gran escala y profundo de objetos biológicos en un modo continuo periódico.
- Cultivo de células y tejidos en condiciones especiales.
Los nuevos métodos de la biotecnología hacen posible manipular genes, crear nuevos organismos o cambiar las propiedades de las células vivas ya existentes. Esto hace posible un uso más extensivo del potencial de los organismos y facilita la actividad económica humana.
Historia de la biotecnología
No importa cuán extraño pueda sonar, pero la biotecnología tiene su origen en un pasado lejano, cuando la gente apenas comenzaba a involucrarse en la elaboración del vino, la repostería y otras formas de cocinar. Por ejemplo, el proceso biotecnológico de fermentación, en el que participaban activamente los microorganismos, era conocido en la antigua Babilonia, donde era muy utilizado.
Como ciencia, la biotecnología comenzó a ser considerada recién a principios del siglo XX. Su fundador fue el científico francés, el microbiólogo Louis Pasteur, y el término mismo fue introducido por primera vez por el ingeniero húngaro Karl Ereki (1917). El siglo XX estuvo marcado por el rápido desarrollo de la biología molecular y la genética, donde se aplicaron activamente los logros de la química y la física. Una de las etapas clave de la investigación fue el desarrollo de métodos para cultivar células vivas. Inicialmente, solo se cultivaban hongos y bacterias con fines industriales, pero después de algunas décadas, los científicos pueden crear cualquier célula, controlando completamente su desarrollo.
A principios del siglo XX, las industrias de fermentación y microbiológicas se estaban desarrollando activamente. En este momento, se hicieron los primeros intentos para establecer la producción de antibióticos. Se están desarrollando los primeros concentrados alimentarios, se controla el nivel de enzimas en productos de origen animal y vegetal. En 1940, los científicos lograron obtener el primer antibiótico: la penicilina. Este fue el impulso para el desarrollo de la producción industrial de medicamentos, está surgiendo toda una rama de la industria farmacéutica, que es una de las células de la biotecnología moderna.
Hoy en día, las biotecnologías se utilizan en la industria alimentaria, la medicina, la agricultura y muchas otras áreas de la vida humana. En consecuencia, han aparecido muchas direcciones científicas nuevas con el prefijo "bio".
Bioingeniería
Ante la pregunta de qué es la biotecnología, el grueso de la población responderá sin duda alguna que no es más que ingeniería genética. Esto es parcialmente cierto, pero la ingeniería es solo una parte de la vasta disciplina de la biotecnología.
La bioingeniería es una disciplina cuya principal actividad es mejorar la salud humana combinando los conocimientos de los campos de la ingeniería, la medicina, la biología y aplicándolos en la práctica. El nombre completo de esta disciplina es ingeniería biomédica. Su principal especialización es la resolución de problemas médicos. El uso de la biotecnología en medicina hace posible modelar, desarrollar y estudiar nuevas sustancias, desarrollar productos farmacéuticos e incluso librar a una persona de enfermedades congénitas que se transmiten por el ADN. Los especialistas en este campo pueden crear dispositivos y equipos para nuevos procedimientos. Gracias al uso de la biotecnología en la medicina se han desarrollado articulaciones artificiales, marcapasos, prótesis de piel y máquinas de circulación extracorpórea. Con la ayuda de las nuevas tecnologías informáticas, los bioingenieros pueden crear proteínas con nuevas propiedades mediante simulaciones informáticas.
Biomedicina y farmacología
El desarrollo de la biotecnología ha hecho posible dar una nueva mirada a la medicina. Al desarrollar una base teórica sobre el cuerpo humano, los especialistas en este campo tienen la oportunidad de utilizar la nanotecnología para cambiar los sistemas biológicos. El desarrollo de la biomedicina impulsó el surgimiento de la nanomedicina, cuya principal actividad es rastrear, corregir y diseñar sistemas vivos a nivel molecular. Por ejemplo, la administración dirigida de medicamentos. Esta no es una entrega de mensajería de la farmacia a la casa, sino la transferencia del medicamento directamente a la célula enferma del cuerpo.
La biofarmacología también se está desarrollando. Estudia los efectos que tienen sobre el organismo las sustancias de origen biológico o biotecnológico. La investigación en esta área de especialización se centra en estudiar productos biofarmacéuticos y desarrollar formas de crearlos. En biofarmacología, los medicamentos se obtienen de sistemas biológicos vivos o tejidos corporales.
Bioinformática y biónica
Pero la biotecnología no es sólo el estudio de las moléculas de los tejidos y células de los organismos vivos, también es la aplicación de la tecnología informática. Así, tiene lugar la bioinformática. Incluye una combinación de enfoques tales como:
- Bioinformática genómica. Es decir, métodos de análisis informático que se utilizan en genómica comparativa.
- Bioinformática estructural. Desarrollo de programas informáticos que predicen la estructura espacial de las proteínas.
- Cálculo. Creación de metodologías computacionales que puedan controlar sistemas biológicos.
En esta disciplina, junto con los métodos biológicos, se utilizan métodos matemáticos, computación estadística e informática. Al igual que en biología se utilizan las técnicas de la informática y las matemáticas, y en las ciencias exactas hoy se puede utilizar la doctrina de la organización de los organismos vivos. Como en biónica. Esta es una ciencia aplicada, donde los principios y estructuras de la vida silvestre se aplican en dispositivos técnicos. Podemos decir que se trata de una especie de simbiosis de biología y tecnología. Los enfoques disciplinarios en biónica consideran tanto la biología como la ingeniería desde una nueva perspectiva. La biónica consideró las similitudes y diferencias entre estas disciplinas. Esta disciplina tiene tres subespecies: biológica, teórica y técnica. La biónica biológica estudia los procesos que ocurren en los sistemas biológicos. La biónica teórica construye modelos matemáticos de biosistemas. Y la biónica técnica aplica los desarrollos de la biónica teórica para resolver diversos problemas.
Como puede ver, los logros de la biotecnología están muy extendidos en la medicina y el cuidado de la salud modernos, pero esto es solo la punta del iceberg. Como ya se mencionó, la biotecnología comenzó a desarrollarse desde el momento en que una persona comenzó a cocinar su propia comida, y luego se usó ampliamente en la agricultura para cultivar nuevos cultivos y criar nuevas razas de animales domésticos.
ingeniería celular
Una de las técnicas más importantes de la biotecnología es la ingeniería genética y celular, que se centra en la creación de nuevas células. Con la ayuda de estas herramientas, la humanidad pudo crear células viables a partir de elementos completamente diferentes pertenecientes a diferentes especies. Así, se crea un nuevo conjunto de genes que no existe en la naturaleza. La ingeniería genética permite a una persona obtener las cualidades deseadas a partir de células vegetales o animales modificadas.
Se valoran especialmente los logros de la ingeniería genética en la agricultura. Esto le permite cultivar plantas (o animales) con cualidades mejoradas, las llamadas especies reproductoras. La actividad de mejoramiento se basa en la selección de animales o plantas con rasgos favorables pronunciados. Después de cruzar estos organismos, se obtiene un híbrido con la combinación requerida de rasgos útiles. Por supuesto, en palabras todo suena simple, pero conseguir el híbrido deseado es bastante difícil. En realidad, puedes obtener un organismo con solo uno o unos pocos genes útiles. Es decir, solo se agregan algunas cualidades adicionales al material de origen, pero incluso esto hizo posible dar un gran paso en el desarrollo de la agricultura.
El mejoramiento y la biotecnología han permitido a los agricultores aumentar los rendimientos, producir frutas más grandes, más sabrosas y, lo que es más importante, resistentes a las heladas. La selección no pasa por alto el sector de actividad ganadero. Cada año surgen nuevas razas de animales domésticos que pueden proporcionar más ganado y alimentos.
logros
En la creación de plantas reproductoras, los científicos distinguen tres olas:
- El final de los años 80. Luego, los científicos comenzaron a cultivar plantas resistentes a los virus. Para hacer esto, tomaron un gen de especies que podían resistir enfermedades, lo “trasplantaron” a la estructura de ADN de otras plantas y lo hicieron “funcionar”.
- Principios de la década de 2000. Durante este período, comenzaron a crearse plantas con nuevas propiedades de consumo. Por ejemplo, con un alto contenido en aceites, vitaminas, etc.
- Nuestros dias. En los próximos 10 años, los científicos planean lanzar al mercado plantas de vacunas, plantas de medicamentos y plantas de biorreactores que producirán componentes para plásticos, tintes, etc.
Incluso en la cría de animales, las perspectivas de la biotecnología son asombrosas. Hace tiempo que se crean animales que tienen un gen transgénico, es decir, tienen algún tipo de hormona funcional, como la hormona del crecimiento. Pero estos fueron solo experimentos iniciales. Como resultado de la investigación, se han criado cabras transgénicas que pueden producir una proteína que detiene el sangrado en pacientes que sufren de mala coagulación sanguínea.
A fines de los años 90 del siglo pasado, los científicos estadounidenses se enfrentaron a la clonación de células de embriones animales. Esto permitiría criar ganado en probetas, pero el método aún debe mejorarse. Pero en xenotrasplante (trasplante de órganos de una especie animal a otra), los científicos en el campo de la biotecnología aplicada han logrado avances significativos. Por ejemplo, se pueden utilizar cerdos con genoma humano como donantes, entonces el riesgo de rechazo es mínimo.
biotecnología alimentaria
Como ya se mencionó, inicialmente los métodos de investigación biotecnológica comenzaron a utilizarse en la producción de alimentos. Yogures, masas madre, cerveza, vino, bollería son productos obtenidos mediante biotecnología alimentaria. Este segmento de investigación incluye procesos destinados a cambiar, mejorar o crear características específicas de los organismos vivos, en particular las bacterias. Los especialistas en este campo del conocimiento están desarrollando nuevos métodos para la fabricación de diversos productos alimenticios. Buscar y mejorar los mecanismos y métodos de su preparación.
La comida que una persona come todos los días debe estar saturada de vitaminas, minerales y aminoácidos. Sin embargo, a día de hoy, según la ONU, existe el problema de proporcionar alimentos a una persona. Casi la mitad de la población no tiene la cantidad adecuada de alimentos, 500 millones se mueren de hambre, una cuarta parte de la población mundial come alimentos de calidad insuficiente.
Hoy en día, hay 7.500 millones de personas en el planeta, y si no se toman las medidas necesarias para mejorar la calidad y cantidad de los alimentos, si no se hace esto, las personas de los países en desarrollo sufrirán consecuencias devastadoras. Y si es posible reemplazar lípidos, minerales, vitaminas, antioxidantes con productos de biotecnología alimentaria, entonces es casi imposible reemplazar proteínas. Más de 14 millones de toneladas de proteínas cada año no son suficientes para satisfacer las necesidades de la humanidad. Pero aquí las biotecnologías vienen al rescate. La producción moderna de proteínas se basa en el hecho de que las fibras de proteínas se forman artificialmente. Se impregnan con las sustancias necesarias, se les da forma, el color y el olor correspondientes. Este enfoque hace posible reemplazar casi cualquier proteína. Y el sabor y la apariencia no son diferentes de un producto natural.
Clonación
Un campo importante del conocimiento en la biotecnología moderna es la clonación. Durante varias décadas, los científicos han estado tratando de crear descendencia idéntica sin recurrir a la reproducción sexual. En el proceso de clonación, se debe obtener un organismo que sea similar al padre no solo en apariencia, sino también en información genética.
En la naturaleza, el proceso de clonación es común entre algunos organismos vivos. Si una persona da a luz a gemelos idénticos, entonces pueden considerarse clones naturales.
La primera clonación se llevó a cabo en 1997, cuando se creó artificialmente a la oveja Dolly. Y ya a fines del siglo XX, los científicos comenzaron a hablar sobre la posibilidad de la clonación humana. Además, se investigó un concepto como la clonación parcial. Es decir, es posible recrear no todo el organismo, sino sus partes o tejidos individuales. Si mejora este método, puede obtener el "donante ideal". Además, la clonación ayudará a preservar especies animales raras o restaurar poblaciones extintas.
Aspecto moral
A pesar de que las bases de la biotecnología pueden tener un impacto decisivo en el desarrollo de toda la humanidad, el público habla mal de tal enfoque científico. La gran mayoría de los líderes religiosos modernos (y algunos científicos) intentan advertir a los biotecnólogos que no se entusiasmen demasiado con su investigación. Esto es especialmente agudo en cuestiones de ingeniería genética, clonación y reproducción artificial.
Por un lado, la biotecnología se presenta como una estrella brillante, un sueño y una esperanza que se hará realidad en el nuevo mundo. En el futuro, esta ciencia le dará a la humanidad muchas nuevas oportunidades. Será posible superar enfermedades mortales, se eliminarán los problemas físicos y, tarde o temprano, una persona podrá alcanzar la inmortalidad terrenal. Aunque, por otro lado, el uso constante de productos genéticamente modificados o la aparición de personas que fueron creadas artificialmente pueden afectar el acervo genético. Surgirá el problema de cambiar las estructuras sociales, y es probable que haya que afrontar la tragedia del fascismo médico.
Eso es la biotecnología. Una ciencia que puede traer brillantes perspectivas a la humanidad al crear, cambiar o mejorar células, organismos vivos y sistemas. Ella podrá darle a una persona un nuevo cuerpo, y el sueño de la vida eterna se hará realidad. Pero para ello tendrás que pagar un precio considerable.
Principales logros y perspectivas para el desarrollo de la biotecnología agrícola
Los enfoques biotecnológicos permiten a los fitomejoradores modernos aislar genes individuales responsables de los rasgos deseados y trasladarlos del genoma de una planta al genoma de otra: la transgénesis.
Gracias a la biotecnología se han obtenido plantas con propiedades nutricionales mejoradas, resistentes a herbicidas y con protección incorporada contra virus y plagas (soja, tomate, algodón, papaya,). Plantas modificadas genéticamente utilizadas en la cría de animales: maíz, soja, canola y algodón.
Mediante métodos genéticos, también se obtuvieron cepas de microorganismos (Ashbya gossypii, Pseudomonas denitrificans, etc.) que producen decenas de miles de veces más vitaminas (C, B 3 , B 13 , etc.) que las formas originales.
Panorama:
1. Los biotecnólogos están desarrollando formas de aumentar la cantidad de proteína en las plantas, lo que nos permitirá abandonar la carne en el futuro.
2. Para el complejo agrícola, se están realizando desarrollos en la dirección de mejorar las funciones de autodefensa de las plantas contra las plagas de insectos, mediante la liberación de veneno.
3. Una de las ramas de la biotecnología en rápido desarrollo es la tecnología de síntesis microbiana de sustancias valiosas para los seres humanos. Un mayor desarrollo de esta industria supondrá una redistribución de las funciones de la producción de cultivos y la cría de animales, por un lado, y la síntesis microbiana, por el otro, en la formación de la base alimentaria de la humanidad.
4. El uso industrial de los logros de la biotecnología se basa en la técnica de creación de moléculas de ADN recombinante. La construcción de los genes necesarios permite controlar la herencia y la actividad vital de animales, plantas y microorganismos y crear organismos con nuevas propiedades.
5. Los recursos reproducibles de materiales vegetales no alimentarios, desechos agrícolas, que sirven como fuente adicional tanto de sustancias para piensos como de combustible secundario (biogás) y fertilizantes orgánicos, se están volviendo cada vez más importantes como fuentes de materias primas para la biotecnología.
6. Biodegradación (procesamiento) de celulosa. La descomposición completa de la celulosa en glucosa puede resolver muchos problemas: obtener una gran cantidad de carbohidratos y limpiar el medio ambiente de los desechos de los bosques y la producción agrícola. En la actualidad, los genes de las enzimas celulolíticas ya han sido aislados de algunos microorganismos. Se están desarrollando métodos para transferirlos a la levadura, que primero podría hidrolizar la celulosa en glucosa y luego convertirla en alcohol.
Últimos avances en biotecnología médica
En el campo de la biotecnología médica, se han desarrollado interferones, proteínas que pueden suprimir la reproducción de virus.
Producción de insulina humana mediante el uso de bacterias genéticamente modificadas, producción de eritropoyetina (una hormona que estimula la formación de glóbulos rojos en la médula ósea.
Se hizo posible producir polímeros que reemplazan órganos y tejidos humanos (riñones, vasos sanguíneos, válvulas, aparato cardíaco-pulmonar, etc.).
La inmunización masiva (vacunación) se ha convertido en la forma más accesible y rentable de prevenir enfermedades infecciosas. Entonces, durante 30 años de vacunación de niños rusos contra el sarampión, la incidencia del sarampión se ha reducido 620 veces.
Se han desarrollado métodos para obtener antibióticos. El descubrimiento de los antibióticos revolucionó el tratamiento de las enfermedades infecciosas. Atrás quedaron las ideas sobre la incurabilidad de muchas infecciones bacterianas (peste, tuberculosis, sepsis, sífilis, etc.).
Uno de los últimos logros en el diagnóstico biotecnológico es el método de los biosensores, que "atrapan" moléculas relacionadas con enfermedades y envían señales a los sensores. El diagnóstico de biosensores se utiliza para determinar la glucosa en sangre en pacientes diabéticos. Se supone que con el tiempo será posible implantar sensores biosensores en los vasos sanguíneos de los pacientes para controlar con mayor precisión su necesidad de insulina.
Se hizo posible no solo crear "reactores biológicos", animales transgénicos, plantas genéticamente modificadas, sino también realizar la certificación genética (estudio y análisis completo del genotipo humano, generalmente realizado inmediatamente después del nacimiento, para determinar la predisposición a diversas enfermedades). , posible reacción inadecuada (alérgica) a ciertos medicamentos, así como una tendencia a ciertas actividades). La certificación genética permite predecir y reducir los riesgos de enfermedades cardiovasculares y oncológicas, investigar y prevenir enfermedades neurodegenerativas y procesos de envejecimiento, etc.
Los científicos han podido identificar los genes responsables de la manifestación de diversas patologías y contribuir al aumento de la esperanza de vida.
Hay oportunidades para el diagnóstico temprano de enfermedades hereditarias y la prevención oportuna de patología hereditaria.
El área más importante de la biotecnología médica se ha convertido en la ingeniería celular, en particular la tecnología para la obtención de anticuerpos monoclonales que son producidos en cultivo o en el cuerpo de un animal por células linfoides híbridas - hibridomas. La tecnología de producción de anticuerpos monoclonales ha tenido un gran impacto en la investigación fundamental y aplicada de la medicina y la práctica médica. En base a ellos, se han desarrollado y se están utilizando nuevos sistemas de análisis inmunológico: análisis radioinmunológico e inmunoenzimático. Le permiten determinar las concentraciones cada vez más pequeñas de antígenos y anticuerpos específicos en el cuerpo.
La tecnología más avanzada en el diagnóstico de enfermedades ahora se considera microchips. Se utilizan para el diagnóstico precoz de enfermedades infecciosas, oncológicas y genéticas, alérgenos, así como en el estudio de nuevos fármacos.
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Logros modernos en biotecnología.
Terminado:
Comprobado:
2011
La biotecnología es un campo de la actividad humana, que se caracteriza por el amplio uso de sistemas biológicos de todos los niveles en una amplia variedad de ramas de la ciencia, la producción industrial, la medicina, la agricultura y otros campos.
Una etapa revolucionaria en el desarrollo de la biotecnología fue el uso de biotecnologías génicas y celulares, que se han desarrollado rápidamente en las últimas décadas y ya han influido significativamente en varios aspectos de la vida humana: salud, medicina, nutrición, demografía y ecología.
Los primeros productos de las biotecnologías genéticas fueron proteínas biológicamente activas, ampliamente utilizadas hoy en día en medicina como medicamentos. En el pasado, con la ayuda de la biotecnología tradicional, se obtenían diversos compuestos biológicos mediante el procesamiento de grandes cantidades de material microbiano, animal o vegetal, utilizando la capacidad natural de los organismos para sintetizar estos compuestos. Entonces, para el tratamiento de la diabetes, anteriormente se usaba insulina, que se aisló del páncreas de los cerdos. Tal insulina era costosa y, además, ineficaz. La situación ha cambiado drásticamente desde que se obtuvo en 1982 en los EE. UU. la primera insulina humana modificada genéticamente sintetizada por células de E. coli.
Actualmente, muchos productos biofarmacéuticos obtenidos mediante biotecnología gen-celular se utilizan en la medicina práctica. Junto con la insulina, ya se están produciendo varios interferones, interleucinas, medicamentos para la hemofilia, anticancerígenos y analgésicos, aminoácidos esenciales, hormona del crecimiento, anticuerpos monoclonales y mucho más. Y esta lista se actualiza anualmente con decenas de artículos. Los laboratorios y las clínicas de todo el mundo están constantemente buscando y probando nuevos medicamentos, incluidos aquellos para enfermedades tan peligrosas como las enfermedades cardíacas, diversas formas de cáncer, el SIDA y diversas infecciones virales. Según los expertos, hoy alrededor del 25% de todos los medicamentos en el mundo se producen con la ayuda de biotecnologías genéticas.
Una etapa importante en el desarrollo de la biotecnología genética-celular moderna fue el desarrollo de métodos para obtener animales y plantas transgénicos (también llamados organismos genéticamente modificados, abreviados como OMG). Un organismo transgénico es un organismo similar en todos los aspectos a uno ordinario no transgénico, pero que contiene en todas las células entre decenas de miles de sus propios genes 1 (rara vez 2) un gen adicional (se denomina transgén), que es inusual para él en la naturaleza.
La tecnología de creación de plantas transgénicas ha supuesto una revolución en el campo de la producción de cultivos. Permitió obtener plantas resistentes a una serie de virus altamente patógenos, infecciones fúngicas y bacterianas, plagas de insectos, la creación de plantas con un alto contenido de vitamina A, resistentes al frío, la salinidad del suelo, la sequía, plantas con un contenido mejorado y composición de proteínas, etc. Así, interviniendo en los programas genéticos de las plantas, es posible dotarlas de funciones de resistencia a diversos factores de estrés ambiental adversos. El uso de OGM ha aumentado significativamente la eficiencia de la agricultura, por lo que esta tecnología resultó ser demandada en el mercado, donde otras posibilidades para aumentar la productividad (fertilizantes, pesticidas, etc.) se han agotado en gran medida.
En 1994, después de extensas pruebas de campo en los Estados Unidos, se permitió la venta comercial de la primera planta alimenticia transgénica, el tomate, con una propiedad única: puede permanecer sin madurar durante meses a 12°C, pero una vez que se calienta, se madura en tan solo unos minutos.horas. Desde entonces, se han lanzado al mercado muchas otras plantas transgénicas; ya logró obtener muchas formas diferentes de soja, patatas, tomates, tabaco, colza, resistentes a diversas plagas agrícolas. Por ejemplo, se ha obtenido una patata transgénica inaccesible para el escarabajo de la patata de Colorado. En esta papa se sintetiza una de las proteínas de las bacterias del suelo, que es tóxica para el escarabajo, pero completamente inofensiva para los humanos. Existen plantas transgénicas capaces de fijar nitrógeno de forma autónoma, sin la ayuda de microorganismos, soddan arroz “dorado” con alto contenido en vitamina A, etc.
Ya existen rebaños de cabras y vacas transgénicas en el mundo, en los que se sintetizan en la glándula mamaria sustancias útiles desde el punto de vista médico, que luego se excretan con la leche de estos animales. Hoy, el medicamento es la leche de animales transgénicos, que contiene proteínas como insulina, hormona de crecimiento humana, antitrombina, interferón. En Rusia, por ejemplo, los tecnólogos genéticos han creado una raza de ovejas que, junto con la leche, también produce la enzima necesaria para la producción de queso; Científicos rusos, junto con colegas de Brasil, están trabajando con éxito en la creación de cabras transgénicas, cuya leche contendrá un producto farmacéutico llamado granulocitos, un factor estimulante de colonias necesario para el tratamiento de diversas enfermedades de la sangre, cuya necesidad es enorme en el mundo.
Numerosos centros científicos están trabajando en la creación de animales transgénicos que sirvan de modelos de diversas enfermedades hereditarias humanas. Ya se han obtenido animales de laboratorio transgénicos con una mayor incidencia de tumores, se han criado líneas de animales en cuyos cuerpos se reproducen enfermedades humanas tales como anemia de células falciformes, diabetes, enfermedades neurológicas, artritis, ictericia, enfermedades cardiovasculares y una serie de enfermedades hereditarias. Dichos modelos animales permiten una comprensión más profunda de la naturaleza de diversas patologías humanas y, en base a ellas, la búsqueda de fármacos efectivos.
En el futuro, la tecnología de la transgenosis también se puede utilizar para crear animales transgénicos que se pueden utilizar como fuentes de órganos y tejidos para trasplante (en particular, tienen antígenos inactivados responsables de la compatibilidad de los tejidos). Ya se han iniciado investigaciones en esta área con cerdos, que se consideran posibles candidatos para el trasplante de sus órganos a humanos. También se prevé el uso de plantas transgénicas con fines médicos. Por ejemplo, se están desarrollando vacunas sobre su base, que se denominan "comestibles". Para ello, se introduce en la planta uno u otro gen viral que asegura la síntesis de la proteína correspondiente que tiene la propiedad de un antígeno. El uso de esta planta en los alimentos permite que una persona adquiera gradualmente inmunidad a un virus en particular. Otro ejemplo: en Japón se ha creado una variedad de arroz que permitirá a los pacientes con diabetes prescindir de los medicamentos, ya que su uso estimula la síntesis de su propia insulina por parte del páncreas.
Probablemente, fueron los notables éxitos en el campo de la creación de OGM lo que impulsó el surgimiento en 1990 de otra área importante de la biotecnología gen-celular: la terapia génica. Con la ayuda de la terapia génica, es posible administrar un gen "bueno" a las células que sufren un mal funcionamiento de un gen que puede compensar el trabajo de uno "malo". Es cierto que a veces la enfermedad es causada por el trabajo excesivo de genes individuales que son inusuales para una célula normal (por ejemplo, durante una infección viral). En tales casos, por el contrario, es necesario suprimir el trabajo del gen "dañino". Uno de los enfoques más prometedores para esto es la interferencia de ARN: el proceso de suprimir el trabajo de un gen utilizando fragmentos de moléculas de ARN, cuyo mecanismo fue descubierto por A. Fire y K. Mello (y nuevamente el Premio Nobel de Fisiología o Medicina para 2006). Todo esto es lo que están tratando de hacer hoy con la ayuda de la terapia génica. El objetivo de la terapia génica pueden ser tanto las células del cuerpo (células somáticas) como las células germinales (óvulos, espermatozoides). En el caso de enfermedades hereditarias, las células germinales podrían ser más adecuadas para la terapia génica, cuya corrección debería preservarse en la descendencia. Sin embargo, en términos prácticos, la terapia somática es ahora de mayor interés, y la terapia génica de células germinales es un problema del futuro lejano, aunque en realidad las enfermedades hereditarias podrían curarse de una vez por todas actuando específicamente sobre las células germinales o células embrionarias en el primeras etapas de desarrollo. El gen introducido, que ingresa a muchas células del embrión que se dividen rápidamente como resultado de la transferencia artificial, puede prevenir el desarrollo de la enfermedad. Pero este tipo de terapia génica está asociada a una serie de problemas, tanto técnicos como, principalmente, éticos. En particular, existe la preocupación de que dicho enfoque pueda usarse para producir una nueva generación de "niños a la orden".
Actualmente, sólo la terapia génica dirigida a células somáticas de un organismo adulto parece ser una realidad. Del número total de enfermedades humanas conocidas, alrededor del 30-40% son las llamadas enfermedades genéticas o hereditarias. Muchas de estas patologías están asociadas con la alteración de un solo gen. La terapia génica es aplicable principalmente a este tipo de enfermedades, ya que en estos casos se facilita mucho el proceso de tratamiento. Actualmente, utilizando información sobre la estructura del genoma humano y sus genes individuales, los científicos están realizando una búsqueda a gran escala de tratamientos para muchas enfermedades hereditarias y adquiridas tradicionalmente consideradas fatales para los humanos, para las cuales un gen "malo" y/o su producto es conocida. En primer lugar, se trata de enfermedades como la hemofilia, la fibrosis quística, la deficiencia de adenosina desaminasa, la distrofia muscular de Duchenne, la enfermedad de Parkinson, la enfermedad de Alzheimer, diversas patologías cardiovasculares, etc. Así, en EE. UU. y Gran Bretaña se realizaron pruebas en pacientes con una defecto en el gen que codifica la proteína necesaria para el funcionamiento normal de la retina. Durante las operaciones, a estos pacientes se les inyectaron copias "sanas" del gen dañado en la parte posterior de un ojo. Seis meses después, los pacientes que, antes de la terapia génica, solo podían distinguir los movimientos de las manos, pudieron ver todas las líneas en la tabla de visión. Hay algunos éxitos en el uso de la terapia génica para el tratamiento de una serie de patologías no hereditarias (ciertas formas de cáncer, isquemia) y enfermedades infecciosas (SIDA, hepatitis). Actualmente, ya se han aprobado más de 600 protocolos para ensayos clínicos utilizando terapia génica y génico-celular en diferentes países del mundo.
La tecnología de la terapia génica ha sufrido cambios significativos a lo largo de los años. En las primeras etapas, para transferir genes al cuerpo, se basaron principalmente en la capacidad natural de los virus que portan un gen terapéutico para penetrar y multiplicarse en las células. Ahora es el momento de participar en esta nanobiotecnología. Ya ha comenzado el desarrollo de enfoques para la transferencia de genes dirigidos a ciertos tipos de células utilizando nanopartículas que contienen anticuerpos contra antígenos específicos de estas células en su superficie. Tales nanopartículas "cargadas" con genes y anticuerpos se mueven deliberadamente en el cuerpo hacia las áreas afectadas y tienen un efecto terapéutico específico. Sin embargo, con todos los resultados positivos obtenidos con la ayuda de la terapia génica, sigue siendo ineficaz. Siguen sin resolverse cuestiones clave como la entrega dirigida de genes y su funcionamiento eficiente a largo plazo en los tejidos afectados. El futuro de la terapia génica depende en gran medida de la solución de estos problemas.
El éxito de las biotecnologías genéticas se vio facilitado en gran medida por el desarrollo paralelo de biotecnologías celulares con ellas. Uno de los logros importantes fue la producción y cultivo de células madre. A fines de la década de 1970, se obtuvieron datos convincentes sobre la posibilidad de utilizar el trasplante de células madre de médula ósea en el tratamiento de la leucemia aguda. Desde entonces, ha comenzado una nueva era en la medicina. Primero, las llamadas células madre embrionarias se obtuvieron de embriones de ratón y luego de embriones humanos. Este último evento ha sido reconocido como uno de los tres logros más significativos de la biología en el siglo XX (junto con el descubrimiento de la doble hélice del ADN y la decodificación completa del genoma humano).
Se ha producido un progreso significativo en la biotecnología moderna en relación con el desarrollo de la tecnología de clonación reproductiva de organismos animales, es decir, obtener copias artificialmente idénticas de tales organismos. Hace unos 10 años, se levantó un alboroto increíble en torno al nacimiento de la oveja Dolly, que ahora todos conocen.
Las tecnologías biológicas (biotecnologías) proporcionan la producción controlada de productos útiles para diversas áreas de la actividad humana, basadas en el uso del potencial catalítico de agentes y sistemas biológicos de diversos grados de organización y complejidad: microorganismos, virus, células y tejidos vegetales y animales, así como sustancias extracelulares y componentes celulares.
El desarrollo y transformación de la biotecnología se debe a los profundos cambios que se han producido en la biología en los últimos 25-30 años. Estos eventos se basaron en nuevas ideas en el campo de la biología molecular y la genética molecular. Al mismo tiempo, cabe señalar que el desarrollo y los logros de la biotecnología están estrechamente relacionados con el complejo de conocimientos no solo de las ciencias biológicas, sino también de muchas otras.
La expansión de la esfera práctica de la biotecnología también se debe a las necesidades socioeconómicas de la sociedad. Problemas tan urgentes a los que se enfrenta la humanidad en el umbral del siglo XXI, como la falta de agua limpia y nutrientes (especialmente proteínas), la contaminación ambiental, la falta de materias primas y recursos energéticos, la necesidad de obtener nuevos materiales respetuosos con el medio ambiente, el desarrollo de nuevas herramientas de diagnóstico y tratamiento, no puede ser resuelto por métodos tradicionales. Por lo tanto, para el soporte vital de una persona, mejorando la calidad de vida y su duración, se vuelve cada vez más necesario dominar métodos y tecnologías fundamentalmente nuevos.
El desarrollo del progreso científico y tecnológico, acompañado de un aumento en el ritmo de los recursos materiales y energéticos, lamentablemente conduce a un desequilibrio en los procesos biosféricos. Las cuencas de agua y aire de las ciudades están contaminadas, la función reproductiva de la biosfera se reduce debido a la acumulación de productos sin salida de la tecnosfera, los ciclos de circulación global de la biosfera se interrumpen.
El rápido ritmo del progreso científico y tecnológico moderno de la humanidad fue descrito en sentido figurado por el ingeniero y filósofo suizo Eichelberg: “Se cree que la edad de la humanidad es de 600.000 años. Imagine el movimiento de la humanidad en forma de una carrera de maratón de 60 km, que, comenzando en algún lugar, se dirige hacia el centro de una de nuestras ciudades, como si fuera a la línea de meta ... La mayor parte de la distancia discurre por un camino muy difícil: a través de bosques vírgenes, y de esto no sabemos nada, porque solo al final, en el km 58-59 del recorrido, encontramos dibujos rupestres, junto con herramientas primitivas, como primeros signos de cultura, y solo en el último kilómetro aparecen signos de agricultura.
200 m antes de la meta, un camino cubierto de losas de piedra pasa por las fortificaciones romanas. Durante 100 m, los corredores están rodeados de edificios medievales de la ciudad. Faltan 50 m para la meta, donde se encuentra un hombre, observando a los corredores con ojos inteligentes y comprensivos, se trata de Leonardo da Vinci. Quedan 10 metros, comienzan a la luz de las antorchas y la escasa iluminación de las lámparas de aceite. Pero al lanzar en los últimos 5 metros, ocurre un milagro sorprendente: la luz inunda el camino nocturno, los carros sin animales de tiro pasan corriendo, los autos hacen ruido en el aire y el corredor asustado es cegado por la luz de los focos de las cámaras fotográficas y de televisión. ...", es decir. durante 1 m, el genio humano hace un avance impresionante en el campo del progreso científico y tecnológico. Continuando con esta imagen, podemos agregar que en el momento en que el corredor se acerca a la meta, se doma la fusión termonuclear, comienzan las naves espaciales, se descifra el código genético.
La biotecnología es la base del progreso científico y tecnológico y de la mejora de la calidad de vida humana
La biotecnología como campo de conocimiento y sector industrial en desarrollo dinámico está diseñada para resolver muchos problemas clave de nuestro tiempo, manteniendo un equilibrio en el sistema de relaciones "hombre - naturaleza - sociedad", porque las tecnologías biológicas (biotecnologías), basadas en la El uso del potencial de los seres vivos, por definición, están dirigidos a la amistad y armonía del hombre con el mundo que lo rodea. Actualmente, la biotecnología se divide en varios de los segmentos más significativos: estos son biotecnología "blanca", "verde", "roja", "gris" y "azul".La biotecnología "blanca" se refiere a la biotecnología industrial centrada en la producción de productos producidos anteriormente por la industria química: alcohol, vitaminas, aminoácidos, etc. (teniendo en cuenta los requisitos de conservación de recursos y protección del medio ambiente).
La biotecnología verde cubre un área de importancia para la agricultura. Estas son investigaciones y tecnologías destinadas a crear métodos y preparaciones biotecnológicas para combatir plagas y patógenos de plantas cultivadas y animales domésticos, crear biofertilizantes, aumentar la productividad de las plantas, incluido el uso de métodos de ingeniería genética.
La biotecnología roja (médica) es el área más importante de la biotecnología moderna. Es la producción de diagnósticos y medicamentos por métodos biotecnológicos que utilizan tecnologías de ingeniería genética y celular (vacunas verdes, diagnósticos genéticos, anticuerpos monoclonales, construcciones y productos de ingeniería de tejidos, etc.).
La biotecnología gris se dedica al desarrollo de tecnologías y medicamentos para la protección del medio ambiente; estos son la recuperación de suelos, el tratamiento de aguas residuales y las emisiones de gases al aire, la eliminación de desechos industriales y la degradación de sustancias tóxicas utilizando agentes biológicos y procesos biológicos.
La biotecnología azul se centra principalmente en el uso eficiente de los recursos de los océanos. En primer lugar, este es el uso de la biota marina para la producción de alimentos, sustancias técnicas, biológicamente activas y medicinales.
La biotecnología moderna es una de las áreas prioritarias de la economía nacional de todos los países desarrollados. La forma de aumentar la competitividad de los productos biotecnológicos en los mercados de venta es una de las principales en la estrategia global para el desarrollo de la biotecnología en los países industrializados. El factor estimulante son los programas gubernamentales especialmente adoptados para el desarrollo acelerado de nuevas áreas de la biotecnología.
Los programas estatales prevén la emisión de préstamos gratuitos para inversores, préstamos a largo plazo y exenciones fiscales. A medida que el trabajo fundamental y específico se vuelve cada vez más costoso, muchos países se esfuerzan por trasladar gran parte de su investigación más allá de las fronteras nacionales.
Como saben, la probabilidad de éxito en la implementación de proyectos de I + D en su conjunto no supera el 12-20%, aproximadamente el 60% de los proyectos alcanzan la etapa de finalización técnica, el 30%: desarrollo comercial y solo el 12% son rentables.
Características del desarrollo de la investigación y comercialización de tecnologías biológicas en EE. UU., Japón, países de la UE y Rusia.
EE.UU. La posición de liderazgo en biotecnología en términos de producción industrial de productos biotecnológicos, volúmenes de ventas, facturación de comercio exterior, asignaciones y escala de I+D la ocupa Estados Unidos, donde se presta gran atención al desarrollo de esta área. En 2003, más de 198.300 personas estaban empleadas en este sector.Las asignaciones a este sector de la ciencia y la economía en Estados Unidos son significativas y ascienden a más de 20 mil millones de dólares. UU. anualmente. Los ingresos de la industria biotecnológica de EE. UU. aumentaron de $ 8 mil millones a en 1992 a 39 mil millones de dólares. en 2003
Esta industria está bajo la estrecha atención del estado. Así, durante la formación de la última biotecnología y el surgimiento de sus áreas asociadas a la manipulación de material genético, a mediados de los años 70. El siglo pasado, el Congreso de los Estados Unidos prestó gran atención a la seguridad de la investigación genética. Sólo en 1977 se celebraron 25 audiencias especiales y se aprobaron 16 proyectos de ley.
A principios de los 90. el enfoque se ha desplazado hacia el desarrollo de medidas para fomentar el uso práctico de la biotecnología para la producción de nuevos productos. El desarrollo de la biotecnología en los Estados Unidos está asociado con la solución de muchos problemas clave: energía, materias primas, alimentos y problemas ambientales.
Entre las áreas biotecnológicas que están próximas a la implementación práctica o se encuentran en etapa de desarrollo industrial se encuentran las siguientes:
- bioconversión de energía solar;
- el uso de microorganismos para aumentar el rendimiento del petróleo y la lixiviación de metales no ferrosos y raros;
- diseñar cepas que puedan reemplazar costosos catalizadores inorgánicos y cambiar las condiciones de síntesis para obtener compuestos fundamentalmente nuevos;
- el uso de estimulantes bacterianos del crecimiento de las plantas, cambiando el genotipo de los cereales y su adaptación a la maduración en condiciones extremas (sin arado, riego y fertilizantes);
- biosíntesis dirigida de obtención eficaz de productos objetivo (aminoácidos, enzimas, vitaminas, antibióticos, aditivos alimentarios, preparados farmacológicos);
- obtención de nuevos fármacos diagnósticos y terapéuticos basados en los métodos de ingeniería celular y genética.
El papel del líder estadounidense se debe a las altas asignaciones de capital estatal y privado para la investigación fundamental y aplicada. La Fundación Nacional de Ciencias (NSF), los Ministerios de Salud y Servicios Humanos, Agricultura, Energía, Industrias Químicas y Alimentarias, Defensa, la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) y el Interior desempeñan un papel clave en la financiación de la biotecnología. Los créditos se asignan de acuerdo con el principio de programa-objetivo, es decir, los proyectos de investigación son subvencionados y contratados.
Al mismo tiempo, las grandes empresas industriales establecen relaciones comerciales con universidades y centros de investigación. Esto contribuye a la formación de complejos en un área particular, que van desde la investigación fundamental hasta la producción en serie de un producto y la entrega al mercado. Tal "sistema de participación" prevé la formación de fondos especializados con consejos de expertos apropiados y la participación del personal más calificado.
Al seleccionar proyectos con alto rendimiento comercial, se ha vuelto beneficioso utilizar el llamado "análisis con restricciones dadas". Esto le permite reducir significativamente el tiempo de implementación del proyecto (en promedio de 7-10 a 2-4 años) y aumentar la probabilidad de éxito hasta en un 80%. El concepto de "límites dados" incluye el potencial para la venta exitosa del producto y la ganancia, el aumento de la producción anual, la competitividad del producto, el riesgo potencial de una posición de marketing, la posibilidad de reestructurar la producción para tener en cuenta nuevos logros, etc.
El gasto total anual del gobierno de EE. UU. en ingeniería genética e investigación biotecnológica asciende a miles de millones de dólares. Las inversiones de empresas privadas superan significativamente estas cifras. Cada año se asignan varios miles de millones de dólares solo para el desarrollo de fármacos de diagnóstico y anticancerosos. Básicamente, estas son las siguientes áreas: métodos de recombinación de ADN, obtención de híbridos, obtención y uso de anticuerpos monoclonales, cultivos de tejidos y células.
En los Estados Unidos, se ha vuelto común que empresas que no estaban previamente asociadas con la biotecnología adquieran participaciones en empresas existentes y construyan sus propias empresas biotecnológicas (Cuadro 1.1). Esta es, por ejemplo, la práctica de gigantes químicos como Philips Petrolium, Monsanto, Dow Chemical. Alrededor de 250 empresas químicas tienen actualmente intereses en biotecnología. Así, el gigante de la industria química estadounidense, la empresa De Pont, tiene varios complejos biotecnológicos por valor de 85-150 mil dólares. con una plantilla de 700-1.000 personas.
Se han creado complejos similares en la estructura de Monsanto, además, en la actualidad, hasta el 75% del presupuesto (más de 750 millones de dólares) se dirige al campo de la biotecnología. Estas empresas se centran en la producción de hormona de crecimiento genéticamente modificada, así como en una serie de medicamentos genéticamente modificados para medicina veterinaria y farmacología. Además, las empresas, junto con los centros de investigación universitarios, firman contratos de I+D conjunta.
Tabla 1.1. Las mayores preocupaciones y compañías farmacéuticas de EE. UU. que producen preparaciones biotecnológicas médicas.
Existe la opinión de que todas las condiciones necesarias para la formación y el desarrollo de la biotecnología en los Estados Unidos han sido preparadas por el negocio de capital de riesgo. Para las grandes firmas y empresas, el venture business es una técnica consolidada que permite obtener nuevos desarrollos en un menor plazo de tiempo, atrayendo para ello a pequeñas firmas y pequeños equipos, en lugar de hacerlo solos.
Por ejemplo, en los años 80. General Electric, con la ayuda de pequeñas empresas, comenzó a dominar la producción de compuestos biológicamente activos; solo en 1981, sus asignaciones riesgosas en biotecnología ascendieron a $ 3 millones. El riesgo de la pequeña empresa proporciona a las grandes empresas y corporaciones un mecanismo para seleccionar innovaciones rentables con grandes perspectivas comerciales.
SOBRE EL. Voinov, T. G. Volova
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