Najnovija dostignuća u području biotehnologije. Što je biotehnologija? Glavni pravci i postignuća

UVOD

1.1. Opće odredbe

Zakon Ruske Federacije „O veterinarstvu” definira glavne zadaće veterinarske medicine „u području znanstvenih spoznaja i praktičnih aktivnosti usmjerenih na sprječavanje bolesti životinja i njihovo liječenje, proizvodnju cjelovitih i veterinarski sigurnih proizvoda životinjskog podrijetla i zaštitu stanovništva od bolesti. zajedničko ljudima i životinjama"

Neki od ovih problema rješavaju se biotehnološkim metodama.

Definicija biotehnologije dosta je potpuna od strane Europske federacije za biotehnologiju, osnovane 1978. Prema ovoj definiciji biotehnologija je znanost koja na temelju primjene znanja iz područja mikrobiologije, biokemije, genetike, genetskog inženjerstva, imunologije, kemijske tehnologije, instrumentarstva i strojarstva koristi biološke objekte (mikroorganizme, stanice životinjskog i biljnog tkiva) ili molekule (nukleinske kiseline, proteini, enzimi), ugljikohidrati, itd.) za industrijsku proizvodnju tvari i proizvoda korisnih za ljude i životinje.

Sve dok sveobuhvatni pojam "biotehnologija" nije postao općeprihvaćen, nazivi kao što su primijenjena mikrobiologija, primijenjena biokemija, enzimska tehnologija, bioinženjering, primijenjena genetika i primijenjena biologija koristili su se za označavanje raznih tehnologija koje su najbliže biologiji.

Korištenje znanstvenih dostignuća u biotehnologiji provodi se na najvišoj razini suvremene znanosti. Samo biotehnologija omogućuje dobivanje raznih tvari i spojeva iz relativno jeftinih, dostupnih i obnovljivih materijala.

Za razliku od prirodnih tvari i spojeva, umjetno sintetizirani zahtijevaju velika ulaganja, slabo se apsorbiraju u životinjskim i ljudskim organizmima i imaju visoku cijenu.

Biotehnologija koristi mikroorganizme i viruse koji u svojim životnim procesima prirodno proizvode tvari koje su nam potrebne - vitamine, enzime, aminokiseline, organske kiseline, alkohole, antibiotike i druge biološki aktivne spojeve.

Živa stanica je superiornija od svake biljke po svojoj organizacijskoj strukturi, koherentnosti procesa, točnosti rezultata, učinkovitosti i racionalnosti.

Trenutno se mikroorganizmi uglavnom koriste u tri vrste biotehnoloških procesa:

Za proizvodnju biomase;

Za dobivanje metaboličkih proizvoda (na primjer, etanol, antibiotici, organske kiseline, itd.);

Za preradu organskih i anorganskih spojeva prirodnog i antropogenog podrijetla.

Glavna zadaća prve vrste procesa, koju je danas pozvana riješiti biotehnološka proizvodnja, jest uklanjanje nedostatka proteina u hrani domaćih životinja i ptica, jer U bjelančevinama biljnog podrijetla postoji manjak aminokiselina i to prije svega onih posebno vrijednih, tzv. esencijalnih.

Glavni smjer druge skupine biotehnoloških procesa trenutačno je proizvodnja proizvoda mikrobne sinteze korištenjem otpada iz raznih industrija, uključujući prehrambenu, naftnu i drvoprerađivačku industriju itd.

Biotehnološka prerada različitih kemijskih spojeva usmjerena je uglavnom na osiguravanje ekološke ravnoteže u prirodi, preradu otpada od ljudskih aktivnosti i maksimalno smanjenje negativnog antropogenog utjecaja na prirodu.

U industrijskoj mjeri biotehnologija predstavlja industriju u kojoj se mogu razlikovati sljedeći sektori:

Proizvodnja polimera i sirovina za tekstilnu industriju;

Proizvodnja metanola, etanola, bioplina, vodika i njihova uporaba u energetskoj i kemijskoj industriji;

Proizvodnja proteina, aminokiselina, vitamina, enzima itd. kroz veliki uzgoj kvasca, algi, bakterija;

Povećanje produktivnosti poljoprivrednih biljaka i životinja;

Dobivanje herbicida i bioinsekticida;

Široko uvođenje metoda genetskog inženjeringa u dobivanju novih pasmina životinja, biljnih sorti i uzgoja staničnih kultura tkiva biljnog i životinjskog podrijetla;

Recikliranje industrijskog i kućnog otpada, otpadnih voda, proizvodnja komposta pomoću mikroorganizama;

Recikliranje štetnih emisija nafte, kemikalija koje zagađuju tlo i vodu;

Proizvodnja terapijskih, preventivnih i dijagnostičkih lijekova (cjepiva, seruma, antigena, alergena, interferona, antibiotika i dr.).

Gotovo svi biotehnološki procesi usko su povezani sa životnom aktivnošću različitih skupina mikroorganizama - bakterija, virusa, kvasaca, mikroskopskih gljivica itd., i imaju niz karakterističnih značajki:

1. Proces mikrobne sinteze u pravilu je dio višefazne proizvodnje, a ciljni produkt faze biosinteze često nije utrživ i podliježe daljnjoj preradi.

2. Pri uzgoju mikroorganizama obično je potrebno održavati aseptične uvjete, što zahtijeva sterilizaciju opreme, komunikacija, sirovina itd.

3. Uzgoj mikroorganizama provodi se u heterogenim sustavima čija se fizikalno-kemijska svojstva mogu značajno mijenjati tijekom procesa.

4. Tehnološki proces karakterizira velika varijabilnost zbog prisutnosti biološkog objekta u sustavu, tj. populacije mikroorganizama.

5. Složenost i multifaktorski mehanizmi regulacije mikrobnog rasta i biosinteze metaboličkih produkata.

6. Složenost i, u većini slučajeva, nedostatak podataka o kvalitativnom i kvantitativnom sastavu proizvodnih hranjivih podloga.

7. Relativno niske koncentracije ciljnih proizvoda.

8. Sposobnost procesa samoregulacije.

9. Uvjeti optimalni za rast mikroorganizama i biosintezu ciljnih proizvoda ne podudaraju se uvijek.

Mikroorganizmi troše tvari iz okoliša, rastu, razmnožavaju se, otpuštaju tekuće i plinovite metaboličke produkte, čime se ostvaruju one promjene u sustavu (akumulacija biomase ili metaboličkih produkata, potrošnja polutanata) radi kojih se i provodi proces uzgoja. Posljedično, mikroorganizam se može smatrati središnjim elementom biotehnološkog sustava koji određuje učinkovitost njegovog funkcioniranja.

1.2. Povijest razvoja biotehnologije

Biotehnologija je u proteklih 20 godina, zahvaljujući svojim specifičnim prednostima u odnosu na druge znanosti, napravila odlučujući prodor na industrijsku razinu, čemu je uvelike zaslužan razvoj novih istraživačkih metoda i intenziviranje procesa koji su otvorili do sada nepoznate mogućnosti u proizvodnji bioloških pripravaka, metode izolacije, identifikacije i pročišćavanja biološki aktivnih tvari.

Biotehnologija se formirala i razvijala kako se formiralo i razvijalo ljudsko društvo. Njegov nastanak, formiranje i razvoj možemo podijeliti u 4 razdoblja.

1. Empirijsko razdoblje ili pretpovijesno razdoblje je najdulje, obuhvaća otprilike 8000 godina, od čega više od 6000 pr. i oko 2000. godine. Tadašnji stari narodi intuitivno su koristili tehnike i metode za izradu kruha, piva i nekih drugih proizvoda koje danas svrstavamo u biotehnološke.

Poznato je da su Sumerani, prvi stanovnici Mezopotamije (na području današnjeg Iraka), stvorili civilizaciju koja je u to doba cvjetala. Pekli su kruh od kiselog tijesta i savladali umijeće kuhanja piva. Stečeno iskustvo prenosilo se s koljena na koljeno, šireći među susjednim narodima (Asircima, Babiloncima, Egipćanima i starim Hindusima). Ocat je poznat već nekoliko tisuća godina i od davnina se priprema kod kuće. Prva destilacija u vinarstvu provedena je u 12. stoljeću; votka od žitarica počela se proizvoditi u 16. stoljeću; šampanjac je poznat od 18. stoljeća.

Empirijsko razdoblje obuhvaća proizvodnju fermentiranih mliječnih proizvoda, kiselog kupusa, mednih alkoholnih pića i silažu stočne hrane.

Tako su narodi od davnina koristili biotehnološke procese u praksi ne znajući ništa o mikroorganizmima. Empirizam je također bio karakterističan za praksu korištenja korisnih biljaka i životinja.

Godine 1796. dogodio se najvažniji događaj u biologiji - E. Jenner je izvršio prvo cijepljenje ljudi protiv kravljih boginja u povijesti.

2. Etiološko razdoblje u razvoju biotehnologije obuhvaća drugu polovicu 19. stoljeća. i prve trećine 20. stoljeća. (1856. - 1933.). Povezan je s izvanrednim istraživanjima velikog francuskog znanstvenika L. Pasteura (1822. - 95.) - utemeljitelja znanstvene mikrobiologije.

Pasteur je utvrdio mikrobnu prirodu fermentacije, dokazao mogućnost života u uvjetima bez kisika, stvorio znanstvenu osnovu za prevenciju cjepivom itd.

U istom razdoblju radili su njegovi izvrsni učenici, suradnici i kolege: E. Duclos, E. Roux, Sh.E. Chamberlan, I.I. Mečnikov; R. Koch, D. Lister, G. Ricketts, D. Ivanovsky i drugi.

Godine 1859. L. Pasteur pripremio je tekuću hranjivu podlogu, a 1881. R. Koch predložio je metodu uzgoja bakterija na sterilnim ploškama krumpira i na agar hranjivim podlogama. I, kao posljedica toga, bilo je moguće dokazati individualnost mikroba i dobiti ih u čistim kulturama. Štoviše, svaka se vrsta može razmnožavati na hranjivim podlogama i koristiti za reprodukciju odgovarajućih procesa (fermentacija, oksidacija itd.).

Među postignućima 2. razdoblja posebno se ističu:

1856. - češki redovnik G. Mendel otkrio je zakone dominacije svojstava i uveo pojam jedinice nasljeđa u obliku diskretnog faktora koji se prenosi s roditelja na potomke;

1869 - F. Miler izolirao "nuklein" (DNA) iz leukocita;

1883. - I. Mečnikov razvio teoriju stanične imunosti;

1984. - F. Leffler izolirao i uzgojio uzročnika difterije;

1892. - D. Ivanovsky otkrio viruse;

1893. - W. Ostwald utvrdio katalitičku funkciju enzima;

1902. - G. Haberland pokazao je mogućnost uzgoja biljnih stanica u hranjivim otopinama;

1912. - C. Neuberg otkrio mehanizam procesa fermentacije;

1913. - L. Michaelis i M. Menten razvili su kinetiku enzimskih reakcija;

1926. - H. Morgan formulirao kromosomsku teoriju nasljeđivanja;

1928. - F. Griffith opisao je fenomen "transformacije" kod bakterija;

1932. - M. Knoll i E. Ruska izumili su elektronski mikroskop.
U tom razdoblju počinje proizvodnja prešanih prehrambenih proizvoda.

kvasac, kao i produkti njihovog metabolizma - acetona, butanola, limunske i mliječne kiseline, Francuska je počela stvarati biopostrojenja za mikrobiološku obradu otpadnih voda.

Međutim, akumulacija velike mase stanica iste starosti ostala je iznimno radno intenzivan proces. Zato je za rješavanje mnogih problema u području biotehnologije bio potreban bitno drugačiji pristup.

3. Biotehničko razdoblje – počinje 1933. godine i traje do 1972. godine.

Godine 1933. A. Kluyver i A.H. Perkin objavio je rad "Metode proučavanja metabolizma u plijesni", u kojem su opisali osnovne tehničke tehnike, kao i pristupe procjeni rezultata dobivenih tijekom dubokog uzgoja gljiva. Započelo je uvođenje velike zatvorene opreme u biotehnologiju, čime se osigurava izvođenje procesa u sterilnim uvjetima.

Posebno snažan zamah u razvoju industrijske biotehnološke opreme zabilježen je u razdoblju formiranja i razvoja proizvodnje antibiotika (tijekom Drugog svjetskog rata 1939.-1945., kada je postojala hitna potreba za antimikrobnim lijekovima za liječenje bolesnika s inficirane rane).

Sve progresivno na području biotehnoloških i tehničkih disciplina postignuto do tog vremena odrazilo se na biotehnologiju:

1936. - riješeni su glavni zadaci projektiranja, stvaranja i stavljanja u praksu potrebne opreme, uključujući glavni - bioreaktor (fermentor, kultivator);

1942. - M. Delbrück i T. Anderson prvi su vidjeli viruse pomoću elektronskog mikroskopa;

1943. - penicilin je proizveden u industrijskim razmjerima;

1949. - J. Lederberg otkrio proces konjugacije u E.škotski ovčar;

1950. - J. Monod razvio je teorijske osnove kontinuiranog kontroliranog uzgoja mikroba koje su u svojim istraživanjima razvili M. Stephenson, I. Molek, M. Ierusalimsky,
I. Rabotnova, I. Pomozova, I. Basnakyan, V. Biryukov;

1951. - M. Theiler razvio cjepivo protiv žute groznice;

1952. - W. Hayes opisao je plazmid kao ekstrakromosomski čimbenik nasljeđa;

1953. - F. Crick i J. Watson dešifrirali su strukturu DNK. To je bio poticaj za razvoj metoda za veliki uzgoj stanica različitog podrijetla za dobivanje staničnih proizvoda i samih stanica;

1959. - Japanski znanstvenici otkrili su plazmide otporne na antibiotike (K-faktor) u bakterijama dizenterije;

1960. - S. Ochoa i A. Kornberg izolirali su proteine ​​koji mogu "umrežiti" ili "lijepiti" nukleotide u polimerne lance, sintetizirajući tako makromolekule DNA. Jedan takav enzim izoliran je iz Escherichie coli i nazvan DNA polimeraza;

1961. - M. Nirenberg pročitao je prva tri slova genetike
šifra za aminokiselinu fenilalanin;

1962. - X. Korana kemijski sintetizirao funkcionalni gen;

1969. - M. Beckwith i S. Shapiro izolirali su gen operona 1ac u E.škotski ovčar;

- 1970. - izoliran je restrikcijski enzim (restrikcijska endonukleaza).

4. Razdoblje genetskog inženjeringa počelo je 1972. godine, kada je P. Berg napravio prvu rekombinaciju molekule DNA, čime je pokazao mogućnost ciljane manipulacije genetskim materijalom bakterija.

Naravno, bez temeljnog rada F. Cricka i J. Watsona na utvrđivanju strukture DNA bilo bi nemoguće postići suvremene rezultate na području biotehnologije. Razjašnjavanje mehanizama funkcioniranja i replikacije DNA, izolacija i proučavanje specifičnih enzima doveli su do oblikovanja strogo znanstvenog pristupa razvoju biotehničkih procesa temeljenih na genetsko-inženjerskim manipulacijama.

Stvaranje novih metoda istraživanja bio je nužan preduvjet za razvoj biotehnologije u 4. razdoblju:

1977. - M. Maxam i W. Gilbert razvili su metodu za analizu primarne strukture DNK kemijskom razgradnjom, a J. Sanger
- kopiranjem polimerazom pomoću terminirajućih analoga nukleotida;

1981. - prvi dijagnostički kit monoklonskih protutijela odobren je za uporabu u SAD-u;

1982. - pušten u prodaju ljudski inzulin proizveden od stanica Escherichie coli; cjepivo za životinje dobiveno tehnologijom odobreno je za uporabu u europskim zemljama
rekombinantna DNA; razvijeni su genetski modificirani interferoni, faktor nekrotizacije tumora, interleukin-2, humani somatotropni hormon itd.;

1986. - K. Mullis razvio metodu lančane reakcije polimerazom (PCR);

1988. - započela je velika proizvodnja opreme i dijagnostičkih setova za PCR;

1997. - Prvi sisavac (ovca Dolly) kloniran je iz diferencirane somatske stanice.

Tako izvrsni domaći znanstvenici poput L.S. Tsenkovsky, S.N. Vyshelessky, M.V. Likhachev, N.N. Ginzburg, S.G. Kolesov, Ya.R. Koljakov, R.V. Petrov, V.V. Kafarov i drugi dali su neprocjenjiv doprinos razvoju biotehnologije.

Najvažnija dostignuća biotehnologije u 4. razdoblju:

1. Razvoj intenzivnih procesa (umjesto ekstenzivnih) temeljenih na ciljanim temeljnim istraživanjima (s proizvođačima antibiotika, enzima, aminokiselina, vitamina).

2. Dobivanje super-proizvođača.

3. Stvaranje različitih proizvoda potrebnih ljudima na temelju tehnologija genetskog inženjeringa.

4. Stvaranje neobičnih organizama koji prije nisu postojali u prirodi.

5. Razvoj i implementacija posebne opreme za biotehnološke sustave.

6. Automatizacija i informatizacija procesa biotehnološke proizvodnje uz maksimalno korištenje sirovina i minimalnu potrošnju energije.

Navedena dostignuća biotehnologije trenutno se implementiraju u nacionalno gospodarstvo i bit će stavljena u praksu u sljedećih 10-15 godina. U doglednoj budućnosti definirat će se novi temelji biotehnologije i očekuju nas nova otkrića i napredak.

1.3. Biosustavi, objekti i metode u biotehnologiji

Jedan od pojmova u biotehnologiji je koncept "biosustav". Generalizirane karakteristike biološkog (živog) sustava mogu se svesti na tri glavne značajke koje su im svojstvene:

1. Živi sustavi su heterogeni otvoreni sustavi koji izmjenjuju tvari i energiju s okolinom.

2. Ovi sustavi su samoupravni, samoregulirajući, interaktivni, t.j. sposobni razmjenjivati ​​informacije s okolinom kako bi održali svoju strukturu i kontrolirali metaboličke procese.

3. Živi sustavi se sami reprodukuju (stanice, organizmi).

Biosustavi se prema svojoj strukturi dijele na elemente (podsustave) međusobno povezane i karakterizirane složenom organizacijom (atomi, molekule, organele, stanice, organizmi, populacije, zajednice).

Kontrola u stanici kombinacija je procesa sinteze proteinsko-enzimskih molekula potrebnih za obavljanje određene funkcije i kontinuiranih procesa promjena aktivnosti tijekom interakcije tripletnih kodova DNA u jezgri i makromolekula u ribosomima. Jačanje i inhibicija enzimske aktivnosti događa se ovisno o količini početnih i konačnih produkata odgovarajućih biokemijskih reakcija. Zahvaljujući ovoj složenoj organizaciji biosustavi se razlikuju od svih neživih bića.

Ponašanje biosustava je ukupnost njegovih reakcija kao odgovora na vanjske utjecaje, tj. Najčešći zadatak upravljačkih sustava živih organizama je očuvanje njihove energetske osnove u promjenjivim uvjetima okoliša.

N.M. Amosov dijeli sve biosustave u pet hijerarhijskih razina složenosti: jednostanični organizmi, višestanični organizmi, populacije, biogeocenoza i biosfera.

Jednostanični organizmi uključuju viruse, bakterije i protozoe. Funkcije jednostaničnih organizama su izmjena tvari i energije s okolinom, rast i dioba, reakcije na vanjske podražaje u obliku promjena metabolizma i oblika kretanja. Sve funkcije jednostaničnih organizama podržane su biokemijskim procesima enzimske prirode i energetskim metabolizmom – od načina dobivanja energije do sinteze novih struktura ili razgradnje postojećih. Jedini mehanizam jednostaničnih organizama koji osigurava njihovu prilagodbu okolišu je mehanizam promjena u pojedinim genima DNA i, kao posljedica toga, promjena enzimskih proteina i promjena u biokemijskim reakcijama.

Osnova sustavnog pristupa analizi strukture biosustava je njezin prikaz u obliku dviju komponenti – energije i kontrole.

Na sl. 1. prikazuje generalizirani shematski dijagram tokova energije i informacija u bilo kojem biosustavu. Glavni element je energetska komponenta, označena kroz MS (metabolički sustav), i kontrolna komponenta, označena kao P (genetska i fiziološka kontrola) i prenosi kontrolne signale efektorima (E). Jedna od glavnih funkcija metaboličkog sustava je opskrba biosustava energijom.

Riža. 1. Tokovi energije i informacija u biosustavu.

Struktura biosustava održava se mehanizmima genetske kontrole. Primajući energiju i informacije iz drugih sustava u obliku metaboličkih proizvoda (matabolita), a tijekom razdoblja formiranja - u obliku hormona, genetski sustav kontrolira proces sinteze potrebnih tvari i podržava vitalnu aktivnost drugih tjelesnih sustava. , a procesi u ovom sustavu odvijaju se prilično sporo.

Unatoč raznolikosti biosustava, odnosi između njihovih bioloških svojstava ostaju nepromjenjivi za sve organizme. U složenom sustavu mogućnosti prilagodbe mnogo su veće nego u jednostavnom. U jednostavnom sustavu te funkcije osigurava mali broj mehanizama, a oni su osjetljiviji na promjene u vanjskom okruženju.

Biosustave karakterizira kvalitativna heterogenost koja se očituje u tome da unutar istog funkcionalnog biosustava međusobno i usklađeno djeluju podsustavi s kvalitativno različitim odgovarajućim kontrolnim signalima (kemijskim, fizičkim, informacijskim).

Hijerarhija biosustava očituje se u postupnom usložnjavanju funkcije na jednoj razini hijerarhije i naglom prijelazu na kvalitativno drugačiju funkciju na sljedećoj razini hijerarhije, kao i u specifičnoj konstrukciji različitih biosustava, njihovoj analizi i kontrolu u takvom nizu da je konačna izlazna funkcija donje razine hijerarhije uključena kao element na višu razinu.

Stalna prilagodba okolišu i evolucija nemogući su bez jedinstva dvaju suprotstavljenih svojstava: strukturno-funkcionalne organizacije i strukturno-funkcionalne vjerojatnosti, stohastičnosti i varijabilnosti.

Strukturna i funkcionalna organizacija očituje se na svim razinama biosustava i karakterizira je visoka stabilnost biološke vrste i njezinog oblika. Na razini makromolekula ovo se svojstvo osigurava replikacijom makromolekula, na razini stanice - diobom, na razini jedinke i populacije - razmnožavanjem jedinki reprodukcijom.

Kao biološke objekte ili sustave koje koristi biotehnologija potrebno je prije svega navesti jednostanične mikroorganizme, te životinjske i biljne stanice. Izbor ovih objekata određen je sljedećim točkama:

1. Stanice su svojevrsne “biotvornice” koje tijekom svog života proizvode različite vrijedne proizvode: proteine, masti, ugljikohidrate, vitamine, nukleinske kiseline, aminokiseline, antibiotike, hormone, antitijela, antigene, enzime, alkohole itd. Mnogi od ovih proizvodi iznimno potrebni u ljudskom životu, još nisu dostupni za proizvodnju "nebiotehnološkim" metodama zbog nedostatka ili visoke cijene sirovina
ili složenost tehnoloških procesa;

2. Stanice se iznimno brzo razmnožavaju. Tako se bakterijska stanica dijeli svakih 20 - 60 minuta, stanica kvasca svakih 1,5 - 2 sata, životinjska stanica svaka 24 sata, što omogućuje umjetno povećanje ogromnih količina biomase u industrijskim razmjerima u relativno kratkom vremenu. na relativno jeftinim i nedeficitarnim hranjivim podlogama mikrobne, životinjske ili biljne stanice. Na primjer, u bioreaktoru kapaciteta 100 m 3, 10" 6 - 10 18 mikrobnih stanica može se uzgojiti za 2 - 3 dana. Tijekom života stanica, kada se uzgajaju, ulazi velika količina vrijednih proizvoda okoliš, a same stanice su skladišta tih proizvoda;

3. Biosinteza složenih tvari kao što su proteini, antibiotici, antigeni, antitijela itd. mnogo je ekonomičnija i tehnološki pristupačnija od kemijske sinteze. Istodobno, početne sirovine za biosintezu u pravilu su jednostavnije i pristupačnije od sirovina za druge
vrste sinteze. Za biosintezu se koristi otpad iz poljoprivrede, ribarstva, prehrambene industrije, biljne sirovine (sirutka, kvasac, drvo, melasa i dr.).

4. Mogućnost provođenja biotehnološkog procesa u industrijskim razmjerima, tj. dostupnost odgovarajuće tehnološke opreme, dostupnost sirovina, tehnologija prerade i sl.

Tako je priroda istraživačima podarila živi sustav koji sadrži i sintetizira jedinstvene komponente, a prije svega nukleinske kiseline, čijim se otkrićem ubrzano razvija biotehnologija i svjetska znanost u cjelini.

Objekti biotehnologije su virusi, bakterije, gljivice, protozoalni organizmi, stanice (tkiva) biljaka, životinja i ljudi, tvari biološkog podrijetla (na primjer, enzimi, prostaglandini, lektini, nukleinske kiseline), molekule.

S tim u vezi, možemo reći da se biotehnološki objekti odnose ili na mikroorganizme ili na biljne i životinjske stanice. S druge strane, tijelo se može okarakterizirati kao sustav ekonomične, složene, kompaktne, ciljane sinteze, koja postojano i aktivno napreduje uz optimalno održavanje svih potrebnih parametara.

Metode koje se koriste u biotehnologiji određuju se na dvije razine: staničnoj i molekularnoj. Oba su određena bi-objektima.

U prvom slučaju radi se o bakterijskim stanicama (za proizvodnju pripravaka cjepiva), aktinomicetama (za proizvodnju antibiotika), mikromicetama (za proizvodnju limunske kiseline), životinjskim stanicama (za proizvodnju antivirusnih cjepiva), ljudskim stanice (za proizvodnju interferona) itd.

U drugom slučaju, oni se bave molekulama, na primjer, nukleinskim kiselinama. Međutim, u završnoj fazi molekularna razina se transformira u staničnu razinu. Životinjske i biljne stanice, mikrobne stanice u procesu života (asimilacija i disimilacija) stvaraju nove produkte i izlučuju metabolite različitog fizikalno-kemijskog sastava i bioloških učinaka.

Kako stanica raste, u njoj se događa ogroman broj reakcija kataliziranih enzimima, što rezultira stvaranjem intermedijarnih spojeva, koji se zatim pretvaraju u stanične strukture. Intermedijarni spojevi, građevni elementi, uključuju 20 aminokiselina, 4 ribonukleotida, 4 deoksiribonukleotida, 10 vitamina, monosaharide, masne kiseline i heksozamine. Od tih “cigli” izgrađeni su “blokovi”: oko 2000 proteina, DNK, tri vrste RNK, polisaharidi, lipidi, enzimi. Dobiveni “blokovi” koriste se za izgradnju staničnih struktura: jezgre, ribosoma, membrane, stanične stijenke, mitohondrija, bičeva itd., koji čine stanicu.

U svakoj fazi “biološke sinteze” stanice moguće je identificirati proizvode koji se mogu koristiti u biotehnologiji.

Obično se jednostanični proizvodi dijele u 4 kategorije:

a) same stanice kao izvor ciljnog produkta. Na primjer, uzgojene bakterije ili virusi koriste se za proizvodnju živih ili mrtvih korpuskularnih cjepiva; kvasac, kao krmna bjelančevina ili osnova za dobivanje hidrolizata hranjivih podloga itd.;

b) velike molekule koje sintetiziraju stanice tijekom procesa rasta: enzimi, toksini, antigeni, antitijela, peptidoglikani itd.;

c) primarni metaboliti - tvari niske molekulske mase (manje od 1500 daltona) potrebne za rast stanica, kao što su aminokiseline, vitamini, nukleotidi, organske kiseline;

d) sekundarni metaboliti (idioliti) - niskomolekularni spojevi koji nisu potrebni za rast stanica: antibiotici, alkaloidi, toksini, hormoni.

Svi mikroobjekti koji se koriste u biotehnologiji klasificirani su kao akarioti, pro- ili eukarioti. Iz skupine eukariota, primjerice, djeluje kao biološki objekt sa stanicama protozoa, algi i gljiva, iz skupine prokariota - sa stanicama modrozelenih algi i bakterija, a akariota - s virusima.

Biološki objekti iz mikrokozmosa variraju u veličini od nanometara (virusi, bakteriofagi) do milimetara i centimetara (divovske alge) i karakterizirani su relativno brzom brzinom razmnožavanja. U suvremenoj farmaceutskoj industriji koristi se gigantski raspon bioloških objekata čije je grupiranje vrlo složeno i najbolje se može izvršiti na temelju načela njihove proporcionalnosti.

Ogroman skup bio-objekata ne iscrpljuje cjelokupnu elementarnu bazu s kojom radi biotehnologija. Nedavni napredak biologije i genetskog inženjeringa doveo je do pojave potpuno novih bioloških objekata - transgenih (genetski modificiranih) bakterija, virusa, gljivica, biljnih, životinjskih, ljudskih stanica i himera.

Iako pripadnici svih nadkraljevstava sadrže genetski materijal, različitim akariotima nedostaje bilo koja vrsta nukleinske kiseline (RNA ili DNA). Oni nisu sposobni funkcionirati (uključujući repliciranje) izvan žive stanice, pa ih je, stoga, legitimno nazvati bez jezgre. Parazitizam virusa razvija se na genetskoj razini.

Ciljanim ispitivanjem različitih ekoloških niša identificira se sve više novih skupina mikroorganizama koji proizvode korisne tvari koje se mogu koristiti u biotehnologiji. Broj vrsta mikroorganizama koji se koriste u biotehnologiji stalno raste.

Pri odabiru biološkog objekta u svim slučajevima mora se poštivati ​​načelo proizvodnosti. Dakle, ako se tijekom brojnih ciklusa uzgoja svojstva biološkog objekta ne očuvaju ili pretrpe značajne promjene, tada biološki objekt treba smatrati niskotehnološkim, tj. neprihvatljivo za tehnološki razvoj nakon faze laboratorijskih istraživanja.

Razvojem biotehnologije veliku važnost dobivaju specijalizirane banke bioloških objekata, posebice zbirke mikroorganizama proučavanih svojstava, kao i kriobanke životinjskih i biljnih stanica, koje se već sada posebnim metodama mogu uspješno koristiti za konstruiranje novih organizmi korisni za biotehnologiju. Zapravo, takve specijalizirane banke usjeva odgovorne su za očuvanje izuzetno vrijednog genskog fonda.

Zbirke kultura imaju važnu ulogu u pravnoj zaštiti novih usjeva iu standardizaciji biotehnoloških procesa. Zbirke provode očuvanje, održavanje i opskrbu mikroorganizama sojevima, plazmidima, fagima, staničnim linijama za znanstvena i primijenjena istraživanja te za relevantnu proizvodnju. Zbirke kultura, uz svoju glavnu zadaću - osiguranje održivosti i očuvanje genetskih svojstava sojeva - doprinose razvoju znanstvenih istraživanja (u području taksonomije, citologije, fiziologije), a služe iu obrazovne svrhe. Oni obavljaju nezamjenjivu funkciju kao depozitari patentiranih sojeva. Prema međunarodnim pravilima, ne samo učinkoviti proizvođači, već i usjevi koji se koriste u genetskom inženjeringu mogu se patentirati i deponirati.

Znanstvenici posvećuju veliku pažnju svrhovitom stvaranju novih bioloških objekata koji ne postoje u prirodi. Prije svega, treba istaknuti stvaranje novih stanica mikroorganizama, biljaka, životinja pomoću metoda genetskog inženjeringa. Stvaranje novih bioloških objekata, naravno, pospješuje i unapređenje pravne zaštite izuma u području genetičkog inženjerstva i biotehnologije općenito. Formiran je smjer koji se bavi izgradnjom umjetnih stanica. Trenutno postoje metode koje omogućuju dobivanje umjetnih stanica pomoću različitih sintetskih i bioloških materijala, na primjer, umjetne stanične membrane s određenom propusnošću i površinskim svojstvima. Neki materijali mogu biti sadržani unutar takvih stanica: enzimski sustavi, stanični ekstrakti, biološke stanice, magnetski materijali, izotopi, antitijela, antigeni, hormoni itd. Korištenje umjetnih stanica dalo je pozitivne rezultate u proizvodnji interferona i monoklonskih antitijela, u stvaranje imunosorbenata itd.

Razvijaju se pristupi stvaranju umjetnih enzima i enzimskih analoga povećane stabilnosti i aktivnosti. Primjerice, provodi se sinteza polipeptida željene stereokonfiguracije, traže se metode ciljane mutageneze kako bi se jedna aminokiselina zamijenila drugom u molekuli enzima. Pokušava se konstruirati neenzimatski katalitički model.

Sljedeće skupine bioloških objekata treba identificirati kao najperspektivnije:

Rekombinanti, tj. organizmi dobiveni genetskim inženjeringom;

Stanice biljnog i životinjskog tkiva;

Termofilni mikroorganizmi i enzimi;

Anaerobni organizmi;

Asocijacije za transformaciju složenih supstrata;

Imobilizirani biološki objekti.

Proces umjetnog stvaranja biološkog objekta (mikroorganizma, odnosno stanice tkiva) sastoji se u mijenjanju njegove genetske informacije kako bi se uklonila nepoželjna i pojačala željena svojstva ili mu se dala potpuno nova svojstva. Najciljanije promjene mogu se napraviti rekombinacijom - preraspodjelom gena ili dijelova gena i kombiniranjem genetskih informacija iz dva ili više organizama u jednom organizmu. Proizvodnja rekombinantnih organizama, posebice, može se postići fuzijom protoplasta, prijenosom prirodnih plazmida i metodama genetskog inženjeringa.

U ovoj fazi razvoja biotehnologije netradicionalni biološki agensi uključuju stanice biljnog i životinjskog tkiva, uključujući hibridome i transplantate. Kulture stanica sisavaca već proizvode interferon i virusna cjepiva; u bliskoj budućnosti će se realizirati velika proizvodnja monoklonskih antitijela, površinskih antigena ljudskih stanica i angiogenih čimbenika.

Razvojem biotehnoloških metoda sve će se pozornost posvećivati ​​korištenju termofilnih mikroorganizama i njihovih enzima.

Enzime koje proizvode termofilni mikroorganizmi karakterizira toplinska stabilnost i veća otpornost na denaturaciju u usporedbi s enzimima iz mezofila. Provođenje biotehnoloških procesa na povišenim temperaturama korištenjem enzima iz termofilnih mikroorganizama ima niz prednosti:

1) povećava se brzina reakcije;

2) povećava se topljivost reagensa i, zbog toga, produktivnost procesa;

3) smanjena je mogućnost mikrobne kontaminacije reakcijskog medija.

Dolazi do oživljavanja biotehnoloških procesa koji koriste anaerobne mikroorganizme, koji su često i termofilni. Anaerobni procesi privlače pažnju istraživača zbog nedostatka energije i mogućnosti proizvodnje bioplina. Budući da anaerobni uzgoj ne zahtijeva prozračivanje okoliša, a biokemijski procesi su manje intenzivni, sustav odvođenja topline je pojednostavljen, anaerobni procesi se mogu smatrati energetski štedljivim.

Anaerobni mikroorganizmi uspješno se koriste za preradu otpada (biljna biomasa, otpad prehrambene industrije, kućni otpad itd.) i otpadnih voda (kućne i industrijske otpadne vode, stajski gnoj) u bioplin.

Posljednjih godina sve je veća uporaba mješovitih kultura mikroorganizama i njihovih prirodnih asocijacija. U stvarnoj biološkoj situaciji u prirodi mikroorganizmi postoje u obliku zajednica različitih populacija, međusobno tijesno povezanih i ostvarujući kruženje tvari u prirodi.

Glavne prednosti mješovitih usjeva u usporedbi s monokulturama su sljedeće:

Sposobnost korištenja složenih, heterogenih supstrata, često neprikladnih za monokulture;

Sposobnost mineralizacije složenih organskih spojeva;

Povećana sposobnost biotransformacije organskih tvari;

Povećana otpornost na otrovne tvari, uključujući teške metale;

Povećana otpornost na utjecaje okoliša;

Povećana produktivnost;

Moguća razmjena genetskih informacija između pojedinih vrsta zajednice.

Posebnu pozornost treba posvetiti takvoj skupini bioloških objekata kao što su enzimi-katalizatori biološkog podrijetla, čije proučavanje u primijenjenom aspektu provodi inženjerska enzimologija. Njegova glavna zadaća je razvoj biotehnoloških procesa koji koriste katalitičko djelovanje enzima, obično izoliranih iz bioloških sustava ili smještenih unutar stanica kojima je umjetno oduzeta sposobnost rasta. Zahvaljujući enzimima, brzina reakcija u usporedbi s reakcijama koje se odvijaju u odsutnosti ovih katalizatora povećava se za 10 b - 10 12 puta.

Imobilizirane biološke objekte treba izdvojiti kao zasebnu granu stvaranja i uporabe bioloških objekata. Imobilizirani objekt je harmoničan sustav, čije je djelovanje općenito određeno pravilnim odabirom tri glavne komponente: biološkog objekta, nosača i načina vezivanja objekta za nosač.

Uglavnom se koriste sljedeće skupine metoda za mobilizaciju bioloških objekata:

Uključivanje u gelove, mikrokapsule;

Adsorpcija na netopljive nosače;

Kovalentno vezanje za nosač;

Unakrsno povezivanje s bifunkcionalnim reagensima bez upotrebe nosača;

- “samoagregacija” u slučaju intaktnih stanica.

Glavne prednosti korištenja imobiliziranih bioloških objekata su:

Visoka aktivnost;

Sposobnost kontrole mikrookruženja agenta;

mogućnost potpunog i brzog odvajanja ciljnih proizvoda;

Mogućnost organiziranja kontinuiranih procesa s ponovnim korištenjem objekta.

Kao što slijedi iz gore navedenog, u biotehnološkim procesima moguće je koristiti niz bioloških objekata karakteriziranih različitim razinama složenosti biološke regulacije, na primjer, stanične, substanične, molekularne. Pristup stvaranju cjelokupnog biotehnološkog sustava u cjelini izravno ovisi o karakteristikama pojedinog biološkog objekta.

Temeljnim biološkim istraživanjima produbljuju se i proširuju spoznaje o prirodi, a time i o mogućnostima primijenjene uporabe pojedinog biološkog sustava kao djelatnog principa biotehnološkog procesa. Skup bioloških objekata stalno se ažurira.

1.4. Glavni pravci razvoja metodabiotehnologija u veterini

Tijekom proteklih 40 - 50 godina većina se znanosti vrtoglavo razvijala što je dovelo do potpune revolucije u proizvodnji veterinarskih i medicinskih bioloških proizvoda, stvaranju transgenih biljaka i životinja s određenim jedinstvenim svojstvima. Takva su istraživanja prioritetno područje znanstvenog i tehnološkog napretka u 21. stoljeću. zauzet će vodeće mjesto među svim znanostima.

Čak i jednostavno nabrajanje komercijalnih oblika bioloških proizvoda ukazuje na neograničene mogućnosti biotehnologije. Međutim, ovo važno pitanje zaslužuje neke detalje.

Po našem mišljenju, mogućnosti biotehnologije posebno su impresivne u tri glavna područja.

Prvi je velika proizvodnja mikrobnih proteina za stočnu hranu (u početku na bazi hidrolizata drva, a potom na bazi naftnih ugljikovodika).

Važnu ulogu ima proizvodnja esencijalnih aminokiselina potrebnih za uravnotežen aminokiselinski sastav dodataka stočnoj hrani.

Uz bjelančevine, aminokiseline, vitamine i druge dodatke hrani za životinje koji povećavaju hranjivu vrijednost hrane, mogućnosti masovne proizvodnje i primjene virusnih i bakterijskih pripravaka za prevenciju bolesti ptica i domaćih životinja, za učinkovito suzbijanje štetnici poljoprivrednih biljaka, brzo se šire. Mikrobiološki pripravci, za razliku od mnogih kemijskih, imaju vrlo specifičan učinak na štetne kukce i fitopatogene mikroorganizme, bezopasni su za ljude i životinje, ptice i korisne kukce. Uz izravno uništavanje štetnika tijekom razdoblja tretiranja, oni djeluju na potomstvo, smanjujući njihovu plodnost, a ne uzrokuju stvaranje rezistentnih oblika štetnih organizama.

Potencijal biotehnologije u proizvodnji enzimskih pripravaka za preradu poljoprivrednih sirovina i stvaranje nove hrane za stoku je golem.

Drugi smjer je razvoj u interesu razvoja biološke znanosti, zdravstva i veterine. Na temelju dostignuća genetskog inženjeringa i molekularne biologije, biotehnologija može osigurati zdravstvu visoko učinkovita cjepiva i antibiotike, monoklonska antitijela, interferon, vitamine, aminokiseline, kao i enzime i druge biološke proizvode za istraživačke i terapeutske svrhe. Neki od ovih lijekova već se uspješno koriste ne samo u znanstvenim eksperimentima, već iu praktičnoj medicini i veterini.

Konačno, treći smjer je razvoj za industriju. Već danas proizvode biotehnološke proizvodnje konzumiraju ili koriste prehrambena i laka industrija (enzimi), metalurgija (uporaba određenih tvari u procesima flotacije, preciznog lijevanja, preciznog valjanja), industrija nafte i plina (uporaba niza pripravaka za složenu preradu biljne i mikrobne biomase pri bušenju bušotina, pri selektivnom čišćenju i sl.), industriji gume i boja i lakova (poboljšanje kvalitete sintetičkog kaučuka putem određenih proteinskih dodataka), kao i niz drugih industrija.

Područja biotehnologije koja se aktivno razvijaju uključuju bioelektroniku i bioelektrokemiju, bioniku i nanotehnologiju, koje koriste ili biološke sustave ili principe rada takvih sustava.

Senzori koji sadrže enzim naširoko se koriste u znanstvenim istraživanjima. Na temelju njih razvijen je niz uređaja, primjerice jeftini, precizni i pouzdani instrumenti za analizu. Pojavljuju se i bioelektronički imunosenzori, a neki od njih koriste efekt polja tranzistora. Na temelju njih planira se stvoriti relativno jeftine uređaje koji će moći odrediti i održavati na zadanoj razini koncentraciju širokog spektra tvari u tjelesnim tekućinama, što bi moglo izazvati revoluciju u biološkoj dijagnostici.

Dostignuća veterinarske biotehnologije. U Rusiji se biotehnologija kao znanost počela razvijati 1896. godine. Poticaj je bila potreba za stvaranjem preventivnih i terapeutskih sredstava protiv bolesti kao što su antraks, goveđa kuga, bjesnoća, slinavka i šap i trihineloza. Krajem 19.st. Svake godine od antraksa ugine više od 50 tisuća životinja i 20 tisuća ljudi. Za 1881.-1906 Od kuge je umrlo 3,5 milijuna krava. Znatnu štetu pričinile su sakakinje koje su usmrtile konje i ljude.

Uspjesi domaće veterinarske znanosti i prakse u provođenju specifične prevencije zaraznih bolesti povezani su s velikim znanstvenim otkrićima potkraj 19. i početkom 20. stoljeća. To se odnosilo na razvoj i uvođenje u veterinarsku praksu preventivnih i dijagnostičkih lijekova za karantenske i posebno opasne bolesti životinja (cjepiva protiv antraksa, kuge, bjesnoće, alergeni za dijagnostiku tuberkuloze, sakagije itd.). Znanstveno je dokazana mogućnost priprave terapijskih i dijagnostičkih hiperimunih seruma.

Ovo razdoblje označava stvarnu organizaciju neovisne biološke industrije u Rusiji.

Od 1930. postojeći veterinarski bakteriološki laboratoriji i instituti u Rusiji počeli su se značajno širiti, a na njihovoj osnovi započela je izgradnja velikih bioloških tvornica i bioprerađivačkih pogona za proizvodnju cjepiva, seruma i dijagnostike za veterinarske svrhe. U tom razdoblju razvijaju se tehnološki procesi, znanstvena i tehnološka dokumentacija, te jedinstvene metode (standardi) za proizvodnju, kontrolu i primjenu lijekova u stočarstvu i veterini.

Tridesetih godina prošlog stoljeća izgrađene su prve tvornice za proizvodnju stočnog kvasca iz hidrolizata drva, poljoprivrednog otpada i sulfitnih tekućina pod vodstvom V. N. Shaposhnikova. Uspješno je uvedena tehnologija mikrobiološke proizvodnje acetona i butanola (slika 2).

Njegovo učenje o dvofaznosti fermentacije odigralo je veliku ulogu u stvaranju temelja domaće biotehnologije. Godine 1926. u SSSR-u su proučavani bioenergetski obrasci oksidacije ugljikovodika pomoću mikroorganizama. U narednim godinama, biotehnološki razvoj naširoko je korišten u našoj zemlji za proširenje "paleta" antibiotika za medicinu i stočarstvo, enzima, vitamina, tvari za rast i pesticida.

Od osnivanja Svesaveznog znanstveno-istraživačkog instituta za biosintezu proteinskih tvari 1963. godine, u našoj zemlji uspostavljena je velika proizvodnja biomase mikroorganizama bogate proteinima kao stočne hrane.

Godine 1966. mikrobiološka industrija je odvojena u zasebnu industriju i stvorena je Glavna uprava mikrobiološke industrije pri Vijeću ministara SSSR-a - Glavmicrobioprom.

Od 1970. godine u našoj zemlji provode se intenzivna istraživanja selekcije kultura mikroorganizama za kontinuirani uzgoj u industrijske svrhe.

Sovjetski istraživači uključili su se u razvoj metoda genetskog inženjeringa 1972. godine. Treba napomenuti da je projekt "Revertaza" uspješno proveden u SSSR-u - proizvodnja enzima "reverzne transkriptaze" u industrijskim razmjerima.

Razvoj metoda za proučavanje strukture proteina, razjašnjavanje mehanizama funkcioniranja i regulacije aktivnosti enzima otvorio je put ciljanoj modifikaciji proteina i doveo do rođenja inženjerske enzimologije. Visoko stabilni imobilizirani enzimi postaju moćan alat za katalitičke reakcije u raznim industrijama.

Sva ta postignuća dovela su biotehnologiju na novu razinu, kvalitativno drugačiju od prethodne s mogućnošću svjesnog upravljanja procesima stanične biosinteze.

Tijekom godina formiranja industrijske proizvodnje bioloških lijekova u našoj zemlji, dogodile su se značajne kvalitativne promjene u biotehnološkim metodama njihove proizvodnje:

Provedena su istraživanja kako bi se dobili perzistentni, nasljedno fiksirani, avirulentni sojevi mikroorganizama od kojih se pripremaju živa cjepiva;

Razvijene su nove hranjive podloge za uzgoj mikroorganizama, uključujući one na bazi hidrolizata i ekstrakata iz neprehrambenih sirovina;

Dobivene su visokokvalitetne hranjive podloge sirutke za leptospire i druge mikroorganizme koje je teško kultivirati;

Razvijena je metoda dubokog reaktora za uzgoj mnogih vrsta bakterija, gljivica i nekih virusa;

Dobiveni su novi sojevi i stanične linije osjetljive na mnoge viruse, što je omogućilo pripremu i proizvodnju standardnih i aktivnijih antivirusnih cjepiva;

Svi proizvodni procesi su mehanizirani i automatizirani;

Razvijene su i uvedene u proizvodnju suvremene metode koncentriranja mikrobnih kultura i liofilizacije bioloških proizvoda;

Smanjeni su troškovi energije po jedinici proizvodnje, standardizirana je i poboljšana kvaliteta bioloških proizvoda;

Poboljšana je kultura proizvodnje bioloških proizvoda.

Poklanjajući veliku pozornost razvoju veterinarskih bioloških proizvoda za prevenciju, dijagnostiku zaraznih bolesti i liječenje bolesnih životinja, naša zemlja neprestano radi na poboljšanju industrijske tehnologije i ovladavanju proizvodnjom učinkovitijih, jeftinijih i standardnijih lijekova. Glavni zahtjevi su:

Korištenje svjetskog iskustva;

Ušteda resursa;

Očuvanje proizvodnih površina;

Nabava i montaža suvremene opreme i tehnoloških linija;

Provođenje znanstvenih istraživanja na razvoju i otkrivanju novih vrsta bioproizvoda, novih i jeftinih receptura za pripremu hranjivih podloga;

Pronalaženje aktivnijih sojeva mikroorganizama u odnosu na njihova antigena, imunogena i produktivna svojstva.

Savezna državna obrazovna ustanova visokog stručnog obrazovanja „Moskovska državna akademija veterinarske medicine i biotehnologije nazvana po. K.I. Skrjabjan"

Sažetak o biotehnologiji

"Predavanje br. 1"

Posao završen

student FVM

4 tečaja, 11 grupa

Gordon Maria

Biotehnologija je disciplina koja proučava kako se organizmi koriste za rješavanje tehnoloških problema. Jednostavno rečeno, to je znanost koja proučava žive organizme u potrazi za novim načinima zadovoljenja ljudskih potreba. Na primjer, genetski inženjering ili kloniranje nove su discipline koje jednako aktivno koriste i organizme i najnovije računalne tehnologije.

Biotehnologija: ukratko

Vrlo često se pojam "biotehnologije" brka s genetskim inženjeringom, koji je nastao u 20.-21. stoljeću, ali biotehnologija se odnosi na širu specifičnost rada. Biotehnologija je specijalizirana za modificiranje biljaka i životinja putem hibridizacije i umjetne selekcije za ljudske potrebe.

Ova disciplina je čovječanstvu dala priliku da poboljša kvalitetu prehrambenih proizvoda, produži životni vijek i produktivnost živih organizama - to je ono što je biotehnologija.

Sve do 70-ih godina prošlog stoljeća ovaj se pojam koristio isključivo u prehrambenoj industriji i poljoprivredi. Tek 1970-ih znanstvenici su počeli koristiti izraz "biotehnologija" u laboratorijskim istraživanjima, poput uzgoja živih organizama u epruvetama ili stvaranja rekombinantne DNK. Ova se disciplina temelji na znanostima poput genetike, biologije, biokemije, embriologije, kao i na robotici, kemijskim i informacijskim tehnologijama.

Na temelju novih znanstvenih i tehnoloških pristupa razvijene su biotehnološke metode koje se sastoje od dva glavna stava:

• Veliki i duboki uzgoj bioloških objekata u periodičnom kontinuiranom načinu rada.
• Uzgoj stanica i tkiva u posebnim uvjetima.

Nove biotehnološke metode omogućuju manipuliranje genima, stvaranje novih organizama ili promjenu svojstava postojećih živih stanica. To omogućuje opsežnije korištenje potencijala organizama i olakšava gospodarsku aktivnost čovjeka.

Povijest biotehnologije

Koliko god čudno zvučalo, biotehnologija vuče svoje korijene iz daleke prošlosti, kada su se ljudi tek počeli baviti vinarstvom, pečenjem i drugim načinima kuhanja. Na primjer, biotehnološki proces fermentacije, u kojem su mikroorganizmi aktivno sudjelovali, bio je poznat još u starom Babilonu, gdje je bio naširoko korišten.

Biotehnologija se kao znanost počela promatrati tek početkom 20. stoljeća. Njegov utemeljitelj bio je francuski znanstvenik, mikrobiolog Louis Pasteur, a sam termin prvi je u upotrebu uveo mađarski inženjer Karl Ereki (1917.). 20. stoljeće obilježeno je brzim razvojem molekularne biologije i genetike, gdje su se aktivno koristila dostignuća kemije i fizike. Jedna od ključnih faza istraživanja bio je razvoj metoda za uzgoj živih stanica. U početku su se samo gljive i bakterije počele uzgajati u industrijske svrhe, ali nakon nekoliko desetljeća znanstvenici mogu stvoriti bilo koje stanice, potpuno kontrolirajući njihov razvoj.

Početkom 20. stoljeća aktivno se razvijaju fermentacijska i mikrobiološka industrija. U to su vrijeme napravljeni prvi pokušaji da se uspostavi proizvodnja antibiotika. U tijeku je razvoj prvih prehrambenih koncentrata, te praćenje razine enzima u proizvodima životinjskog i biljnog podrijetla. Godine 1940. znanstvenici su uspjeli dobiti prvi antibiotik - penicilin. To je postalo poticaj za razvoj industrijske proizvodnje lijekova, nastala je čitava grana farmaceutske industrije koja predstavlja jednu od stanica suvremene biotehnologije.

Danas se biotehnologije koriste u prehrambenoj industriji, medicini, poljoprivredi i mnogim drugim područjima ljudske djelatnosti. Sukladno tome, pojavili su se mnogi novi znanstveni pravci s prefiksom "bio".

Bioinženjering

Na pitanje što je biotehnologija, većina stanovništva će bez sumnje odgovoriti da nije ništa više od genetskog inženjeringa. To je djelomično točno, ali inženjerstvo je samo dio široke discipline biotehnologije.

Bioinženjering je disciplina čija je glavna djelatnost usmjerena na unapređenje zdravlja ljudi spajanjem znanja iz područja tehnike, medicine, biologije i njihovom primjenom u praksi. Puni naziv ove discipline je biomedicinsko inženjerstvo. Glavna specijalizacija joj je rješavanje medicinskih problema. Korištenje biotehnologije u medicini omogućuje modeliranje, razvoj i proučavanje novih tvari, razvoj lijekova, pa čak i spašavanje čovjeka od urođenih bolesti koje se prenose putem DNK. Stručnjaci u ovom području mogu stvoriti uređaje i opremu za provođenje novih postupaka. Zahvaljujući korištenju biotehnologije u medicini razvijeni su umjetni zglobovi, srčani stimulatori, kožne proteze i aparati srce-pluća. Uz pomoć novih računalnih tehnologija, bioinženjeri mogu pomoću računalnih simulacija stvoriti proteine ​​s novim svojstvima.

Biomedicina i farmakologija

Razvoj biotehnologije omogućio je pogled na medicinu na novi način. Razvijanjem teorijske osnove o ljudskom tijelu, stručnjaci u ovom području imaju priliku koristiti nanotehnologiju za promjenu bioloških sustava. Razvoj biomedicine dao je poticaj nastanku nanomedicine, čija je glavna djelatnost praćenje, korekcija i projektiranje živih sustava na molekularnoj razini. Na primjer, ciljana isporuka lijekova. Ovo nije kurirska isporuka iz ljekarne u vaš dom, već prijenos lijeka izravno u bolesnu stanicu tijela.

Razvija se i biofarmakologija. Proučava učinke tvari biološkog ili biotehnološkog podrijetla na tijelo. Istraživanja u ovom području znanja usmjerena su na proučavanje biofarmaceutika i razvoj metoda za njihovu izradu. U biofarmakologiji se terapeutska sredstva dobivaju iz živih bioloških sustava ili tjelesnih tkiva.

Bioinformatika i bionika

Ali biotehnologija nije samo proučavanje molekula tkiva i stanica živih organizama, to je i primjena računalne tehnologije. Tako se odvija bioinformatika. Uključuje niz pristupa kao što su:

• Genomska bioinformatika. Odnosno metode računalne analize koje se koriste u komparativnoj genomici.
• Strukturna bioinformatika. Razvoj računalnih programa koji predviđaju prostornu strukturu proteina.
• Kalkulacija. Stvaranje računalnih metodologija koje mogu kontrolirati biološke sustave.

U ovoj se disciplini koriste metode matematike, statističkog računarstva i računalne znanosti zajedno s biološkim metodama. Kao što se u biologiji koriste tehnike informatike i matematike, tako se u egzaktnim znanostima danas mogu koristiti doktrinom organizacije živih organizama. Kao u bionici. Ovo je primijenjena znanost u kojoj se principi i strukture žive prirode koriste u tehničkim uređajima. Možemo reći da je ovo svojevrsna simbioza biologije i tehnologije. Disciplinarni pristupi u bionici gledaju i na biologiju i na tehnologiju iz nove perspektive. Bionika je promatrala sličnosti i razlike između ovih disciplina. Ova disciplina ima tri podvrste – biološku, teorijsku i tehničku. Biološka bionika proučava procese koji se odvijaju u biološkim sustavima. Teorijska bionika gradi matematičke modele biosustava. A tehnička bionika primjenjuje razvoj teorijske bionike za rješavanje raznih problema.

Kao što vidite, dostignuća biotehnologije raširena su u modernoj medicini i zdravstvu, ali to je samo vrh ledenog brijega. Kao što je već spomenuto, biotehnologija se počela razvijati od trenutka kada je čovjek počeo sam pripremati hranu, a nakon toga se široko koristi u poljoprivredi za uzgoj novih rasplodnih usjeva i uzgoj novih pasmina domaćih životinja.

Stanično inženjerstvo

Jedna od najvažnijih tehnika u biotehnologiji je genetski i stanični inženjering, koji se fokusiraju na stvaranje novih stanica. Uz pomoć ovih alata čovječanstvo je uspjelo stvoriti održive stanice od potpuno različitih elemenata koji pripadaju različitim vrstama. Tako se stvara novi set gena koji ne postoji u prirodi. Genetski inženjering omogućuje osobi da dobije željene kvalitete iz modificiranih biljnih ili životinjskih stanica.

Posebno se cijene dostignuća genetskog inženjeringa u poljoprivredi. To omogućuje uzgoj biljaka (ili životinja) poboljšanih kvaliteta, takozvanih selektivnih vrsta. Uzgojna djelatnost temelji se na selekciji životinja ili biljaka s izraženim povoljnim svojstvima. Zatim se ti organizmi križaju i dobiva se hibrid sa potrebnom kombinacijom korisnih svojstava. Naravno, riječima sve zvuči jednostavno, ali dobiti željeni hibrid prilično je teško. U stvarnosti je moguće dobiti organizam sa samo jednim ili nekoliko korisnih gena. Odnosno, izvornom materijalu dodaje se samo nekoliko dodatnih kvaliteta, ali čak je i to omogućilo veliki korak u razvoju poljoprivrede.

Selekcija i biotehnologija omogućile su poljoprivrednicima da povećaju prinose, da plodovi budu krupniji, ukusniji i, što je najvažnije, otporni na mraz. Selekcija ne zaobilazi ni sektor stočarstva. Svake godine pojavljuju se nove pasmine domaćih životinja koje mogu osigurati više stoke i hrane.

Dostignuća

Znanstvenici razlikuju tri vala u stvaranju rasplodnih biljaka:

1. Kasne 80-e. Tada su znanstvenici prvi put počeli uzgajati biljke otporne na viruse. Da bi to učinili, uzeli su jedan gen od vrsta koje su se mogle oduprijeti bolestima, "presadili" ga u strukturu DNK drugih biljaka i učinili da "radi".
2. Rane 2000-te. U tom razdoblju počinju se stvarati biljke s novim potrošačkim svojstvima. Na primjer, s visokim sadržajem ulja, vitamina itd.
3. Naši dani. U idućih 10 godina znanstvenici planiraju izbaciti na tržište postrojenja za cjepiva, lijekove i postrojenja za bioregeneraciju koja će proizvoditi komponente za plastiku, boje itd.

Čak iu stočarstvu obećanja biotehnologije su uzbudljiva. Odavno su stvorene životinje koje imaju transgeni gen, odnosno posjeduju nekakav funkcionalni hormon, primjerice hormon rasta. Ali to su bili samo početni eksperimenti. Istraživanje je rezultiralo transgenskim kozama koje mogu proizvesti protein koji zaustavlja krvarenje kod pacijenata koji pate od lošeg zgrušavanja krvi.

Krajem 90-ih godina prošlog stoljeća američki znanstvenici počeli su blisko surađivati ​​na kloniranju stanica životinjskih embrija. To bi omogućilo uzgoj stoke u epruvetama, no zasad ovu metodu još treba poboljšati. No u ksenotransplantaciji (presađivanju organa s jedne vrste na drugu) znanstvenici u području primijenjene biotehnologije postigli su značajan napredak. Na primjer, svinje s ljudskim genomom mogu se koristiti kao donori, tada postoji minimalan rizik odbacivanja.

Prehrambena biotehnologija

Kao što je već spomenuto, biotehnološke metode istraživanja u početku su se koristile u proizvodnji hrane. Jogurt, kiselo tijesto, pivo, vino, pekarski proizvodi su proizvodi dobiveni prehrambenom biotehnologijom. Ovaj segment istraživanja uključuje procese usmjerene na promjenu, poboljšanje ili stvaranje specifičnih karakteristika živih organizama, posebice bakterija. Stručnjaci u ovom području znanja razvijaju nove tehnike za proizvodnju raznih prehrambenih proizvoda. Traže se i usavršavaju mehanizmi i metode za njihovu pripremu.

Hrana koju čovjek svakodnevno jede treba biti bogata vitaminima, mineralima i aminokiselinama. Međutim, od danas, prema UN-u, postoji problem opskrbe ljudi hranom. Gotovo polovica stanovništva nema dovoljno hrane, 500 milijuna je gladno, a četvrtina svjetske populacije jede nedovoljno kvalitetnu hranu.

Danas na planetu živi 7,5 milijardi ljudi, a ako se ne poduzmu mjere za poboljšanje kvalitete i količine hrane, ako se to ne učini, ljudi u zemljama u razvoju pretrpjet će razorne posljedice. I ako je lipide, minerale, vitamine, antioksidanse moguće nadomjestiti proizvodima prehrambene biotehnologije, onda je proteine ​​gotovo nemoguće nadomjestiti. Više od 14 milijuna tona proteina svake godine nije dovoljno za zadovoljenje potreba čovječanstva. Ali tu u pomoć dolazi biotehnologija. Suvremena proizvodnja proteina temelji se na umjetnom stvaranju proteinskih vlakana. Impregnirani su potrebnim tvarima, daju im se oblik, odgovarajuća boja i miris. Ovaj pristup omogućuje zamjenu gotovo svih proteina. A okus i izgled ne razlikuju se od prirodnog proizvoda.

Kloniranje

Važno područje znanja u modernoj biotehnologiji je kloniranje. Znanstvenici već nekoliko desetljeća pokušavaju stvoriti identične potomke bez pribjegavanja spolnom razmnožavanju. Proces kloniranja trebao bi rezultirati organizmom koji je sličan roditelju ne samo izgledom, već i genetskim informacijama.

U prirodi je proces kloniranja uobičajen među nekim živim organizmima. Ako osoba rodi jednojajčane blizance, oni se mogu smatrati prirodnim klonovima.

Kloniranje je prvi put provedeno 1997. godine, kada je umjetno stvorena ovca Dolly. A već krajem dvadesetog stoljeća znanstvenici su počeli govoriti o mogućnosti kloniranja ljudi. Osim toga, istražen je koncept djelomičnog kloniranja. To jest, moguće je ponovno stvoriti ne cijeli organizam, već njegove pojedinačne dijelove ili tkiva. Ako poboljšate ovu metodu, možete dobiti "idealnog donatora". Osim toga, kloniranje će pomoći u očuvanju rijetkih životinjskih vrsta ili obnavljanju izumrlih populacija.

Moralni aspekt

Iako osnove biotehnologije mogu imati presudan utjecaj na razvoj cijelog čovječanstva, ovaj znanstveni pristup u javnosti je slabo prihvaćen. Ogromna većina modernih vjerskih vođa (i nekih znanstvenika) pokušava upozoriti biotehnologe da se previše ne zanose svojim istraživanjem. To je osobito akutno kada se radi o pitanjima genetskog inženjeringa, kloniranja i umjetne reprodukcije.

S jedne strane, biotehnologija se čini svijetlom zvijezdom, snom i nadom koja će u novom svijetu postati stvarnost. U budućnosti će ova znanost čovječanstvu dati mnogo novih mogućnosti. Postat će moguće prevladati smrtonosne bolesti, fizički problemi će biti eliminirani, a osoba će, prije ili kasnije, moći postići zemaljsku besmrtnost. Iako, s druge strane, na genski fond može utjecati stalna konzumacija genetski modificiranih proizvoda ili pojava ljudi koji su stvoreni umjetno. Pojavit će se problem promjene društvenih struktura, a vjerojatno ćemo se morati suočiti i s tragedijom medicinskog fašizma.

To je ono što je biotehnologija. Znanost koja čovječanstvu može donijeti briljantne izglede stvarajući, mijenjajući ili poboljšavajući stanice, žive organizme i sustave. Ona će moći dati osobi novo tijelo, a san o vječnom životu postat će stvarnost. Ali za to ćete morati platiti znatnu cijenu.

Glavna postignuća i perspektive razvoja poljoprivredne biotehnologije

Biotehnološki pristupi omogućuju suvremenim oplemenjivačima biljaka da izoliraju pojedinačne gene odgovorne za željena svojstva i premjeste ih iz genoma jedne biljke u genom druge - transgeneza.

Zahvaljujući biotehnologiji proizvedene su biljke s poboljšanim nutritivnim svojstvima, otpornošću na herbicide i s ugrađenom zaštitom od virusa i štetnika (soja, rajčica, pamuk, papaja). GM usjevi koji se koriste u stočarstvu - kukuruz, soja, uljana repica i pamuk

Genetskim metodama dobiveni su i sojevi mikroorganizama (Ashbya gossypii, Pseudomonas denitrificans i dr.) koji proizvode desetke tisuća puta više vitamina (C, B 3, B 13 i dr.) od izvornih oblika.

Izgledi:

1. Stručnjaci za biotehnologiju razvijaju načine za povećanje količine proteina u biljkama, što će omogućiti odricanje od mesa u budućnosti.

2. Za poljoprivredni kompleks u tijeku su razvoji u smjeru poboljšanja samoobrambenih funkcija biljaka od insekata štetnika, kroz ispuštanje otrova.

3. Jedna od grana biotehnologije koja se brzo razvija je tehnologija mikrobne sinteze tvari vrijednih za čovjeka. Daljnji razvoj ove industrije podrazumijevat će preraspodjelu uloga biljne proizvodnje i stočarstva s jedne, te mikrobne sinteze s druge strane, u formiranju prehrambene baze čovječanstva.

4. Industrijska uporaba biotehnoloških dostignuća temelji se na tehnici stvaranja rekombinantnih molekula DNA. Dizajniranje potrebnih gena omogućuje kontrolu nasljednosti i vitalne aktivnosti životinja, biljaka i mikroorganizama te stvaranje organizama s novim svojstvima.

5. Kao izvori sirovina za biotehnologiju, obnovljivi izvori nejestivog biljnog materijala i poljoprivrednog otpada, koji služe kao dodatni izvor kako krmiva tako i sekundarnog goriva (bioplin) i organskih gnojiva, postaju sve važniji.

6. Biorazgradnja (recikliranje) celuloze. Potpuna razgradnja celuloze u glukozu može riješiti mnoge probleme – dobivanje velikih količina ugljikohidrata i čišćenje okoliša od šumskog otpada i poljoprivredne proizvodnje. Trenutno su geni za celulolitičke enzime već izolirani iz nekih mikroorganizama. Razvijaju se metode za njihov prijenos u kvasac, koji bi prvo mogao hidrolizirati celulozu u glukozu, a zatim je pretvoriti u alkohol.

Najnoviji napredak u medicinskoj biotehnologiji

U području medicinske biotehnologije razvijeni su interferoni - proteini koji mogu suzbiti reprodukciju virusa.

Proizvodnja humanog inzulina pomoću genetski modificiranih bakterija, proizvodnja eritropoetina (hormona koji potiče stvaranje crvenih krvnih stanica u koštanoj srži.

Postalo je moguće proizvesti polimere koji zamjenjuju ljudske organe i tkiva (bubrezi, krvne žile, zalisci, aparat srce-pluća itd.).

Masovna imunizacija (cijepljenje) postala je najdostupniji i najisplativiji način prevencije zaraznih bolesti. Dakle, tijekom 30 godina cijepljenja ruske djece protiv ospica, pojavnost ospica smanjila se za 620 puta.

Razvijene su metode za proizvodnju antibiotika. Otkriće antibiotika revolucioniralo je liječenje zaraznih bolesti. Nestale su ideje o neizlječivosti mnogih bakterijskih infekcija (kuga, tuberkuloza, sepsa, sifilis itd.).

Jedno od najnovijih dostignuća u biotehnološkoj dijagnostici je metoda biosenzora, koji "hvataju" molekule povezane s bolestima i šalju signale senzorima. Biosenzorska dijagnostika koristi se za određivanje glukoze u krvi dijabetičara. Nadamo se da će s vremenom biti moguće ugraditi biosenzore u krvne žile pacijenata kako bi se točnije pratile njihove potrebe za inzulinom.

Postalo je moguće ne samo stvarati "biološke reaktore", transgene životinje, genetski modificirane biljke, već i provoditi genetsku certifikaciju (potpuna studija i analiza genotipa osobe, koja se obično provodi odmah nakon rođenja, kako bi se utvrdila predispozicija za razne bolesti, moguće neadekvatna (alergijska) reakcija na određene lijekove, kao i sklonost određenim vrstama aktivnosti). Genetski certifikat omogućuje predviđanje i smanjenje rizika od kardiovaskularnih bolesti i raka, proučavanje i sprječavanje neurodegenerativnih bolesti i procesa starenja itd.

Znanstvenici su uspjeli identificirati gene koji su odgovorni za manifestaciju različitih patologija i doprinose produljenju životnog vijeka.

Pojavile su se mogućnosti ranog otkrivanja nasljednih bolesti i pravovremene prevencije nasljedne patologije.

Najvažnije područje medicinske biotehnologije postalo je stanično inženjerstvo, posebice tehnologija za proizvodnju monoklonskih protutijela, koja se proizvode u kulturi ili u tijelu životinje pomoću hibridnih limfoidnih stanica - hibridoma. Tehnologija monoklonskih protutijela imala je velik utjecaj na osnovna i primijenjena medicinska istraživanja i medicinsku praksu. Na temelju njih razvijeni su i korišteni novi sustavi imunološke analize - radioimunotest i enzimski imunotest. Omogućuju određivanje nestalno malih koncentracija specifičnih antigena i antitijela u tijelu.

Mikročipovi se danas smatraju najnaprednijom tehnologijom u dijagnosticiranju bolesti. Koriste se za ranu dijagnostiku zaraznih, onkoloških i genetskih bolesti, alergena, kao i u proučavanju novih lijekova.

Povezane informacije.

- 20,37 Kb

Suvremena dostignuća biotehnologije

Završeno:

Provjereno:

2011

Biotehnologija je područje ljudske djelatnosti koje karakterizira široka uporaba bioloških sustava na svim razinama u najrazličitijim granama znanosti, industrijskoj proizvodnji, medicini, poljoprivredi i drugim područjima.

Revolucionarna faza u razvoju biotehnologije bila je uporaba genskih i staničnih biotehnologija koje su se posljednjih desetljeća ubrzano razvijale i već značajno utjecale na različite aspekte ljudskog života: zdravlje, medicinu, prehranu, demografiju, ekologiju.

Prvi proizvodi genetske biotehnologije bili su biološki aktivni proteini, koji se danas u medicini široko koriste kao lijekovi. Prethodno su se tradicionalnom biotehnologijom proizvodili različiti biološki spojevi preradom velikih količina mikrobnog, životinjskog ili biljnog materijala, koristeći prirodnu sposobnost organizama da sintetiziraju te spojeve. Tako je inzulin, koji je izoliran iz gušterače svinja, ranije korišten za liječenje dijabetesa. Takav je inzulin bio skup i, štoviše, neučinkovit. Situacija se uvelike promijenila otkako je 1982. godine u Sjedinjenim Američkim Državama dobiven prvi ljudski inzulin dobiven genetski modificiranim pomoću stanica Escherichie coli.

Trenutno se mnogi biofarmaci dobiveni gensko-staničnom biotehnologijom koriste u praktičnoj medicini. Uz inzulin već se proizvode različiti interferoni, interleukini, lijekovi za hemofiliju, lijekovi protiv raka i bolova, esencijalne aminokiseline, hormon rasta, monoklonska antitijela i još mnogo toga. I ovaj se popis svake godine nadopunjuje desecima naslova. U laboratorijima i klinikama diljem svijeta neprestano se intenzivno traga i testira nove lijekove, uključujući i za tako opasne bolesti kao što su bolesti srca, različiti oblici raka, AIDS i razne virusne infekcije. Prema stručnjacima, danas se oko 25% svih lijekova u svijetu proizvodi korištenjem genetske biotehnologije.

Važna faza u razvoju suvremene gensko-stanične biotehnologije bio je razvoj metoda za proizvodnju transgenih životinja i biljaka (također se nazivaju genetski modificirani organizmi, skraćeno GMO). Transgeni organizam je organizam u svemu sličan netransgenskom, normalnom, ali koji u svim stanicama, između desetaka tisuća vlastitih gena, sadrži 1 (rijetko 2) dodatni gen (naziva se transgen), koji neobično za to u prirodi.

Tehnologija stvaranja transgenih biljaka dovela je do revolucije u proizvodnji usjeva. Omogućio je dobivanje biljaka otpornih na niz visokopatogenih virusa, gljivičnih i bakterijskih infekcija, štetočina, stvaranje biljaka s visokim udjelom vitamina A koje su otporne na hladnoću, zaslanjenost tla, sušu, biljke s poboljšanim sadržaj i sastav proteina itd. Dakle, zadiranjem u genetske programe biljaka, moguće im je dati funkciju otpornosti na različite nepovoljne okolišne stresne čimbenike. Korištenje GMO-a značajno je povećalo učinkovitost poljoprivrede, pa se ova tehnologija našla tražena na tržištu gdje su ostale mogućnosti povećanja produktivnosti (gnojiva, pesticidi i sl.) uvelike iscrpljene.

Godine 1994., nakon pažljivog sveobuhvatnog testiranja na terenu, u Sjedinjenim Državama odobrena je komercijalna prodaja prve transgene prehrambene biljke, rajčice s jedinstvenim svojstvom: može mjesecima ležati nezrela na temperaturi od 12 °C, ali čim kako se ugrije, sazrijeva za samo nekoliko sati. Od tada su mnoge druge transgene biljke puštene na tržište; Već je moguće dobiti mnogo različitih oblika soje, krumpira, rajčice, duhana i uljane repice koji su otporni na različite poljoprivredne štetnike. Na primjer, dobiven je transgenski krumpir koji je nedostupan koloradskoj zlatici. U ovom krumpiru sintetiziran je jedan od proteina zemljišnih bakterija koji je otrovan za zlaticu, ali potpuno bezopasan za ljude. Postoje transgene biljke koje mogu samostalno, bez pomoći mikroorganizama, fiksirati dušik, natrijev "zlatni" riž s visokim sadržajem vitamina A, itd.

U svijetu već postoje stada transgenih koza i krava kod kojih se u mliječnoj žlijezdi sintetiziraju medicinski korisne tvari koje se potom izlučuju u mlijeko ovih životinja. Danas je lijek mlijeko transgenih životinja koje sadrži proteine ​​poput inzulina, humanog hormona rasta, antitrombina, interferona. U Rusiji su, primjerice, genetski tehnolozi stvorili pasminu ovaca koja uz mlijeko proizvodi i enzim neophodan za proizvodnju sira; Ruski znanstvenici, zajedno s kolegama iz Brazila, uspješno rade na stvaranju transgenih koza, čije će mlijeko sadržavati farmaceutski proizvod pod nazivom faktor stimulacije kolonije granulocita, neophodan za liječenje raznih bolesti krvi, čija je potreba potrebna. ogroman u svijetu.

Mnogi istraživački centri rade na stvaranju transgenih životinja koje se koriste kao modeli za razne nasljedne ljudske bolesti. Već su dobivene transgene laboratorijske životinje s povećanom pojavnošću tumora, uzgojene su životinjske linije u čijim se tijelima reproduciraju ljudske bolesti poput anemije srpastih stanica, dijabetesa, neuroloških bolesti, artritisa, žutice, kardiovaskularnih i niza nasljednih bolesti. Takvi životinjski modeli omogućuju nam da bolje razumijemo prirodu različitih ljudskih patologija i koristimo ih za traženje učinkovitih lijekova.

U budućnosti se tehnologija transgenoze također može koristiti za stvaranje transgenih životinja koje se mogu koristiti kao izvori organa i tkiva za transplantologiju (konkretno, imaju inaktivirane antigene odgovorne za kompatibilnost tkiva). Istraživanja u ovom području već su započela na svinjama koje se smatraju mogućim kandidatima za presađivanje njihovih organa ljudima. Transgene biljke također se planiraju koristiti u medicinske svrhe. Na primjer, na njihovoj osnovi se razvijaju cjepiva koja se nazivaju "jestiva". Da bi se to postiglo, u biljku se uvodi jedan ili drugi virusni gen, koji osigurava sintezu odgovarajućeg proteina koji ima svojstva antigena. Konzumiranje ove biljke omogućuje osobi da postupno stekne imunitet na određeni virus. Još jedan primjer: u Japanu je stvorena sorta riže koja će omogućiti dijabetičarima bez lijekova, budući da njezina konzumacija potiče gušteraču da sintetizira vlastiti inzulin.

Vjerojatno su zapaženi uspjesi u području stvaranja GMO-a poslužili kao poticaj za pojavu još jednog važnog područja biotehnologije genskih stanica - genske terapije 1990. Uz pomoć genske terapije, "dobar" gen može se dostaviti stanicama koje pate od genske disfunkcije, čime se može kompenzirati "loš" gen. Istina, ponekad je bolest uzrokovana prekomjernim radom pojedinih gena koji su neuobičajeni za normalnu stanicu (na primjer, tijekom virusne infekcije). U takvim slučajevima, naprotiv, treba suzbiti rad "štetnog" gena. Jedan od pristupa koji najviše obećava tome je RNA interferencija - proces potiskivanja rada gena pomoću fragmenata RNA molekula, čiji su mehanizam otkrili A. Fire i K. Mello (i opet Nobelova nagrada za fiziologiju odn. Medicina za 2006.). Sve to danas pokušavaju uz pomoć genske terapije. Meta za gensku terapiju mogu biti i tjelesne stanice (somatske stanice) i spolne stanice (jajne stanice, spermij). U slučaju nasljednih bolesti, zametne bi stanice mogle biti prikladnije za gensku terapiju, čija bi korekcija trebala ustrajati u potomstvu. Međutim, u praktičnom smislu, somatska terapija je sada od većeg interesa, a genska terapija zametnih stanica je problem u dalekoj budućnosti, iako bi se u stvarnosti nasljedne bolesti mogle jednom zauvijek izliječiti djelovanjem specifično na zametne stanice ili embrionalne stanice u rane faze razvoja. Uvedeni gen, koji je ušao kao rezultat umjetnog prijenosa u mnoge stanice embrija koje se intenzivno dijele, može spriječiti razvoj bolesti. Ali ova vrsta genske terapije povezana je s nizom problema, kako tehničkih, tako i uglavnom etičkih. Konkretno, postoji zabrinutost da bi se ovaj pristup mogao koristiti za proizvodnju nove generacije "beba po narudžbi".

Trenutno se čini da je realnost samo genska terapija usmjerena na somatske stanice odraslog organizma. Od ukupnog broja poznatih bolesti čovjeka, oko 30-40% su tzv. genetske ili nasljedne bolesti. Mnoge od ovih patologija povezane su s kvarom jednog gena. Genska terapija je primjenjiva prvenstveno na takve bolesti, jer je u tim slučajevima znatno olakšan proces liječenja. Trenutno, koristeći informacije o strukturi ljudskog genoma i njegovih pojedinačnih gena, znanstvenici provode opsežnu potragu za tretmanima za mnoge tradicionalno smatrane smrtonosnim nasljednim i stečenim bolestima za ljude, za koje postoji "loš" gen i/ili njegov proizvod je poznat. Prije svega, to su bolesti kao što su hemofilija, cistična fibroza, nedostatak adenozin deaminaze, Duchenneova mišićna distrofija, Parkinsonova bolest, Alzheimerova bolest, razne kardiovaskularne patologije itd. Tako su u SAD-u i Velikoj Britaniji provedena ispitivanja na pacijentima s defekt u genu koji kodira protein, neophodan za normalno funkcioniranje retine. Tijekom operacija tim su pacijentima ubrizgane "zdrave" kopije oštećenog gena u stražnji dio jednog oka. Nakon šest mjeseci, pacijenti koji su prije genske terapije mogli razlikovati samo pokrete ruke, mogli su vidjeti sve crte na tablici testa vida. Postoje određeni uspjesi u korištenju genske terapije za liječenje niza nenasljednih patologija (određeni oblici raka, ishemija) i zaraznih bolesti (AIDS, hepatitis). Trenutačno je više od 600 protokola kliničkih ispitivanja koji koriste gensku i gensko-staničnu terapiju već odobreno u različitim zemljama svijeta.

Tehnologija genske terapije doživjela je značajne promjene tijekom godina. U ranim stadijima, za prijenos gena u tijelo, uglavnom su se oslanjali na prirodnu sposobnost virusa koji nose terapeutski gen da prodru i umnože se u stanicama. Sada je vrijeme da nanobiotehnologija sudjeluje u tome. Već je započeo razvoj pristupa ciljanom prijenosu gena u određene vrste stanica pomoću nanočestica koje na svojoj površini sadrže protutijela na specifične antigene tih stanica. Takve nanočestice “nakrcane” genima i antitijelima ciljano se kreću u tijelu do zahvaćenih područja i imaju ciljani terapeutski učinak. No, unatoč svim pozitivnim rezultatima genske terapije, ona je i dalje neučinkovita. Ključni problemi kao što su ciljana isporuka gena i njihovo dugoročno i učinkovito funkcioniranje u zahvaćenim tkivima ostaju neriješeni. Budućnost genske terapije uvelike ovisi o rješavanju ovih problema.

Uspjeh genskih biotehnologija uvelike je bio olakšan usporednim razvojem staničnih biotehnologija. Jedno od važnih postignuća bila je proizvodnja i uzgoj matičnih stanica. Krajem 70-ih godina prošlog stoljeća dobiveni su uvjerljivi podaci o mogućnosti primjene transplantacije matičnih stanica koštane srži u liječenju akutne leukemije. Od tog vremena počinje nova era u medicini. Prvo su takozvane embrionalne matične stanice dobivene iz mišjih embrija, a potom i iz ljudskih embrija. Potonji je događaj prepoznat kao jedno od tri najznačajnija postignuća u biologiji 20. stoljeća (uz otkriće dvostruke spirale DNK i potpuno dekodiranje ljudskog genoma).

Značajan napredak u suvremenoj biotehnologiji dogodio se u vezi s razvojem tehnologije reproduktivnog kloniranja životinjskih organizama, tj. umjetno dobivanje identičnih kopija takvih organizama. Prije 10-ak godina digla se nevjerojatna frka oko rođenja ovčice Dolly za koju sada svi znaju.

Biološke tehnologije (biotehnologije) omogućuju kontroliranu proizvodnju korisnih proizvoda za različite sfere ljudske djelatnosti, temeljene na korištenju katalitičkog potencijala bioloških agenasa i sustava različitog stupnja organizacije i složenosti - mikroorganizama, virusa, biljnih i životinjskih stanica i tkiva, kao i izvanstanične tvari i stanične komponente.

Razvoj i transformacija biotehnologije potaknuti su dubokim promjenama koje su se dogodile u biologiji u proteklih 25-30 godina. Ovi događaji su se temeljili na novim idejama u području molekularne biologije i molekularne genetike. Pritom treba napomenuti da su razvoj i postignuća biotehnologije usko povezani s korpusom znanja ne samo bioloških znanosti, već i mnogih drugih.

Širenje praktične sfere biotehnologije također je posljedica socioekonomskih potreba društva. Takvi hitni problemi s kojima se suočava čovječanstvo na pragu 21. stoljeća, kao što su nedostatak čiste vode i hranjivih tvari (osobito proteina), zagađenje okoliša, nedostatak sirovina i energetskih resursa, potreba za dobivanjem novih, ekološki prihvatljivih materijala, razvoj novih dijagnostički i terapijski alati, ne mogu se riješiti tradicionalnim metodama. Stoga, kako bi se osigurala podrška ljudskom životu, poboljšala kvaliteta života i njegovo trajanje, postaje sve potrebnije ovladati temeljno novim metodama i tehnologijama.

Razvoj znanstvenog i tehnološkog napretka, popraćen povećanjem stope materijalnih i energetskih resursa, nažalost, dovodi do neravnoteže u procesima biosfere. Vodeni i zračni bazeni gradova su zagađeni, reproduktivna funkcija biosfere je smanjena, a zbog nakupljanja mrtvih proizvoda tehnosfere dolazi do poremećaja globalnih ciklusa cirkulacije biosfere.

Brzi tempo suvremenog znanstveno-tehnološkog napretka čovječanstva slikovito je opisao švicarski inženjer i filozof Eichelberg: “Vjeruje se da je starost čovječanstva 600.000 godina. Zamislimo kretanje čovječanstva u obliku maratona od 60 km, koji, negdje krenuvši, ide prema središtu nekog od naših gradova, kao prema cilju... Najveći dio udaljenosti prolazi vrlo teškom stazom - kroz prašumama, a mi o tome ne znamo ništa, jer tek na samom kraju, na 58-59 km trčanja, nalazimo uz primitivne alate i pećinske crteže kao prve znakove kulture, a tek na posljednjem kilometru pojavljuju se znakovi poljoprivrede.

200 m prije cilja cesta obložena kamenim pločama vodi pored rimskih utvrda. 100 metara dalje trkači su okruženi srednjovjekovnim gradskim zgradama. Ostalo je 50 metara do cilja, gdje stoji čovjek, promatrajući trkače pametnim i punim očima - to je Leonardo da Vinci. Ostalo je još 10 m. Počinju u svjetlu baklji i slabom osvjetljenju uljanica. Ali pri dobacivanju zadnjih 5 metara događa se zapanjujuće čudo: svjetlo preplavi noćnu cestu, kola bez tegleće stoke projure, automobili šuškaju u zraku, a zadivljenog trkača zaslijepi svjetlo foto i televizijskih reflektora. kamere...”, tj. u 1 m ljudski genij čini zadivljujući skok na polju znanstvenog i tehnološkog napretka. Nastavljajući ovu sliku, možemo dodati da se, kako se trkač približava cilju, termonuklearna fuzija ukroćuje, svemirski brodovi lansiraju, a genetski kod dešifrira.

Biotehnologija je temelj znanstvenog i tehnološkog napretka i poboljšanja kvalitete ljudskog života

Biotehnologija kao polje znanja i industrijski sektor koji se dinamično razvija osmišljena je za rješavanje mnogih ključnih problema našeg vremena, osiguravajući pritom očuvanje ravnoteže u sustavu odnosa “čovjek – priroda – društvo”, jer biološke tehnologije (biotehnologije), temeljene na o korištenju potencijala živih bića, po definiciji su usmjerene na prijateljstvo i sklad čovjeka sa svijetom oko njega. Trenutno je biotehnologija podijeljena u nekoliko najznačajnijih segmenata: to su “bijela”, “zelena”, “crvena”, “siva” i “plava” biotehnologija.

"Bijela" biotehnologija uključuje industrijsku biotehnologiju, usmjerenu na proizvodnju proizvoda koje je prethodno proizvodila kemijska industrija - alkohol, vitamini, aminokiseline itd. (uzimajući u obzir zahtjeve očuvanja resursa i zaštite okoliša).

Zelena biotehnologija pokriva područje od značaja za poljoprivredu. To su istraživanja i tehnologije usmjerene na stvaranje biotehnoloških metoda i pripravaka za suzbijanje štetnika i patogena kulturnih biljaka i domaćih životinja, stvaranje biognojiva, povećanje produktivnosti biljaka, uključujući korištenje metoda genetskog inženjeringa.

Crvena (medicinska) biotehnologija je najznačajnije područje moderne biotehnologije. To je proizvodnja dijagnostike i lijekova biotehnološkim metodama uz korištenje tehnologija staničnog i genetskog inženjeringa (zelena cjepiva, genska dijagnostika, monoklonska antitijela, nacrti i proizvodi tkivnog inženjerstva itd.).

Siva biotehnologija razvija tehnologije i lijekove za zaštitu okoliša; to su rekultivacija tla, obrada otpadnih voda i plinovitih emisija, zbrinjavanje industrijskog otpada i razgradnja toksičnih tvari pomoću bioloških agenasa i bioloških procesa.

Plava biotehnologija uglavnom je usmjerena na učinkovito korištenje oceanskih resursa. Prije svega, to je korištenje morske biote za dobivanje hrane, tehničkih, biološki aktivnih i ljekovitih tvari.

Suvremena biotehnologija jedno je od prioritetnih područja nacionalne ekonomije svih razvijenih zemalja. Način povećanja konkurentnosti biotehnoloških proizvoda na prodajnim tržištima jedan je od glavnih u cjelokupnoj strategiji razvoja biotehnologije u industrijaliziranim zemljama. Poticajni čimbenik su posebno doneseni državni programi za ubrzani razvoj novih područja biotehnologije.

Državni programi predviđaju izdavanje besplatnih zajmova investitorima, dugoročnih zajmova i oslobađanja od poreza. Kako osnovna i ciljana istraživanja postaju sve skuplja, mnoge zemlje nastoje premjestiti značajna istraživanja izvan državnih granica.

Kao što je poznato, vjerojatnost uspjeha projekata istraživanja i razvoja općenito ne prelazi 12-20%, oko 60% projekata dostiže fazu tehničke dovršenosti, 30% - komercijalni razvoj, a samo 12% je profitabilno.

Značajke razvoja istraživanja i komercijalizacije bioloških tehnologija u SAD-u, Japanu, zemljama EU i Rusiji

SAD. Vodeću poziciju u biotehnologiji po industrijskoj proizvodnji biotehnoloških proizvoda, obujmu prodaje, vanjskotrgovinskom prometu, izdvajanjima i opsegu istraživanja i razvoja zauzimaju Sjedinjene Američke Države, gdje se razvoju ovog područja pridaje velika pozornost. Do 2003. godine u ovom je sektoru bilo zaposleno preko 198.300 ljudi.

Izdvajanja za ovaj sektor znanosti i gospodarstva u Sjedinjenim Državama su značajna i iznose preko 20 milijardi dolara. SAD godišnje. Prihodi američke biotehnološke industrije porasli su s 8 milijardi dolara. 1992. na 39 milijardi dolara. 2003. godine

Ova industrija je pod velikom pažnjom vlade. Dakle, u razdoblju formiranja najnovije biotehnologije i pojave njezinih pravaca vezanih uz manipulaciju genetskim materijalom, sredinom 70-ih godina. prošlog stoljeća Kongres SAD-a posvetio je veliku pozornost sigurnosti genetskih istraživanja. Samo u 1977. godini održano je 25 izvanrednih rasprava i doneseno 16 prijedloga zakona.

Početkom 90-ih. Fokus je pomaknut na razvoj mjera za poticanje praktične uporabe biotehnologije za proizvodnju novih proizvoda. Razvoj biotehnologije u Sjedinjenim Državama povezan je s rješavanjem mnogih ključnih problema: energije, sirovina, hrane i okoliša.

Među biotehnološkim područjima koja su blizu praktične primjene ili su u fazi industrijskog razvoja su sljedeća:
- biokonverzija sunčeve energije;
- korištenje mikroorganizama za povećanje prinosa nafte i ispiranje obojenih i rijetkih metala;
- dizajniranje sojeva koji mogu zamijeniti skupe anorganske katalizatore i promijeniti uvjete sinteze za dobivanje temeljno novih spojeva;
- korištenje bakterijskih stimulansa rasta biljaka, mijenjanje genotipa žitarica i njihova prilagodba na sazrijevanje u ekstremnim uvjetima (bez oranja, zalijevanja i gnojidbe);
- usmjerena biosinteza za učinkovitu proizvodnju ciljnih proizvoda (aminokiseline, enzimi, vitamini, antibiotici, aditivi u hrani, farmakološki lijekovi);
- dobivanje novih dijagnostičkih i terapijskih lijekova na temelju metoda staničnog i genetskog inženjeringa.

Uloga američkog čelnika je zbog visokih izdvajanja državnog i privatnog kapitala za temeljna i primijenjena istraživanja. Nacionalna zaklada za znanost (NSF), Odjeli za zdravstvo i ljudske usluge, poljoprivredu, energetiku, kemikalije, hranu, obranu, Nacionalnu upravu za zrakoplovstvo i svemir (NASA) i unutarnjih poslova igraju ključnu ulogu u financiranju biotehnologije. Sredstva se dodjeljuju na programsko-ciljanoj osnovi, tj. Istraživački projekti su subvencionirani i ugovoreni.

Istodobno, velika industrijska poduzeća uspostavljaju poslovne odnose sa sveučilištima i istraživačkim centrima. To doprinosi stvaranju kompleksa u jednom ili drugom području, od temeljnih istraživanja do serijske proizvodnje proizvoda i isporuke na tržište. Ovaj “sustav participacije” predviđa formiranje specijaliziranih fondova s ​​odgovarajućim stručnim vijećima i privlačenje najkvalificiranijih kadrova.

Pri odabiru projekata s velikim komercijalnim učinkom postalo je korisno koristiti takozvanu "analizu ograničenja". To vam omogućuje značajno smanjenje vremena provedbe projekta (u prosjeku od 7-10 do 2-4 godine) i povećanje vjerojatnosti uspjeha na 80%. Koncept „navedenih ograničenja“ uključuje potencijal za uspješnu prodaju proizvoda i ostvarivanje dobiti, povećanje godišnje proizvodnje, konkurentnost proizvoda, potencijalni rizik sa aspekta prodaje, mogućnost restrukturiranja proizvodnje uzimajući u obzir nova dostignuća i dr.

Ukupna godišnja potrošnja američke vlade na istraživanje genetskog inženjeringa i biotehnologije iznosi milijarde dolara. Ulaganja privatnih tvrtki znatno premašuju ove brojke. Samo za stvaranje dijagnostičkih i lijekova protiv raka godišnje se izdvaja nekoliko milijardi dolara. To su uglavnom sljedeća područja: metode rekombinacije DNA, proizvodnja hibrida, proizvodnja i uporaba monoklonskih protutijela, kultura tkiva i stanica.

U Sjedinjenim Državama postalo je uobičajeno da tvrtke koje prethodno nisu bile povezane s biotehnologijom počnu stjecati udjele u postojećim tvrtkama i graditi vlastita biotehnološka poduzeća (Tablica 1.1). To je, primjerice, praksa takvih kemijskih divova kao što su Philips Petrolium, Monsanto, Dow Chemical. Oko 250 kemijskih tvrtki trenutno ima interese u biotehnologiji. Tako div američke kemijske industrije, tvrtka De Pont, ima nekoliko biotehnoloških kompleksa vrijednih 85-150 tisuća dolara. s osobljem od 700-1000 ljudi.

Slični kompleksi stvoreni su unutar strukture Monsanta, štoviše, trenutno je do 75% proračuna (preko 750 milijuna dolara) dodijeljeno području biotehnologije. Fokus ovih tvrtki je proizvodnja genetski modificiranog hormona rasta, kao i niza genetski modificiranih lijekova za veterinarsku medicinu i farmakologiju. Osim toga, tvrtke, zajedno sa sveučilišnim istraživačkim centrima, potpisuju ugovore za zajedničko istraživanje i razvoj.

Tablica 1.1. Najveći američki koncerni i farmaceutske tvrtke koje proizvode medicinske biotehnološke lijekove

Postoji mišljenje da su svi potrebni uvjeti za formiranje i razvoj biotehnologije u Sjedinjenim Državama pripremljeni rizičnim poslovanjem. Za velike tvrtke i tvrtke, rizično poslovanje je dobro uspostavljena tehnika koja im omogućuje dobivanje novih dostignuća u kraćem vremenskom razdoblju, privlačeći male tvrtke i male timove za to, umjesto da to rade sami.

Na primjer, 80-ih godina. General Electric je uz pomoć malih tvrtki počeo ovladavati proizvodnjom biološki aktivnih spojeva, a samo 1981. njegova raspodjela rizika u biotehnologiji iznosila je 3 milijuna dolara. Preuzimanje rizika malim tvrtkama daje velikim tvrtkama i korporacijama mehanizam za odabir ekonomski održivih inovacija sa snažnim komercijalnim izgledima.

NA. Voinov, T.G. Volova