Содержание
Этапы развития биотехнологии
Биотехнология как наука возникла на стыке биологических, химических и технологических наук.
Голландский ученый Е. Хаувинк (1984) историю биотехнологии условно разделил на пять периодов (эр).
1. Допастеровская эра (до 1865).В этот период биотехнология базировалась на процессах брожения: получении пива, вина, сыра, хлеба. Опыт получения ферментированных продуктов передавался человеком из поколения в поколение на протяжении тысячелетий, хотя о причинах брожения и о том, как оно осуществляется, ему еще ничего не было известно. Только в XIX в. французский ученый Луи Пастер указал на специфическое воздействие микроорганизмов на субстрат, что послужило основой для изучения физиологии микробов. Он доказал, что представители микромира отличаются не только внешним видом, но и особенностями обмена веществ.
2. Послепастеровская эра (1866-1940).Именно в этот период освоение новых биологических методов определило развитие биохимии, вирусологии, генетики, цитологии, биофизики и других наук. Налажено производство этанола, бутанола, ацетона, глицерола, органических кислот и вакцин. Освоено производство кормовых дрожжей из углеводородов с использованием микроорганизмов, разработана аэробная очистка канализационных вод.
В.С. Буткевич и С.П. Костычев выявили общие для дыхания и брожения стадии превращения глюкозы до пировиноградной кислоты. Доказали, что органические кислоты образуются в результате жизнедеятельности грибов, что позволило создать промышленное производство лимонной кислоты. С.А. Королев и А.Ф. Войткевич разработали теоретические основы сущности микробиологических процессов при выработке, хранении и созревании молочных продуктов, значительно расширив представление о физиологии молочнокислых бактерий. Благодаря исследованиям В.Н. Шапошникова появилась возможность промышленного производства молочной кислоты, органических растворителей.
3. Эра антибиотиков (1941-1960).Спустя 12 лет после открытия зеленой кистевидной плесени Penicillium notatum, продуцирующей антибиотик, Александр Флеминг — автор открытия писал: «Не стоит трудиться ради того, чтобы получить пенициллин». Однако с началом Второй мировой войны возникла острая потребность в этом препарате. Англичане X. Флори и Э. Чейн (Оксфордский университет) получили очищенный от примесей желтый порошок пенициллина и успешно испытали его на мышах, предварительно зараженных патогенными бактериями. Получение пенициллина (в 1945 г. его производство достигло уже 0,5 т) стало важным этапом в становлении современной биопромышленности, а главные лица (А. Флеминг, X. Флори и Э. Чейн), участвовавшие в его создании, получили в 1945 г. Нобелевскую премию.
Вместе с тем, хотя биотехнологические процессы в основном связаны с микроорганизмами, уже в эти годы не менее существенную роль сыграло использование клеток животных и растений.
С начала 50-х годов XX в. вирус полиомиелита для производства вакцины выращивается в культурах клеток млекопитающих. Именно в эти годы линии культур клеток человека стали незаменимыми для выделения и выращивания ряда других вирусов, при производстве высокоспецифических белков (антител и интерферонов), в исследованиях рака и в противовирусной химиотерапии.
В этот же период широко используется культура растительной ткани, техника которой была значительно усовершенствована в 1937 г. В том же году Р. Готре разработал метод культивирования недифференцированной ткани моркови. Отделенный от родительского растения каллюс он фрагментировал и культивировал в новой культуральной среде, содержащей гормон роста — ауксин. Такие культуры тканей можно сохранять в течение десятилетий. В 1954 г. в Германии получена культура из отдельных растительных клеток. Позже подобные методы получили должное развитие. В 1957 г. специалисты добились образования у культуры корней и стеблей, предварительно обработав каллюс растительными гормонами.
В 1960 г. Э. Коккинг разработал метод ферментативного получения протопластов, слияние которых, минуя половое размножение, позволяет получать разнообразные гибриды (соматическая гибридизация).
В 1943 г. С.Э. Лурия и М. Дельбрук определяют наличие настоящих мутантов и мутаций среди бактерий. Этот год является годом становления генетики бактерий зарождения, а впоследствии — развития генной инженерии.
Начиная с 30-х годов XX в. в Советском Союзе активно работают научные школы академиков Н.П.Дубинина, С.И. Алиханяна, И.А. Раппопорта, Ю.А. Овчинникова, К.Г. Скрябина, Е.Д. Свердлова, И.Г. Атабекова, В.Г. Дебабова, Г.К.Скрябина и др., исследующие вопросы генетики популяций, эволюционной, радиационной и космической генетики, генетические основы селекции, различные аспекты химического мутагенеза и его применение для изучения строения гена, а также в области селекции сельскохозяйственных культур и промышленных микроорганизмов.
4. Эра управляемого биосинтеза (1961-1975).Производство аминокислот посредством микробных мутантов имеет наибольшее значение среди возможных способов их получения.
Советский Союз производил свыше 1 млн. т микробного белка. Была создана целая микробиологическая индустрия под руководством В. А. Быкова. Это позволяло выпускать полноценные сбалансированные корма для выращивания птицы и скота.
Химический синтез аминокислот достаточно эффективен. В нем, как правило, используется непищевое сырье, достигается высокая концентрация продукта, возможна организация непрерывного производства при высокой автоматизации. Однако наряду с преимуществами синтез имеет ряд недостатков. Для его проведения необходима сложная аппаратура, ему свойственна многостадийность процесса. Кроме того, в результате синтеза образуются рацемические формы аминокислот. При микробном синтезе перечисленные недостатки устраняются.
Не менее важным достижением биотехнологии в этот период было получение чистых ферментов, промышленное использование иммобилизованных ферментов и клеток. Первые шаги в этом направлении были сделаны значительно раньше: Дж. Нельсон, Е. Гриффин (1916) адсорбировали инвертазу на угле; Дж. Пфанмюллер, Г. Шлейх (1939) для обработки шкур адсорбировали протеолитические ферменты на древесных опилках; Н. Грубхофер, Д. Шмейтон (1953) впервые применили ковалентное связывание. Термин «иммобилизованные ферменты» был узаконен в 1971 г. на первой конференции по инженерной энзимологии, состоявшейся в Хенникере (США). Немалый вклад в этом направлении внесли советские ученые И. В. Березин, К. Мартинек, В. В. Можаев, Р. В. Петров, В. Т. Иванов и др.
Впервые с помощью биотехнологии в эти годы был получен биогаз, налажено производство бактериальных полисахаридов.
5. Эра новой биотехнологии (после 1975).Новая эра биотехнологии отсчитывает свое время с открытия Д. Уотсоном и Ф. Криком строения молекулы ДНК (1953). Только после этого началось использование генной и клеточной инженерии для получения агентов биосинтеза. Главными объектами исследований становятся живая клетка и молекула ДНК. Учеными различных стран созданы искусственные генетические структуры, запрограммированные на конкретные признаки. Первые работы с рекомбинантными молекулами ДНК в бывш. СССР были проведены в 1974 г. группой ученых во главе с академиком А. А. Баевым, а затем получили известность труды академиков Ю. И. Овчинникова и М. В. Иванова и их учеников. Первые публикации по результатам этих работ появились в 1975 г. Созданы бактериальные штаммы-продуценты всех типов интерферонов, продуценты гормона роста человека и ряда сельскохозяйственных животных, проинсулина человека, интерлейкина-2 и т. д.
Не менее важное направление, сформировавшееся в эти годы, — получение гибридов, моноклональных антител, гибридов из протопластов и меристемных культур, трансплантация эмбрионов. В 1975 г. Дж. Эдельман и Р. Портер путем гибридизации соматических клеток получили гибридомы, секретирующие моноклональные антитела. В Болгарии разработан метод выращивания фруктов и овощей без косточек.
Метод слияния клеток открывал возможность слить воедино даже совершенно различные микроорганизмы, включая клетки растений, животных и человека. Фузия (соматическая гибридизация) клеток, а именно так был назван метод их «слияния», создала перспективу для получения самой разной комбинации генов «родительских» пар. Так, клетки человека, синтезирующие антитела, но неспособные к быстрому росту и размножению, сливали с активно растущими раковыми клетками. В результате были получены новые клетки, способные к интенсивному росту и синтезу антител. Поскольку результаты подобных экспериментов хотя и прогнозируемы, но не всегда предсказуемы, в 1974 г. было наложено вето на проведение экспериментов, которые могли бы привести к возникновению опасных для человека последствий; многие из запретов позже удалось снять. Однако в 1975 г. было подписано международное соглашение, запрещающее разработку и внедрение «биологического оружия».
Едва развившись, дерево генной инженерии начало давать плоды. Так, выделение и внедрение генов карликовости обеспечило стремительное распространение по всему миру короткостебельных неполегающих сортов злаков, способных давать урожай зерна до 100 т/га. С помощью методов генной инженерии удалось создать ряд трансгенных растений (кукуруза, соя, сорго, рис, подсолнечник) и др. Одним из приоритетных направлений биотехнологии становится создание более продуктивных штаммов микроорганизмов для традиционных микробиологических процессов. Интенсивно развивается новое направление в биотехнологии — иммобилизация ферментов и клеток на специальных носителях, что обеспечивает многократное их использование.
Крупным международным событием стал конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития», успешно прошедший в Москве в 2002 г. и приобретший статус постоянно действующего. Итоги I и II (2003) Международных конгрессов по проблемам биотехнологии показали явный прогресс в развитии этой науки, которая все больше приобретает отраслевое значение.
Но, несмотря на эти успехи, эра новой биотехнологии только начинается. То, что ей подвластно, поражает, ибо она в состоянии изменить саму жизнь.
Объектами биотехнологических исследований являются клетки и ткани, а также биополимеры участвующие в процессах метаболизма и передачи наследственной информации.
Предыдущая12345678910111213141516Следующая
Дата добавления: 2016-02-09; просмотров: 1363;
ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:
Философия 10 класс
краткое содержание других презентаций
«Особенности социального познания» — Задачи социального познания. Социальное познание. Поработайте с источником информации. ? Проблема. Методы социального познания. Описание социальных явлений Объяснение, выявление сущности социальных явлений. Графический тест самооценки для измерения «образа» социальной структуры общества. Познание общества познание социальных явлений познание социальных процессов. Основные этапы урока. Изучая общество, учёные наблюдают, сравнивают, иногда экспериментируют.
«Духовная жизнь общества» — Новаторство в развитии культуры. Виды духовной жизни. Соответствие. Мыльные оперы, популярные блокбастеры, литературные бестселлеры. Характерные черты массовой культуры. Культура — это все виды преобразовательной деятельности человека. Диалог культур и интернационализация культуры. Составные части культуры. Ряд понятий. Какой смысл понятия «культура» является наиболее широким. Слой образованных и мыслящих людей.
«Мировоззрение» — Мировоззрение. Призыв к миру. Что такое мировоззрение. Все под одним Богом ходим, хоть и не в одного веруем. Поворот к человеку. Одна из классификаций типов мировоззрений. Роль мировоззрения в деятельности человека. О добре. Типы мировоззрений. Обыденное мировоззрение. Ненависть – сильная вражда, отвращение к кому- или чему-нибудь. Типы мировоззрения.
10) Основные этапы развития биотехнологии
О справедливости. Сильная сторона. Для всех народов нравственные основы человечества исконны и едины.
«Духовная жизнь личности» — Представление о многообразии духовной жизни. Моральные запреты. Классификация типов мировоззрения. Самовоспитание. Мировоззрение. Духовная культура. Значение мировоззрения. Духовные ориентиры личности. В человеке всё должно быть прекрасно. Потребности духа. Духовный мир человека. Знания. Философы. Духовная жизнь человека. Духовная жизнь.
«Философия и наука» — Науки об обществе. Культурология появилась в XIX веке. Классификация социально-гуманитарных наук. Социальные потребности. Какие методы использует социология? Что изучает культурология? Гносеология (эпистемология). Онтология (метафизика). Химия. Безопасность. Идеализм (сознание). Три философские традиции. К чему стремится философия? Социология, политология, социальная психология как общественные науки.
«Человек и общество в философии» — Отметим четыре основных положения. Древо философии. Проснемся же, чтобы изобличить наши заблуждения. Поблагодарим мудрую природу. Везение — это удачи. Что такое философия. Бояться смерти — это не что иное, как приписывать себе мудрость. Будьте строги к себе и мягки к другим. Определение смысла слова «философия». Любовь к мудрости. Результаты философской деятельности. Сократ. Мудрый человек. Рациональная отрасль духовной культуры.
Всего в теме «Философия 10 класс» 17 презентаций
5klass.net>Философия 10 класс>Научно-техническая революция> Слайд 39
Этапы развития биотехнологии.
Лекция 1. Введение в биотехнологию.
Биотехнология как наука, предмет, объекты и основные цели. Связь биотехнологии с биологическими, техническими и другими науками.
Название науки «Биотехнология» происходит от греческих слов «bios» — жизнь, «teken» — искусство, «logos» — слово, учение, наука.
Термин «биотехнология» был введен в 1917 г. венгерским инженером Карлом Эреки при описании процесса крупномасштабного выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. По определению Эреки биотехнология – это «все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты».
Этот термин не получил широкого распространения. В 1961 году к нему вновь вернулись после того, как шведский микробиолог Карл Герен Хеден порекомендовал изменить название научного журнала «Journal of Microbiological and Biochemical Engineering and Technology» (Журнал микробиологической и химической инженерии и технологии), который специализировался на публикации работ по прикладной микробиологии и промышленной ферментации, на «Biotechnology and Bioengineering» (Биотехнология и биоинженерия).
Начиная с этого периода, биотехнология оказалась необратимо связанной с исследованиями в области промышленного производства товаров и услуг при участии живых организмов, биологических систем и процессов.
Определение биотехнологии в довольно полном объеме дано Европейской биотехнологической федерацией, основанной в 1978 г.
Согласно нему биотехнология – это наука, которая на основе применения знаний в области микробиологии, биохимии, генетики, генной инженерии, иммунологии, химической технологии, приборо- и машиностроения используют биологические объекты (микроорганизмы, клетки тканей животных и растений) или молекулы (нуклеиновые кислоты, белки, ферменты, углеводы и др.) для промышленного производства полезных для человека и животных веществ и продуктов.
В узком смысле биотехнология – это совокупность методов и приемов разработки и введения в сферу потребления полезных для человека продуктов, включая методы генной, клеточной и экологической инженерии.
Биотехнологические методы используются в различных отраслях промышленности и затрагивают многие сферы человеческой деятельности. Согласно этому в мире принята «цветовая» классификация биотехнологии в зависимости от областей ее применения:
1. «Красная» — обеспечение поддержки здоровья и прогрессивного развития методов лечения человека (вплоть до коррекции его генома), а также производство биофармапрепаратов (протеинов, ферментов, антител).
2. «Зеленая» — разработка и создание генетически модифицированных (ГМ) растений, устойчивых к биотическим и абиотическим стрессам; оптимизация методов ведения сельского и лесного хозяйства:
3. «Белая» — промышленная, объединяющая производство в пищевой, химической (в том числе биотопливо) и нефтеперерабатывающей индустрии;
4. «Серая» — природоохранная деятельность, биоремедиация;
5. «Синяя» — использование морских организмов и сырьевых ресурсов.
Понятие «биотехнология» может быть представлено многими определениями:
— использование биологических объектов, систем или процессов для производства необходимых продуктов или для нужд сервисной индустрии;
— комплексное применение биохимических, микробиологических и инженерных знаний с целью промышленного использования потенциальных возможностей микроорганизмов, культур клеток и отдельных компонентов или систем;
— технологическое использование биологических явлений для воспроизводства и получения (изготовления) различных типов полезных продуктов;
— приложение научных и инженерных принципов для обработки материалов биологическими агентами с целью получения необходимых продуктов или создания сервисных технологий.
Объектами биотехнологии являются вирусы, бактерии, грибы, протозойные организмы, клетки (ткани) растений, животных и человека, вещества биологического происхождения (например, ферменты, простагландины, лектины, нуклеиновые кислоты), молекулы.
Методы, применяемые в биотехнологии, определяются двумя уровнями: клеточным и молекулярным. Тот и другой определяются биообъектами.
На клеточном уровнеимеют дело с
— бактериальными клетками (для получения вакцинныхт препаратов);
— актиномицетов (при получении антибиотиков),
— микромицетов ( при получении лимонной кислоты),
— животных клеток (при изготовлении противовирусных вакцин),
— клеток человека (при изготовлении интерферона) и др.
На молекулярном уровне имеют дело с молекулами, например, с нуклеиновыми кислотами. Однако в конечной стадии молекулярный уровень трансформируется в клеточный.
Клетки микроорганизмов, животных и растений в процессе ассимиляции и диссимиляции образуют новые продукты и выделяют метаболиты разнообразного физико-химического состава и биологического действия.
На каждой стадии «биологического синтеза» клетки можно определить те продукты, которые могут быть использованы в биотехнологии.
Продукты одноклеточных делят на 4 категории:
1. Сами клетки как источник целевого продукта (например, выращенные бактерии или вирусы используют для получения живой или убитой корпускулярной вакцины; дрожжи, как кормовой белок или основу для получения гидролизатов питательных сред и т.д.)
2. Крупные молекулы, которые синтезируются клетками в процессе выращивания: ферменты, токсины, антигены, антитела, пептидогликаны и т.д.
3. Первичные метаболиты – низкомолекулярные вещества (менее 1500 дальтон), необходимы для роста клеток, такие как аминокислоты, витамины, нуклеотиды, органические кислоты.
4. Вторичные метаболиты (идиолиты) – низкомолекулярные соединения, не требующиеся для роста клеток: антибиотики, алкалоиды, токсины, гормоны.
Объекты биотехнологии из микромира варьируют в размерах от нанометров (вирусы, бактериофаги) до миллиметров и сантиметров (гигантские водоросли) и характеризуются относительно быстрым темпом размножения. В современной фармакологии используется очень широкий спектр биообъектов, группировка которых весьма сложна. Она может выполняться на основе принципа их соразмерности.
Последние успехи биологии и генной инженерии привели к появлению совершенно новых биообъектов – трансгенных бактерий (генетически модифицированных), вирусов, грибов, клеток растений, животных, человека и химер.
Биотехнология – междисциплинарная область научно-технического прогресса, возникшая на стыке биологических, химических и технических знаний и призванная к созданию новых биотехнологических процессов, которые в большинстве случаев будут осуществляться при низких температурах, требовать небольшого количества энергии и будут базироваться преимущественно на дешевых субстратах, используемых в качестве первичного сырья.
Из вышесказанного следует, что биотехнология является межотраслевой дисциплиной. Она основана на многопрофильной стратегии для решения различных проблем.
В биотехнологии применяются методы, заимствованные из химии, микробиологии, биохимии, молекулярной биологии, химической технологии и компьютерной техники с целью создания новых разработок. Главная причина успеха развития биотехнологии – стремительное развитие молекулярной биологии. Например, успехи в разработке технологии рекомбинантных молекул ДНК.
Ни для кого не секрет, что ископаемое топливо в один прекрасный день станут крайне ограниченным. Данное обстоятельство заставляет искать новые, более дешевые и лучше сохраняемые источники энергии и питания, которые могли бы восполняться биотехнологическим путем.
Этапы развития биотехнологии.
Биотехнология не является чем-то новым, ранее не известным. Она представляет собой развитие и расширение набора технологических приемов, корни которых появились тысячи лет тому назад.
Биотехнология включает многие традиционные процессы, давно известные и давно используемые человеком. Это пивоварение, хлебопечение, изготовление вина, производство сыра, приготовление многих восточных пряных соусов, а также различные способы утилизации отходов. Начало этого этапа биотехнологии теряется в глубине веков. Он продолжался примерно до XIX века.
Биотехнология формировалась и эволюционировала по мере формирования и развития человеческого общества. Условно в развитии биотехнологии можно выделить 4 этапа.
1. Эмпирический этап (emperikos – опытный от гр.) или доисторический. Это самый длительный период, который охватывает приблизительно 8000 лет (6000 лет до н.э. и около 2000 лет н.э.)
Известно, что шумеры – первые жители Месопотамии (на территории современного Ирака) – создали первую цветущую цивилизацию. Они выпекали хлеб из кислого теста, владели искусством готовить пиво. Приобретенный опыт передавался из поколения в поколение, распространялся среди соседних народов (ассирийцев, вавилонян, египтян и древних индусов). В течение нескольких тысячелетий известен уксус, который готовился в домашних условиях.
Первая дистилляция в виноделии осуществлена в XII веке, водка из хлебных злаков впервые получена в XVI веке, шампанское известно с XVIII века.
Для эмпирического периода характерно получение кисломолочных продуктов, квашенной капусты, медовых алкогольных напитков, силосование кормов.
В 1796 году Э. Дженнер впервые в истории провел прививку человеку коровьей оспы.
2. Этиологический этап(от греч. aitia – причина) – вторая половина XIX века и первая треть XX века (1856 – 1933 гг). Связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Л. Пастера (1822 – 1895) – основоположника научной микробиологии. Пастер установил микробную природу брожения, доказал возможность жизни в бескислородных условиях, создал научные основы вакцинопрофилактики и др.
В 1859 г. – Л. Пастер приготовил жидкую питательную среду, Р. Кох в 1881 году предложил метод культивирования бактерий на стерильных ломтиках картофеля и на агаризованных питательных средах. Как следствие, удалось доказать индивидуальность микробов и получить их в чистых культурах. Достижения 2-го периода:
— 1856г. — Г. Мендель открыл законы доминирования признаков и ввел понятие единицы наследственности в виде дискретного фактора, который передается от родителей потомкам.
— 1869 г. – Ф. Милер выделил «нуклеин» ДНК из лейкоцитов.
— 1883 г. – И. Мечников разработал теорию клеточного иммунитета.
— 1884 г. – Ф. Леффлер изолировал и культивировал возбудителя дифтерии.
— 1892 г. Д. Ивановский открыл вирусы.
— 1893 г. В. Оствальд установил каталитическую функцию ферментов.
— 1902 г. Г. Хаберланд показал возможность культивирования клеток растений в питательных растворах.
— 1912 г. Ц. Нейберг раскрыл механизм процессов брожения.
— 1913 г. Л. Михаэлис и М. Ментен разработали кинетику ферментативных реакций.
— 1926 г. Х. Морган сформулировал хромосомную теорию наследственности.
— 1928 г. Ф. Гриффит описал явление «трансформации» у бактерий.
— 1932 г. М. Кноль, Э. Руска изобрели электронный микроскоп.
На этом этапе во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод.
3. Биотехнический этап –1933г.
10) Основные этапы развития биотехнологии
– 1972 г. Наиболее важные достижения этого этапа:
— Внедрение в практику биореактора (ферментера, аппарата-культиватора);
— Разработка теории электрофореза;
— Обнаружение вирусов с помощью электронного микроскопа;
— Производство пенициллина в промышленных масштабах;
— Процесс конъюгации у E. Coli;
— Разработка вакцины против желтой лихорадки;
— Описание плазмиды как внехромосомного фактора наследственности;
— Расшифровка структуры ДНК;
— Прочитаны первые три буквы генетического кода аминокислоты фенилаланина; и т.д.
4. Геннотехнический периодначался в 1972 году, когда П. Берг создал первую рекомбинацию молекулы ДНК.
—метод получения моноклональных антител;
— метод анализа первичной структуры ДНК путем химической деградации;
— разрешен к применению в США первый диагностический набор моноклональных тел;
— 1982 год – в продажу поступил впервые человеческий инсулин;
— 1986 г. – метод полимеразной цепной реакции;
и т.д.
Введение
Методы биотехнологии, и ее перспективы
Биотехнология сельскохозяйственных растений. Перспективы
Повышение урожайности
Естественная защита растений
Устойчивость к гербицидам
Устойчивость к неблагоприятным факторам среды
Вывод
Список использованной литературы
Введение
Биотехнология — это наука о методах и технологиях производства различных ценных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов (микроорганизмов, растительных и животных клеток), частей клеток (клеточных мембран, рибосом, митохондрий, хлоропластов) и процессов.
Корни биотехнологии уходят в далёкое прошлое и связаны с хлебопечением, виноделием и другими способами приготовления пищи, известными человеку еще в древности. Например, такой биотехнологический процесс, как брожение с участием микроорганизмов, был известен и широко применялся еще в древнем Вавилоне, о чем свидетельствует описание приготовления пива, дошедшее до нас виде записи на дощечке, обнаруженной в 1981 г.
2. Этапы развития биотехнологии
при раскопках Вавилона.
Наукой биотехнология стала благодаря исследованиям и работам французского ученого, основоположника современной микробиологии и иммунологии Луи Пастера (1822-1895).
В ХХ веке происходило бурное развитие молекулярной биологии и генетики с применением достижений химии и физики. Важнейшим направлением исследований явилась разработка методов культивирования клеток растений и животных. И если еще совсем недавно для промышленных
целей выращивали только бактерии и грибы, то сейчас появилась возможность не только выращивать любые клетки для производства биомассы, но и управлять их развитием, особенно у растений. Таким образом, новые научно-технологические подходы воплотились в разработку биотехнологических методов, позволяющих манипулировать непосредственно генами, создавать новые продукты, организмы и изменять свойства уже существующих. Главная цель применения этих методов — более полное использование потенциала живых организмов в интересах хозяйственной деятельности человека. В 70-е годы появились и активно развивались такие важнейшие области биотехнологии, как генетическая (или генная) и клеточная инженерия, положившие начало «новой» биотехнологии, в отличие от «старой» биотехнологии, основанной на традиционных микробиологических процессах. Так, обычное производство спирта в процессе брожения – это "старая" биотехнология, но использование в этом процессе дрожжей, улучшенных методами генной инженерии с целью увеличения выхода спирта, — "новая" биотехнология.
Методы биотехнологии, ее перспективы
Генная и клеточная инженерия – являются важнейшими методами (инструментами), лежащими в основе современной биотехнологии. Методы клеточной инженерии направлены на конструирование клеток нового типа. Они могут быть использованы для воссоздания жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток, для объединения целых клеток, принадлежавших различным видам с образованием клетки, несущей генетический материал обеих исходных клеток, и других операций.
Генно-инженерные методы направлены на конструирование новых, не существующих в природе сочетаний генов. В результате применения генно-инженерных методов можно получать рекомбинантные (модифицированные) молекулы РНК и ДНК, для чего производится выделение отдельных генов (кодирующих нужный продукт), из клеток какого-либо организма. После проведения определенных манипуляций с этими генами осуществляется их введение в другие организмы (бактерии, дрожжи и млекопитающие), которые, получив новый ген (гены), будут способны синтезировать конечные продукты с измененными, в нужном человеку направлении, свойствами. Иными словами, генная инженерия позволяет получать заданные (желаемые) качества изменяемых или генетически модифицированных организмов или так называемых «трансгенных» растений и животных.
Наибольшее применение генная инженерия нашла в сельском хозяйстве и в медицине.
Люди всегда задумывались над тем, как можно научиться управлять природой, и искали способы получения, например, растений с улучшенными качествами: с высокой урожайностью, более крупными и вкусными плодами или с повышенной холодостойкостью. С давних времен основным методом, который использовался в этих целях, была селекция. Она широко применяется до настоящего времени и направлена на создание новых и улучшение уже существующих сортов культурных растений, пород домашних животных и штаммов микроорганизмов с ценными для человека признаками и свойствами.
Селекция строится на отборе растений (животных) с выраженными благоприятными признаками и дальнейшем скрещивании таких организмов, в то время как генная инженерия позволяет непосредственно вмешиваться в генетический аппарат клетки. Важно отметить, что в ходе традиционной селекции получить гибриды с искомой комбинацией полезных признаков весьма сложно, поскольку к потомству передаются очень большие фрагменты геномов каждого из родителей, в то время как генно-инженерные методы позволяют работать чаще всего с одним или несколькими генами, причем их модификации не затрагивают работу других генов. В результате, не теряя других полезных свойств растения, удается добавить еще один или несколько полезных признаков, что весьма ценно для создания новых сортов
и новых форм растений. Стало возможным изменять у растений, например, устойчивость к климату и стрессам, или их чувствительность к насекомым или болезням, распространённым в определённых регионах, к засухе и т.д. Учёные надеются даже получить такие породы деревьев, которые были бы устойчивы к пожарам. Ведутся широкие исследования по улучшению пищевой ценности различных сельскохозяйственных культур, таких как кукуруза, соя, картофель, томаты, горох и др.
Исторически, выделяют «три волны» в создании генно-модифицированных растений:
Первая волна – конец 1980-х годов – создание растений с новыми свойствами устойчивости к вирусам, паразитам или гербицидам. В растениях «первой волны» дополнительно вводили всего один ген и заставляли его «работать», то есть синтезировать один дополнительный белок. «Полезные» гены «брали» либо у вирусов растений (для формирования устойчивости к данному вирусу), либо у почвенных бактерий (для формирования устойчивости к насекомым, гербицидам).
Вторая волна – начало 2000-х годов – создание растений с новыми потребительскими свойствами: масличные культуры с повышенным содержанием и измененным составом масел, фрукты и овощи с большим содержанием витаминов, более питательные зерновые и т.д.
В наши дни ученые создают растения «третьей волны», которые в ближайшие 10 лет появятся на рынке: растения-вакцины, растения-биореакторы для производства промышленных продуктов (компонентов для различных видов пластика, красителей, технических масел и т.д.), растения — фабрики лекарств и т.д.
Генно-инженерные работы в животноводстве имеют другую задачу. Вполне достижимой целью при современном уровне технологии является создание трансгенных животных с определённым целевым геном. Например, ген какого-нибудь ценного гормона животного (например, гормона роста) искусственно внедряется в бактерию, которая начинает продуцировать его в больших количествах. Еще один пример: трансгенные козы, в результате введения соответствующего гена, могут вырабатывать специфический белок, фактор VIII, который препятствует кровотечению у больных, страдающих гемофилией, или фермент, тромбокиназу, способствующий рассасыванию тромба в кровеносных сосудах, что актуально для профилактики и терапии тромбофлебита у людей. Трансгенные животные вырабатывают эти белки намного быстрее, а сам способ значительно дешевле традиционного.
В конце 90-х годов XX в. учёные США вплотную подошли к получению сельскохозяйственных животных методом клонирования клеток эмбрионов, хотя это направление нуждается еще в дальнейших серьезных исследованиях. А вот в ксенотрансплантации – пересадке органов от одного вида живых организмов другому, — достигнуты несомненные результаты. Наибольшие успехи получены при использовании свиней, имеющих в генотипе перенесенные гены человека, в качестве доноров различных органов. В этом случае наблюдается минимальный риск отторжения органа.
Учёные также предполагают, что перенос генов поможет снизить аллергию человека к коровьему молоку. Целенаправленные изменения в ДНК коров должны привести также к уменьшению содержания в молоке насыщенных жирных кислот и холестерина, что сделает его еще более полезным для здоровья. Потенциальная опасность применения генетически модифицированных организмов выражается в двух аспектах: безопасность продовольствия для здоровья людей и экологические последствия. Поэтому важнейшим этапом при создании генно-модифицированного продукта должна быть его всесторонняя экспертиза во избежание опасности того, что продукт содержит протеины, вызывающие аллергию, токсичные вещества или какие-то новые опасные компоненты.
Биотехнология сельскохозяйственных растений. Перспективы
Начиная с каменного века люди отбирали растения с удовлетворяющими их характеристиками и сохраняли их семена на следующий год. Отбирая лучшие семена, первые агрономы осуществили первичное генетическое модифицирование растений и таким образом одомашнили их задолго до того, как были открыты основные генетические закономерности. Сотни лет фермеры и селекционеры растений пользовались перекрестным скрещиванием, гибридизацией и другими подходами к модификации генома, приводящими к увеличению урожайности, улучшению качества продукции и повышению устойчивости растений к насекомым-вредителям, болезнетворным микроорганизмам и неблагоприятным условиям среды.
По мере углубления знаний о генетике растений человек начал осуществлять целенаправленное перекрестное скрещивание (кроссбридинг) обладающих желаемыми характеристиками или не имеющих нежелательных признаков сортов растений и межвидовую гибридизацию с целью получения новых сортов, сохранивших лучшие качества обеих родительских линий. В настоящее время практически любая сельскохозяйственная культура является результатом кроссбридинга, гибридизации или применения обоих подходов. К сожалению, эти методы нередко дороги, требуют больших затрат времени, неэффективны и имеют существенные практические ограничения. Например, для создания с помощью традиционного кроссбридинга сорта кукурузы, устойчивого к определенным насекомым, потребовался бы не один десяток лет, причем без гарантированного результата.