Современное развитие и перспектива развития науки биотехнология

ВВЕДЕНИЕ

 

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

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

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

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

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

Промышленная биотехнология, где рассматриваются общие принципы осуществления биотехнологических процессов, происходит знакомство с  основными объектами и сферами  применения биотехнологии, рядом крупномасштабных промышленных биотехнологических производств, использующих микроорганизмы.

Клеточная инженерия. Основная цель этого раздела – знакомство с методами ведения культур клеток и практическим использованием этих объектов. В рамках этого раздела  выделяют культивирование растительных клеток и  методы культивирования  животных клеток, так как подходы  к культивированию этих объектов различаются в силу их принципиальных биологических различий. Клеточная  биотехнология обеспечила ускоренное получение новых важных форм и  линий растений и животных, используемых в селекции на устойчивость, продуктивность и качество; размножение ценных генотипов, получение ценных биологических препаратов пищевого, кормового и медицинского назначения.

Генная инженерия. Высшим достижением современной биотехнологии  является генетическая трансформация, перенос чужеродных генов и других материальных носителей наследственности в клетки растений, животных и микроорганизмов, получение трансгенных организмов с новыми или усиленными свойствами и признаками. По своим целям и  возможностям в перспективе это  направление является стратегическим. Оно позволяет решать коренные задачи селекции биологических объектов на устойчивость, высокую продуктивность и качество продукции при оздоровлении экологической обстановки во всех видах  производств. Однако для достижения этих целей предстоит преодолеть огромные трудности в повышении  эффективности генетической трансформации  и прежде всего в идентификации  генов, создании их банков клонирования, расшифровке механизмов полигенной детерминации признаков и свойств  биологических объектов, обеспечении  высокой экспрессии генов и создании надежных векторных систем.

Современная биотехнология  тесно стыкуется с рядом научных  дисциплин, осуществляя их практическое применение или же являясь их основным инструментом (рисунок 1).

Рисунок 1. Связь биотехнологии с другими науками ( по В.И.Кефели, 1989)

В молекулярной биологии использование  биотехнологических методов позволяет  определить структуру генома, понять механизм экспрессии генов, смоделировать  клеточные мембраны с целью изучения их функций и т.д. Конструирование  нужных генов методами генной и клеточной  инженерии позволяет управлять  наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов  и создавать организмы с новыми полезными для человека свойствами, ранее не наблюдавшимися в природе.  Микробиологическая промышленность в  настоящее время использует тысячи штаммов различных микроорганизмов. В большинстве случаев они  улучшены путем индуцированного  мутагенеза и последующей селекции. Это позволяет вести широкомасштабный синтез различных веществ.

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

В ветеринарии широко используются такие биотехнологические методы, как  культура клеток и зародышей, овогенез in vitro, искусственное оплодотворение. Все это свидетельствует о  том, что биотехнология станет источником не только новых продуктов питания  и медицинских препаратов, но и  получения энергии и новых  химических веществ, а также организмов с заданными свойствами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. СОВРЕМЕННОЕ РАЗВИТИЕ И ПЕРСПЕКТИВА РАЗВИТИЯ НАУКИ БИОТЕХНОЛОГИЯ

 

   Современное развитие биотехнологии. С древних времен известны отдельные биотехнологические процессы, используемые в сферах практической деятельности человека. К ним относятся хлебопечение, виноделие, пивоварение, приготовление кисломолочных продуктов и т. д. Наши предки не имели представления о сути процессов, лежащих в основе таких технологий, но в течение тысячелетий, используя метод проб и ошибок, совершенствовали их. Биологическая сущность этих процессов была выявлена лишь в XIX в. благодаря научным открытиям Л. Пастера. Его работы послужили основой  для развития производств с использованием разнообразных видов микроорганизмов. В первой половине XX в. стали применять микробиологические процессы для промышленного получения ацетона и бутанола, антибиотиков, органических кислот, витаминов, кормового белка. Успехи, достигнутые во второй половине XX в. в области цитологии, биохимии, молекулярной биологии и генетики, создали предпосылки для управления элементарными механизмами жизнедеятельности клетки, что способствовало бурному развитию биотехнологии. Благодаря селекции высокопродуктивных штаммов микроорганизмов, эффективность биотехнологических процессов увеличилась в десятки и сотни раз.

 

1. Перспективы развития биотехнологии

 

     Все шире на промышленной основе применяется метод вегетативного размножения сельскохозяйственных растений культурой ткани. Он позволяет не только быстро размножить новые перспективные сорта растений, но и получить незараженный вирусами посадочный материал. Биотехнология позволяет получать экологически чистые виды топлива путем биопереработки отходов промышленного и сельскохозяйственного производств. Например, созданы установки, в которых используются бактерии для переработки навоза и других органических отходов. Из 1 т навоза получают до 500 м3 биогаза, что эквивалентно 350 л бензина, при этом качество навоза как удобрения улучшается. Биотехнологические разработки находят все большее применение в добыче и переработке полезных ископаемых.    

      В основе промышленного использования достижений биологии лежит техника создания рекомбинантных молекул ДНК. Конструирование нужных генов позволяет управлять наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми свойствами. В частности, возможно управление процессом фиксации атмосферного азота и перенос соответствующих генов из клеток микроорганизмов в геном растительной клетки.

        Биотехнологии, основанные на достижениях микробиологии, наиболее экономически эффективны при комплексном их применении и создании безотходных производств, не нарушающих экологического равновесия. Их развитие позволит заменить многие огромные заводы химической промышленности экологически чистыми компактными производствами.

Центральная проблема биотехнологии - интенсификация биопроцессов как  за счет повышения потенциала биологических  агентов и их систем, так и за счет усовершенствования оборудования, применения биокатализаторов (иммобилизованных ферментов и клеток) в промышленности, аналитической химии, медицине.

        В качестве источников сырья для биотехнологии все большее значение будут приобретать воспроизводимые ресурсы не пищевых растительных материалов, отходов сельского хозяйства, которые служат дополнительным источником как кормовых веществ, так и вторичного топлива (биогаза), органических удобрений.

         Одной из бурно развивающихся отраслей биотехнологии считается технология микробного синтеза ценных для человека веществ. По прогнозам, дальнейшее развитие этой отрасли повлечет за собой перераспределение ролей растениеводства и животноводства с одной стороны, и микробного синтеза - с другой, в формировании продовольственной базы человечества.

         Не менее важным аспектом современной микробиологической технологии является изучения участия микроорганизмов в биосферных процессах и направленная регуляция их жизнедеятельности с целью решения проблемы охраны окружающей среды от техногенных, сельскохозяйственных и бытовых загрязнений.

         С этой проблемой тесно связаны исследования по выявлению роли микроорганизмов в плодородии почв (гумусообразовании и пополнении запасов биологического азота), в борьбе с вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур, утилизации пестицидов и др. химических соединений в почве. Имеющиеся в этой области знания свидетельствуют о том, что изменение стратегии хозяйственной деятельности человека от химизации к биологизации земледелия оправдывается как с экономической, так и с экологической точек зрения. В данном направлении перед биотехнологией может быть поставлена цель регенерации ландшафтов.

         Ведутся работы по созданию биополимеров, которые будут способны заменить современные пластмассы. Эти биополимеры имеют существенное преимущество перед традиционными материалами, так как нетоксичны и подвержены биодеградации, то есть легко разлагаются после их использования, не загрязняя окружающую среду.

 

2. Биотехнология сельскохозяйственных растений. Перспективы

 

     Биотехнологические подходы позволяют современным селекционерам выделять отдельные гены, отвечающие за желаемые признаки, и перемещать их из генома одного растения в геном другого. Этот процесс гораздо более точен и избирателен, чем традиционное скрещивание, в ходе которого тысячи генов, обладающих неизвестными функциями, перемещаются из одного сорта или вида растений в другой.

     Биотехнология позволяет и то, что не под силу природе - перемещение генов между растениями, животными и микроорганизмами. Это открывает огромные возможности для улучшения качества урожая. Например, мы можем взять бактериальный ген, токсичный для болезнетворного грибка, и встроить его в геном растения. Растение при этом начинает синтезировать фунгицидный белок и в борьбе с грибком не нуждается в помощи извне.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ПРИМЕНЕНИЕ БИОТЕХНОЛОГИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ПРОДОВОЛЬСТВЕННЫХ ПРОДУКТОВ

 

Статистические данные ООН  по вопросам продовольствия и сельского  хозяйства свидетельствуют о  том, что проблема обеспечения населения  нашей планеты продуктами питания  внушает серьезные опасения. По этим данным, более половины населения  Земли не обеспечено достаточным  количеством продуктов питания, примерно 500 млн. людей голодают, а  около 2 млрд. питаются недостаточно или  неправильно. К концу XX в. население  нашей планеты с учетом контроля рождаемости составило 7,5 млрд. человек. Следовательно, тяжелое уже сейчас положение с продуктами питания  может принять в недалеком  будущем для некоторых народов  угрожающие масштабы.

 Пища должна быть  разнообразной и содержать белки,  жиры, углеводы и витамины. Источники  энергии — жиры и углеводы  в определенных пределах взаимозаменяемы,  причем их можно заменить и  белками, но белки нельзя заменить  ничем. Проблема питания людей  в конечном счете заключается  в дефиците белка. Там, где  сегодня люди голодают, не хватает  прежде всего белка. Установлено,  что ежегодный дефицит белка  в мире, по самым скромным подсчетам,  оценивается в 15 млн. т. Наибольшую  популярность как источники белка  приобрели семена масличных культур  — сои, семян подсолнечника,  арахиса и других, которые содержат  до 30 процентов высококачественного  белка. По содержанию некоторых  незаменимых аминокислот он приближается  к белку рыбы и куриных яиц  и перекрывает белок пшеницы.  Белок из сои широко уже  используется в США, Англии  и других странах как ценный  пищевой материал.