Проблемы в биотехнологии и их решения

Разработаны методы, позволяющие выращивать организмы  из отдельных клеток и тканей. Благодаря генетической инженерии и слиянию клеток теперь становится возможным производить биотехнологическим методом в промышленных масштабах синтезируемые живыми организмами в ничтожных количествах. Это как уже говорилось интерферон, гормон роста человека или некоторые антитела. Так ген для гормона роста переносят в бактерию таким образом, чтобы она была способна производить его. Генетика способствует изучению закономерностей развития организма человека и появление его наследственных особенностей в том числе индивидуальных, творческих, физических и интеллектуальных особенностей.

Очевидна  роль генетики и в изучении наследственных болезней человека и способов их профилактики, лечения, а так же путем предотвращения вредного воздействия на наследственность физических и химических факторов окружающей среды. Генноинженерные методы наиболее перспективны в сельском хозяйстве, особенно в растениеводстве. Растения очень удобный объект для генных инженеров.

Теоретическое значение генетической инженерии - За короткий срок генная инженерия оказала  огромное влияние на развитие молекулярно-генетических методов и позволила существенно  продвинуться по пути познания строения и функционирования генетического  аппарата.

Возможности генной инженерии - Значительный прогресс достигнут в практической области создания новых продуктов для медицинской промышленности и лечения болезней человека

В настоящее  время фармацевтическая промышленность завоевала лидирующие позиции в  мире, что нашло отражение не только в объёмах промышленного производства, но и в финансовых средствах, вкладываемых в эту промышленность (по оценкам  экономистов, она вошла в лидирующую группу по объёму купли-продажи акций  на рынках ценных бумаг). Важной новинкой стало и то, что фармацевтические компании включили в свою сферу выведение  новых сортов сельскохозяйственных растений и животных, и тратят на это десятки миллионов долларов в год, они же мобилизировали выпуск химических веществ для быта. Добавок к продукции строительной индустрии и так далее. Уже не десятки тысяч, а возможно, несколько сот тысяч высококвалифицированных специалистов заняты в исследовательских и промышленных секторах фарминдустрии,и именно в этих областях интерес к геномным и генно-инженерным исследованиям исключительно высок. Очевидно поэтому любой прогресс биотехнологий растений будет зависеть от разработки генетических систем и инструментов, которые позволят более эффективно управлять трансгенами. Для чистого вырезания трансгенного ДНК в растительный геном, всё больше применяют заимствованные из микробной генетики системы гомологичной рекомбинации, такие как системы Cre-lox и Flp-frt. Будущее, очевидно, будет за управляемым переносом генов от сорта к сорту, основанного на применении предварительно подготовленного растительного материала, который уже содержит в нужных хромосомах участки гомологии, необходимого для гомологичного встраивания трангена. Помимо интегративных систем экспрессии, будут опробованы автономно реплицирующиеся векторы.осбый интерес представляют искуственные хромосомы растений, которые теоретически не накладывают никаких ограничений на объём вносимой теоретической информации.

Кроме этого учёные занимаются поиском  генов, кодирующих новые полезные признаки. Ситуация в этой области меняется радикальным образом, прежде всего, существованию публичных баз  данных, которые содержат информацию о большинстве генов, бактерий, дрожжей, человека и растений, а также в следствии разработки методов, позволяющих одновременно анализировать экспрессию большого количества генов с очень высокой пропускной способностью. Применяемые на практике методы можно разделить на две категории:

Методы, позволяющие вести экспрессионное профилирование: субстракционная гибридизация, электронное сравнение EST-библиотек, «генные чипы» и так далее. Они позволяют устанавливать корреляцию между тем или иным фенотипическим признаком и активностью конкретных генов.

Позиционное клонирование, заключается в создании за счет инсерционного мутагенеза мутантов с нарушениями в интересующем нас признаке или свойстве, с последующим клонированием соответствующего гена как такового, который заведомо содержит известную последовательность (инсерция).

Вышеназванные методы не предполагают ни каких изначальных сведений о генах, контролирующих тот или иной признак. Отсутствие рационального компонента в данном случае является положительным обстоятельством, поскольку неограничен нашими сегодняшними представлениями о природе и генном контроле конкретного интересующего нас признака.

Кроме всего этого группа ученых, таких  как Марк Адам (ведущий сотрудник института геномных исследований в штате Мэриленд - США, частной исследовательской компании, занимающейся исключительной работой в области картирования генов), Крэйк Вентер (директор этого института) и соавторами, разрабатывали знаменитый проект «Геном человека».

Цель  этого проекта заключалась в  выяснении последовательности оснований  во всех молекулах ДНК в клетках  человека. Одновременно была установлена  локализация всех генов, что помогло  выяснить причину многих наследственных заболеваний и этим открыло пути к их лечению. Что бы последовательно  приближаться к решению проблемы картирование генов человека, было сделано пять основных целей:

-Завершено  составление детальной генетической  карты, на которой были бы  помечены гены, отстоящие друг  от друга на расстоянии не  превышающем в среднем 2 млн.  оснований (1 млн. оснований принято  называть мегобазой);

-составлена  физическая карта каждой хромосомы  (разрешение 0.1 Мб);

-получена  карта всего генома в виде  охарактеризованных клонов (5 тыс.  оснований в клоне или 5 Кб);

-завершено  в 2004 году полное секвенирование ДНК (разрешение одного основание);

-нанесены  на полностью завершенную секвенсовую карту все гены человека (к 2005 году).

Биотехнология, как один из механизмов решения глобальных проблем

Экономическая оценка биотехнологий  и их использования в экономике  -направление в российских и зарубежных экономических исследованиях достаточно новое, более того, на сегодняшний день не существует единого классификатора биотехнологических продуктов, что определяется, прежде всего, объективной сложностью самого рынка и его продукции: биотехнология находит самое широкое отраслевое применение и, как справедливо отмечает Д. Лыткин «...границы биотехнологической индустрии ...определяются не конкретными видами и наименованиями товаров, а используемыми для производства этих товаров технологиями»³³. 
 
Имеющиеся на сегодняшний день экономические оценки позволяют обозначить следующие тенденции развития биотехнологий: 
 
1. Рынок биотехнологий — один из самых динамичных и развивающихся; 
 
2. Биотехнологии — инструмент решения глобальных проблем; 
 
3. Динамика роста данного рынка (в отличие от рыка интернет-технологий) имеет под собой реальных базис - научные достижения и реально выпускаемую продукцию; 
 
4. Экономический эффект от применения биотехнологий комплексный и «проникает» фактически во все товаропроизводящие отрасли народного хозяйства. 
Биотехнологии, их активное использование в медицине, сельском хозяйстве, и промышленности фактически открывают новую эпоху в решении глобальных проблем мирового хозяйства. 
 
Начиная с середины XX в. перед человечеством со всей очевидностью встал целый ряд проблем, решение которых напрямую влияет на существование, более того, на выживание человечества. Это глобальные проблемы. Из них, пожалуй, наиболее значимыми являются следующие: 
 
Продовольственная проблема 
 
Использование биотехнологий позволяет радикально повысить отдачу от сельскохозяйственных производств. Во-первых, за счет изменения геномов растений, что позволяет, в зависимости от видов модификаций гена, повысить урожайность растений, сделать растения устойчивыми к вредным насекомым (в частности, известен пример генно-модифицированного картофеля, устойчивого к колорадскому жуку), к гербицидам и к климатическим условиям. Во-вторых, биотехнологии позволяют существенно расширить кормовую базу животноводства (за счет применения получаемых биотехнологическим путем белково-витаминных добавок или отдельных жизненно важных аминокислот). 
 
Наконец, на сегодняшний день на мировых торговых площадках представлены генно-модифицированные фрукты (яблоки, папайя), овощи (картофель) и бобовые, прежде всего ГМ-соя, которая, по данным Международной службы по внедрению агропромышленных биотехнологий (International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications - ISAAA), составляет порядка 46% от общих посевов сои в мире. Симптоматичны также данные по другим культурам (хлопок — 20%, канола —11%, маис — 7%).  
 
Демографическая проблема 
 
По данным Организации по делам биотехнологической промышленности (Biotechnology Industry Organization - BIO) порядка 155 лекарств и вакцин, при производстве которых использовались биотехнологии, получили одобрение Управления США по продовольствию и лекарственным средствам (U.S. Food and Drug Administration - FDA), эти средства применялись при лечении порядка 325 миллионов человек по всему миру (причем большая часть этих лекарств, порядка 70%, вышли на рынок за последние 6 лет). 
 
С биотехнологиями связано и ближайшее будущее массовой медицины, самыми серьезными вызовами для которой на сегодняшний день является неизлечимость ряда массовых заболеваний, в частности, СПИДа, рака на поздних стадиях, рассеянного склероза, диабета и других. По данным ВЮ, на стадии клинических испытаний, на сегодняшний день, находятся порядка 370 лекарств и вакцин, применение которых в перспективе может сделать излечение этих заболеваний реальностью. 
 
Энергетическая проблема 
 
С точки зрения решения данной глобальной проблемы актуальными могут являться следующие направления (здесь хотелось бы особенно подчеркнуть, что ниже перечислены те прикладные направления применения биотехнологиий, которые либо уже активно используются в производстве (в т.ч. и в России), либо же те, которые перешли из стадии НИР (научно-исследовательских работ) в стадию ОКР (опытно-конструкторские разработки): 
 
Повышение нефтеотдачи — регулирование микрофлоры пластов с целью продуцирования нефтевытесняющих соединений, применение полимеров (на базе акриламида), микробных полисахаридов и др. эмульгирующих спецагентов. Микробиологический метод ИНМИ РАН внедрен в практику АО «Татнефть», в результате чего получено дополнительно 400 тыс. т. нефти. 
 
Удаление метана из угольных пластов- с использованием-метанотрофных бактерий. 
 
Добыча меди, урана, благородных металлов, цинка, кобальта, никеля, редких и других металлов. В России (Учалинский ГОК) проведены опытно-промышленные испытания бактериально-химического выщелачивания меди из забалансовых руд и показана высокая его экономичность. 
 
Вовлечение в эксплуатацию месторождений рудного золота и переработка упорных золотосодержащих концентратов. В России 75% прогнозных ресурсов сосредоточено именно в рудных месторождениях. На Олимпиадинской золото-извлекательной фабрике проектируется промышленное производство по биотехнологии, позволяющей извлечение 96—98% золота. 
 
- Борьба с биокоррозией нефтепроводов и других коммуникаций. 
 
Экологические проблемы 
 
С точки зрения решения разных аспектов экологической проблемы особое значение имеют следующие направления биотехнологии: 
 
Разработка методов комплексной биотехнологической оценки конкретной эколотческой ситуации в экологически неблагополучных регионах; применение комплексных биопрепаратов и биотехнологий для устранения локальных экологических катастроф; использование технологий биоремедиации локальных природных регионов с восстановлением оптимального микробиологического и химического состава почв, почвенных вод, природных водоемов, рек, ручьев и т. д.; разработка биотехнологических способов уничтожения химического оружия; аэробная и анаэробная переработка промышленных отходов и очистка сточных вод; биофильтрация, дезодорирование и обеззараживание воздуха³⁴. 
 
Проблемы здоровья и медицины 
 
Люди более знакомы с медицинскими приложениями биотехнологии. Стволовые клетки и клонирование заняли весьма заметное место в национальной и международной политике. Стволовые клетки - это формирующиеся в организме на ранних стадиях клетки, которые, развиваясь, становятся различными тканями. Они успешно заменяют или ремонтируют поврежденную ткань на животных моделях и сулят большие перспективы в лечении таких заболеваний человека, как болезнь Альцгеймера и диабет. Хотя подавляющее большинство людей согласно, что клонирование для воспроизводства людей (репродуктивное клонирование) неприемлемо, терапевтическое клонирование, при котором процесс клонирования используется только для сбора стволовых клеток, горячо обсуждается. Терапевтическое клонирование может обеспечить стволовые клетки, идеально подходящие пациенту, что сводит к минимуму серьезный риск, связанный с отторжением тканей. Эти методы очень перспективны. Однако связанные с ними этические, культурные и политические проблемы будут продолжать занимать ученых и политиков в обозримом будущем. 
 
Фундаментальное медицинское приложение биотехнологии - открытие лекарств. Начиная с древних времен, люди находили лекарства в природе методом проб и ошибок. Сейчас геномика и параллельная ей область, которая изучает белки - протеомика - позволяют нам открывать лекарства более целенаправленно. Автоматизация проб биохимического связывания в малых чипах, называемых микроматрицами, позволяет ученым за очень короткое время сортировать тысячи химических соединений по их эффективности против белков, вызывающих заболевания. Анализируя микроматрицы, можно быстро измерить активность тысяч генов. Многие исследователи используют этот инструмент для определения ранней генной активности, когда люди инфицируются патогенами. В будущем будут разработаны быстрые нехирургические проверки, особенно важные при инфекциях, когда необходимо немедленное лечение, чтобы сократить их распространение и спасти жизнь людям, в том числе при инфекциях вследствие биологических терактов. Разрабатываются нанодатчики из частиц, которые примерно в 50 000 раз меньше диаметра человеческого волоса, для определения белковой и генной экспрессии в отдельных клетках организма, что позволяет оценивать здоровье клеток на ранних стадиях заболевания. Правительство США тратит миллионы долларов на нанодатчики, которые можно помещать в кровь астронавтов для постоянного мониторинга их подверженности воздействию космической радиации. 
 
Еще одно перспективное направление - генная терапия, при которой гены вводятся в заболевшие органы или ткани организма для преодоления метаболического дефицита или иного заболевания. Применение вирусов для доставки генов оказалось рискованным для здоровья людей, так что опыты с этими вирусами спорны. Соединение нанотехнологии с биотехнологией обеспечит более безопасные методы доставки генов, не основанные на вирусах. Химически синтезированные наночастицы, несущие гены или препараты непосредственно в пораженные клетки, в настоящее время испытываются на животных. 
 
Биотехнология также играет важную роль в профилактике заболеваний. Вакцины, полученные методами рекомбинантных ДНК, обычно безопаснее традиционных вакцин, поскольку они содержат изолированные вирусные или бактериальные белки, а не убитые или ослабленные болезнетворные вещества.

Заключение

В медицине биотехнологические приемы и методы играют ведущую роль при создании новых биологически активных веществ  и лекарственных препаратов, предназначенных  для ранней диагностики и лечения  различных заболеваний. Антибиотики - самый большой класс фармацевтических соединений, получение которых осуществляется с помощью микробиологического синтеза. Созданы генноинженерные штаммы кишечной палочки, дрожжей, культивируемых клеток млекопитающих и насекомых, используемые для получения ростового гормона, инсулина и интерферона человека, различных ферментов и противовирусных вакцин. Изменяя нуклеотидную последовательность в генах, кодирующих соответствующие белки, оптимизируют структуру ферментов, гормонов и антигенов (так наз. белковая инженерия). Важнейшим открытием явилась разработанная в 1975 Г. Келером и С. Мильштейном техника использования гибридом для получения моноклональных антител желаемой специфичности. Моноклональные антитела используют как уникальные реагенты, для диагностики и лечения различных заболеваний.

Вклад биотехнологии в сельскохозяйственное производство заключается в облегчении традиционных методов селекции растений и животных и разработке новых  технологий, позволяющих повысить эффективность  сельского хозяйства. Во многих странах  методами генетической и клеточной  инженерии созданы высокопродуктивные и устойчивые к вредителям, болезням, гербицидам сорта сельскохозяйственных растений. Разработана техника оздоровления растений от накопленных инфекций, что особенно важно для вегетативно размножаемых культур (картофель и др.). Как одна из важнейших проблем биотехнологии во всем мире широко исследуется возможность управления процессом азотфиксации, в том числе возможность введения генов азотфиксации в геном полезных растений, а также процессом фотосинтеза. Ведутся исследования по улучшению аминокислотного состава растительных белков. Разрабатываются новые регуляторы роста растений, микробиологические средства защиты растений от болезней и вредителей, бактериальные удобрения. Генноинженерные вакцины, сыворотки, моноклональные антитела используют для профилактики, диагностики и терапии основных болезней сельскохозяйственных животных. В создании более эффективных технологий племенного дела применяют генноинженерный гормон роста, а также технику трансплантации и микроманипуляций на эмбрионах домашних животных. Для повышения продуктивности животных используют кормовой белок, полученный микробиологическим синтезом.

Биотехнологические  процессы с использованием микроорганизмов  и ферментов уже на современном  техническом уровне широко применяют  в пищевой промышленности. Промышленное выращивание микроорганизмов, растительных и животных клеток используют для получения многих ценных соединений -- ферментов, гормонов, аминокислот, витаминов, антибиотиков, метанола, органических кислот (уксусной, лимонной, молочной) и т. д. С помощью микроорганизмов проводят биотрансформацию одних органических соединений в другие (например, сорбита во фруктозу). Широкое применение в различных производствах получили иммобилизованные ферменты. Для выделения биологически активных веществ из сложных смесей используют моноклональные антитела. А. С. Спириным в 1985-88 разработаны принципы бесклеточного синтеза белка, когда вместо клеток применяются специальные биореакторы, содержащие необходимый набор очищенных клеточных компонентов. Этот метод позволяет получать разные типы белков и может быть эффективным в производстве. Многие промышленные технологии заменяются технологиями, использующими ферменты и микроорганизмы. Таковы биотехнологические методы переработки сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов, очистки и использования сточных вод для получения биогаза и удобрений. В ряде стран с помощью микроорганизмов получают этиловый спирт, который используют как горючее для автомобилей (в Бразилии, где топливный спирт широко применяется, его получают из сахарного тростника и других растений). На способности различных бактерий переводить металлы в растворимые соединения или накапливать их в себе основано извлечение многих металлов из бедных руд или сточных вод.

Дальнейший  прогресс человечества во многом связан с развитием биотехнологии. Вместе с тем необходимо учитывать, что  неконтролируемое распространение  генноинженерных живых организмов и продуктов может нарушить биологический баланс в природе и представлять угрозу здоровью человека.

Список использованной литературы

1. Н.П.  Дубинин - «Очерки о генетике»  2004

2. Н.С.  Егоров, А.В. Олескин - Биотехнология: Проблемы и перспективы 2005

3. Н.  Гингерц, Р. Сэвидж - «Гибридные клетки» 2003

4. Ю.Ю.  Глеба, К.М. Сытник - «Клеточная инженерия» 2004

5. Т.  Маниатис - «Методы генетической инженерии» 2004

6. А.В.  Акуличева, А.С. Гинзбург - «Генетика и наследственность» 2002

7. М.Е.  Лобашев, К.В. Ватти - «Генетика с основами селекции» 2002