Современные проблемы биотехнологии

Содержание:

Введение

1. История биотехнологии………………………………………………….2

2. Виды биотехнологии……………………………………………………..4

3. Роль биотехнологии в современном мире……………………………...5

4. Новейшие достижения        в области биотехнологии…………………7

Заключение

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В настоящее время человечество стоит перед проблемой экологического кризиса, т.е. такого состояния среды обитания, при котором вследствие произошедших в ней изменений среда обитания оказывается непригодной для жизни людей. Экологический кризис - это напряженное состояние взаимоотношений между человеком и природой, характеризующееся несоответствием развития производительных сил и производственных отношений в человеческом обществе ресурсно-экологическим возможностям биосферы. Загрязнением окружающей среды называется поступление или возникновение в ней новых, обычно не характерных для нее физических, химических, биологических или информационных агентов, приводящее к отрицательным последствиям. Загрязнение природной среды может возникнуть как в результате воздействия природных, естественных факторов, так и в результате хозяйственной деятельности человека. Примерами антропогенных загрязнений являются аварии и катастрофы на промышленных объектах, с выбросом радиоактивных, химических и биологических веществ. Не менее значительными и опасными являются загрязнения, связанные с обычной хозяйственной деятельностью, с работой предприятий, транспорта и т.д. Загрязнения делят на следующие группы: физические, химические, физико-химические, биологические. В России за последние несколько десятилетий в условиях ускоренной индустриализации и химизации производства подчас внедрялись экологически грязные технологии. При этом недостаточно внимания уделялось условиям, в которых будет жить человек, т.е. каким воздухом он будет дышать, какую воду он будет пить, чем он будет питаться, на какой земле жить. [1, с.8] Большие перспективы в области охраны окружающей среды и рационального природопользования имеют достижения биотехнологии.

1. История биотехнологии

Впервые термин "биотехнология" применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году. Биотехнология - это интеграция естественных и инженерных наук, позволяющая наиболее полно реализовать возможности живых организмов или их производные для создания и модификации продуктов или процессов различного назначения. Биотехнология - это производство, основанное на последних достижениях современной науки: генной инженерии, физико-химии ферментов, молекулярной диагностики, селекционной генетики, микробиологии, химии антибиотиков, комбинаторной химии. Чаще всего применяется в медицине, пищевой промышленности, также для решение проблем в области энергетики, охране окружающей среды. Современные биотехнологии защиты окружающей среды, основаны на применении биопрепаратов, в состав которых входят разнообразные бактерии (микроорганизмы), способные разлагать различные органические вещества, в том числе и те, которые загрязняют окружающую среду. Микроорганизмы - это удивительные создания природы, обладающие уникальными свойствами. Они - самые многочисленные обитатели нашей планеты. Среда обитания микроорганизмов охватывает весьма широкие зоны биосферы, зачастую с экстремальными условиями обитания, где не могут развиваться ни растения, ни животные. Их повсеместное распространение обусловлено небольшими размерами, позволяющими легко переноситься с потоками воды и воздуха, а также высокой устойчивостью к экстремальным факторам среды. Обладая высокой химической активностью, они способны к разложению органических веществ как природного, так и антропогенного происхождения. Именно на этих уникальных свойствах микроорганизмов базируется применение биотехнологии, как эффективного способа защиты и восстановления окружающей среды. Например, достижения биотехнологии позволяют разработать и создать микробные препараты для регуляции круговорота веществ в экосистемах, что позволяет решать ряд прикладных задач: биологическая очистка природных сточных вод от органических и неорганических загрязняющих веществ; утилизация твердой фазы сточных вод и твердых бытовых отходов путем сбраживания; микробное восстановление почв, в первую очередь, органическими веществами; использование микроорганизмов для нейтрализации тяжелых металлов в осадках сточных вод и загрязненных почвах; ликвидация разливов нефти и нефтепродуктов; компостирование (биологическое окисление) отходов растительности (опад листьев, соломы и др.); создание биологического активного сорбирующего материала для очистки загрязненного воздуха. По имеющимся оценкам, рынок продуктов, изготовленных в развитых странах при помощи биотехнологий, составил к 2000 году 142,5 млрд. долл. и возрос по сравнению с 1985г. в 38 раз. При этом более половины всей продукции (52,5%), произведенной с помощью биотехнологий, получено к 2000 году для производства энергии, восстановления потребительских свойств сырья и улучшения состояния окружающей среды. Поскольку многие биотехнологические процессы осуществляются в естественных условиях, это обеспечивает значительную экономию энергии и других затрат. В результате их применения образуется меньше побочных продуктов и отходов, что делает производство более эффективным и благоприятным для окружающей среды.

2. Виды биотехнологии

Биотехнология — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии.

 

 

 

 

 

  Человек уже достаточно давно вмешивается в природные процессы, причем, на клеточном уровне.

• Искусственный отбор — это размножение специально отобранных особей (животных, растений, грибов) для выведения специальных пород с нужными человеку признаками. По сути, это селекция. 
  В искусственном отборе применяют закон длящейся изменчивости — изменения, проявляющиеся в организме, сохраняются и усиливаются в следующих поколениях, если сохраняются условия образования этих изменений. 
   Выведение новых пород  — как раз один из ярких примеров искусственного отбора. Современные биотехнологии позволяют получать более устойчивые к заболеваниям виды животных и растений, более производительные сорта растений и т.д.

 

 Без изменчивости невозможно существование ни естественного, ни искусственного отбора. 

• Клонирование — получение генетически идентичных организмов с помощью бесполого размножения. Полученные таким образом организмы называют клонами. 
  Начиналось все с молекулярного клонирования — получения копий ДНК, участков генов и т.д. 
  Клонирование живых организмов (многоклеточных) стало широко известно благодаря эксперименту «Долли» — получение организма из соматической клетки — в 1997 году был получен клон овечки по имени Долли. 
  С того времени с помощью современных биотехнологий клонирования было получено множество живых организмов-клонов, например, ученые смогли воссоздать некоторые исчезнувшие виды животных.

• Гибридизация — получение организма, имеющего объединенный генетический материал двух родителей. 
  Проще говоря, любой организм, получившийся в результате полового размножения — гибрид. 
  Обычно гибридизация происходит в пределах одного вида. Биологическое обоснование этого — одинаковое количество хромосом.

• Генная инженерия — внедрение внешних генов в геном организма. После внедрения ДНК начинает реплицироваться с новой «вставкой», производя молекулы заданного формата. 
  Такая биотехнология позволила получать организмы — доноры нужных человеку клеток, организмы с нужными свойствами и т.д.

Биоинженерия —  или биомедицинская инженерия — это дисциплина, направленная на углубление знаний в области инженерии, биологии и медицины и укрепление здоровья человечества за счет междисциплинарных разработок, которые объединяют в себе инженерные подходы с достижениями биомедицинской науки и клинической практики. Биоинженерия или биомедицинская инженерия — это применение технических подходов для решения медицинских проблем в целях улучшения охраны здоровья.

 

   3. Роль биотехнологии в современном  мире

Биологические технологии (биотехнологии) обеспечивают управляемое  получение полезных продуктов для различных сфер человеческой деятельности, базируясь на использовании каталитического потенциала биологических  агентов и систем  различной степени организации и сложности – микроорганизмов, вирусов, растительных и животных клеток и тканей, а также внеклеточных  веществ  и  компонентов  клеток.  Развитие  и преобразование  биотехнологии  обусловлено  глубокими  переменами,  происшедшими  в  биологии  в  течение  последних  25–30  лет.  Основу  этих  событий  составили  новые  представления в области молекулярной биологии и молекулярной генетики. В то  же  время  нельзя  не  отметить,  что  развитие  и достижения  биотехнологии  теснейшим образом связаны с комплексом знаний не только наук биологического профиля, но также и многих других.

      Расширение  практической  сферы  биотехнологии  обусловлено  также  социально-экономическими      потребностями     общества.   Такие актуальные  проблемы, стоящие перед человечеством  на пороге ХХI в., как дефицит чистой воды и пищевых веществ (особенно белковых), загрязнение окружающей  среды, недостаток сырьевых и энергетических ресурсов, необходимость получения  новых,  экологически  чистых  материалов,  развития  новых  средств  диагностики  и  лечения,  не  могут  быть  решены  традиционными  методами. 

Поэтому  для  жизнеобеспечения    человека,  повышения  качества  жизни  и  ее  продолжительности становится все более необходимым освоение принципиально новых методов и технологий. 

      Развитие научно-технического прогресса, сопровождающееся повышением темпов материальных и энергетических ресурсов, к сожалению, приводит к нарушению баланса в биосферных процессах. Загрязняются водные и  воздушные  бассейны  городов,  сокращается воспроизводительная  функция  биосферы,  вследствие  накопления  тупиковых  продуктов техносферы  нарушаются  глобальные круговоротные циклы биосферы. 

      Стремительность темпов современного  научно-технического прогресса  человечества образно описал  швейцарский инженер и философ  Эйхельберг: «Полагают,  что  возраст  человечества  равен  600 000  лет.  Представим  себе  движение человечества  в  виде марафонского  бега на 60  км,  который  где-то  начинаясь,  идет по направлению к  центру  одного из  наших    городов, как к  финишу…  Большая  часть  дистанции  пролегает по  весьма  трудному  пути  – через девственные леса, и мы об этом ничего не знаем, ибо только в самом  конце,  на  58–59  км  бега,  мы  находим,  наряду с  первобытным  орудием,  пещерные рисунки, как первые признаки культуры, и только на последнем километре  появляются признаки земледелия. За 200 м до финиша дорога, покрытая каменными плитами, ведет мимо римских укреплений. За 100 м бегунов обступают средневековые городские строения. До финиша остается 50 м,  где  стоит  человек,  умными  и  понимающими  глазами  следящий  за  бегунами, – это  Леонардо да Винчи. Осталось 10 м! Они начинаются при свете факелов и  скудном освещении масляных ламп. Но при броске  на последних 5 м происходит ошеломляющее чудо: свет заливает ночную дорогу, повозки без тяглового скота мчатся мимо, машины шумят в воздухе, и пораженный бегун ослеплен  светом  прожекторов  фото- и  телекамер...»,  т.е. за  1  м  человеческий  гений совершает ошеломляющий рывок в области научно-технического прогресса. Продолжая этот образ, можно добавить, что в  момент приближения  бегуна к финишной ленточке  оказывается прирученным термоядерный синтез, стартуют космические корабли, расшифрован генетически код.

       4. Новейшие достижения        в области биотехнологии

Несмотря  на  то  что  в  настоящее  время препараты  и  продукты,  получаемые в процессах промышленной («белой») биотехнологии, главенствуют  на рынке биотехнологических продуктов, наиболее впечатляющие успехи и  прорывы в этой области связаны с использованием достижений клеточной и  генетической инженерии.

      Геномика – это направление биотехнологии, занимающееся изучением  геномов и ролей, которые играют различные гены, индивидуально и в комплексе, в определении структуры, направлении роста и развития и регуляции  биологических функций. Различают структурную и функциональную геномику. 

      Предмет структурной геномики – создание и сравнение различных типов  геномных  карт  и  крупномасштабное  секвенирование  ДНК.  Проект  поизучению  человеческого  генома  (Human  Genome  Project)  и  менее  известная  Программа   по   изучению   растительных   геномов   (Plant   Genome   Research  Program)  являются  самыми  масштабными  исследованиями  структурной  геномики. В задачи структурной геномики входят также идентификация, локализация и составление характеристик генов. В результате осуществления частных и государственных проектов по структурной геномике созданы карты  геномов и расшифрованы последовательности ДНК большого количества организмов, в том числе сельскохозяйственных растений, болезнетворных бактерий и вирусов, дрожжей, необходимых для приготовления некоторых продуктов питания и производства пива, азотфиксирующих бактерий, малярийного  плазмодия  и  переносящих  его  комаров,  а  также  микроорганизмов,  используемых  человеком  в  самых  разнообразных  промышленных  процессах.  В 2003 г. завершен Проект по изучению генома человека. 

      Предмет  и  область  функциональной  геномики –  секвенирование  геномов, идентификация и картирование генов, выявление функций генов и механизмов регуляции. Для понимания различий между видами основную роль  грает  не  знание  количества  генов,  а  понимание  того,  как  они различаются  по составу и функциям, знание химических и структурных различий в генах,  которые и  лежат  в  основе различий организмов.  Эволюционный  анализ постепенно  становится  главным  приемом  выяснения  функций  и  взаимодействий генов в пределах генома.

Благодаря тому, что генетический код универсален и все живые организмы  способны  расшифровывать  генетическую  информацию  других  организмов  и  осуществлять  заложенные  в  ней  биологические  функции,  любой  ген, идентифицированный в ходе того или иного геномного проекта, может  быть использован в широком спектре практических приложений:

      –  для  целенаправленного  изменения  свойств  растений  и  придания  им  желаемых признаков;

– выделения специфических рекомбинантных молекул или микроорганизмов; 

идентификации генов, участвующих в осуществлении сложных процессов,  контролируемых  множеством  генов,  а  также  зависящих  от  влияния  окружающей среды;

       – обнаружения микробных заражений  клеточных культур и др.

      Протеомика – это наука, занимающаяся   изучением структуры, функций, локализации и взаимодействия белков внутри клетки и между клетками.  Набор белков клетки называется ее протеомом. По сравнению с геномикой,  протеомика ставит перед исследователями гораздо более многочисленные и  трудные задачи. Структура белковых молекул гораздо сложнее, чем структура молекул ДНК, которые представляют собой линейные молекулы, состоящие из четырех нерегулярно повторяющихся элементов (нуклеотидов). Форма,  которую  принимает  белковая  молекула,  зависит  от последовательности  аминокислот, однако все механизмы скручивания и складывания  аминокислотной  цепочки  до  конца  не  изучены.  Задачей  исследователей,  работавших  над  программой  Human  Genome  Project,  была  разработка  методов,  которые  позволили бы добиться поставленных целей. Ученые, занимающиеся протеомикой, и сейчас находятся в подобном положении: им необходимо разработать достаточное количество методов и приемов, которые могли бы обеспечить эффективную работу над огромным количеством вопросов:

       – каталогизацию всех белков, синтезируемых различными типами  клеток;

       – выяснение характера влияния  возраста, условий окружающей среды  и 

заболеваний на синтезируемые клеткой протеины;

       – выяснение функций идентифицированных  белков;

       – изучение взаимодействий различных  белков с другими белками внутри клетки и во внеклеточном пространстве.

       Потенциал белковой инженерии  позволяет улучшать свойства используемых в биотехнологии белков (ферментов, антител, клеточных рецепторов)  и создавать принципиально новые протеины, пригодные в качестве лекарственных препаратов, для обработки и улучшения питательных и вкусовых качеств пищевых продуктов. Наиболее значительны успехи белковой инженерии  в  биокатализе.  Разработаны  новые  типы  катализаторов,  в  том  числе  с применением техники иммобилизации ферментов, способные  функционировать в неводной среде, при значительных сдвигах рН и температуры среды, а  также  растворимые  в  воде  и  катализирующие  биологические  реакции  при  нейтральном рН и при сравнительно низких температурах. Технологии белковой инженерии позволяют получать новые типы белков биомедицинского  назначения, например способных связываться с вирусами и мутантными онкогенами и обезвреживать их; создавать высокоэффективные вакцины и белки-рецепторы  клеточной  поверхности,  выполняющие  функцию  мишени  для  фармацевтических  препаратов,  а  также  связывания  вещества,  и  биологические агенты, которые могут быть использованы для химических и биологических атак. Так, ферменты гидролазы способны обезвреживать как нервнопаралитические газы, так и используемые в сельском хозяйстве пестициды, а  их производство, хранение и применение не опасно для окружающей среды и  здоровья людей. Новейшие  биотехнологические  методы  позволяют  диагностировать  многие  заболевания  и  патологические  состояния  экспрессно  и  с  высокой  точностью. Так, для постановки стандартного теста определения присутствия  в крови липопротеидов низкой плотности («плохого» холестерина) требуется  провести три отдельных дорогостоящих анализа: выявление содержания общего   холестерина,   триглицеридов   и   липопротеидов   высокой   плотности.  Кроме  этого,  в  течение  12  ч  до  проведения  теста  пациенту рекомендуется  воздержаться  от  приема  пищи.  Новый  биотехнологический  тест  состоит  из  одного  этапа  и  не  требует  предварительного  голодания. Эти  тесты, помимо  быстродействия, существенно снижают стоимость диагностики. К настоящему моменту разработаны и применяются  биотехнологические тесты для диагностики некоторых видов опухолевых процессов, требующих для реализации небольшое количество крови, что исключает тотальную биопсию на начальных стадиях диагностики.