Инновационные методы в биотехнологии

Биотехнология - это наука, изучающая возможности применения живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, направленных на улучшение качества жизни людей или на создание лекарств и товаров в различных отраслях промышленности. Биотехнология является важнейшим разделом современной биологии, которая, как и физика, стала в конце XX в. одним из ведущих приоритетов в мировой науке и экономике. В настоящее время условно разделяют классическую и современную биотехнологию. Использование традиционных методов выращивания животных и растений, а также бактерий, дрожжей и грибков для производства продуктов питания, например, хлеба, пива, вина и сыра, относят к классической биотехнологии. Однако в 1950-х, 1960-х и 1970-х годах прошлого века наше понимание биологических процессов достигло критической массы. Значительное расширение фундаментальных знаний в области клеточной биологии и генетики позволило понять, как можно изменять и влиять на биологические процессы на молекулярном уровне. Стало возможным изменение биологических свойств микроорганизмов, растений и животных, напрямую модифицируя их генетическую информацию, закодированную в молекуле ДНК, которая является физическим носителем всех биохимических свойств организма. Эту технологию часто называют генетической инженерией. Современная биотехнология зародилась в 70-х годах прошлого столетия и дала толчок к развитию промышленных биотехнологических предприятий в начале 80-х прошлого столетия, которые сейчас выросли в успешные биотехнологические гиганты (Genentech, Biogen, Amgen, Chiron и др.). Интересно,что в США за 15 лет количество биотехнологических предприятий достигло 1500. В настоящее время суммарный доход от продажи изделий и лекарств, разработанных на этих предприятиях, составляет 36 миллиардов евро. На этих предприятиях в США занято более чем 150000 ученых и служащих. В Западной Европе количество биотехнологических предприятий составило более чем 1850. Число таких предприятий выросло в 4 раза за 6-летний срок. Сегодня это переросло в настоящий экономический биотехнологический бум. Таким образом, проведение фундаментальных исследований в области биотехнологии приводит не только к научным открытиям и созданию продукции, но и создает новые наукоемкие рабочие места. Сегодня биотехнология охватывает различные направления, основанные на фундаментальных достижениях и открытиях в областях молекулярной и клеточной биологии, геномики, протеомики, липидомики, биоинформатики и моделирования биологических систем. В настоящее время научные достижения в этих отраслях вызывают огромный научный и коммерческий интерес и приводят к созданию новых биотехнологических предприятий и привлечению финансовых ресурсов для поддержки новых открытий и их практического внедрения.  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. Современная биотехнология революционизирует медицинскую науку. Она создает технологическую платформу для открытия и производства лекарств, разработки новых видов и методов лечения, вакцин и диагностических методов в медицине. Следует заметить, что около 90% всех приложений биотехнологии относится к медицине и здравоохранению. Около 385 миллионов человек во всем мире получают лечение более чем 130 лекарственными препаратами, созданными на основе фундаментальных научных исследований в области биотехнологии. К этим препаратам относятся лекарства для лечения сахарного диабета, инфаркта, анемии, муковисцидоза, рассеянного склероза, гемофилии, лейкоза, многих других форм рака. Биотехнологические методы также применяются для разработки вакцины против гепатита B и менингита. Интересно, что в настоящее время для лечения диабета используется человеческий инсулин, продуцируемый в генетически модифицированныхбактериях. Он заменил свиной инсулин, который может вызывать нежелательные побочные реакции со стороны иммунной системы. Следует заметить, что более 50% лекарственных препаратов, которые мы применяем в настоящее время, открыты за счет фундаментальных научных исследований в области биотехнологии. Кроме того, в настоящее время клинические испытания проходят более 350 биотехнологических фармацевтических лекарств, а также проходят апробацию вакцины, которые ориентированы более чем на 200 заболеваний. Несколько сотен лекарственных препаратов находятся в более ранних стадиях научных разработок. Проведение фундаментальных исследований позволяют разрабатывать сотни медицинских тестов, которые помогают в диагностике заболеваний. Например, в настоящее время каждый образец донорской крови анализируется для исключения ВИЧ-инфекции, и это было сделано при помощи проведения фундаментальных исследований в области биотехнологий. В скором времени наиболее распространенные генетические заболевания будут также диагностироваться при помощи тестов созданныхна основе биотехнологий. Например, люди, которые имеют значительный риск развития генетических расстройств, смогут использовать на основе ДНК-тестов методы, направленные на диагностику этих заболеваний на ранней стадии развития, когда даже еще отсутствуют какие-либо симптомы болезни. Исследователями в области биотехнологии также ведутся разработки новых методов лечения на основе генной и клеточной терапии. Генная терапия - это многообещающая технология, которая использует гены как лекарства для лечения пациентов. Целью генной терапии является доставка в организм человека генетических инструкций и производство терапевтических белков в течение длительного периода времени. При клеточной терапии состарившиеся и больные клетки теоретически могут быть заменены новыми здоровыми клетками. Многие виды рака, а также генетические и нейродегенеративные заболевания, такие, как болезнь Альцгеймера и Паркинсона, являются потенциальными кандидатами на генную и клеточную терапию. Лучшая интерпретация человеческого генетического кода и понимание того, как гены регулируют биологические процессы, позволит понять,какие изменения и ошибки в генетическом коде могут приводить к нарушению молекулярных процессов и развитию заболеваний. Это, в свою очередь, приведет к разработке лекарственных средств, действие которых будет направленно на устранение причины заболевания, а не только на коррекцию симптомов. Современные биотехнологии находят свое применение и в других современных отраслях, таких, как в сельское хозяйство и экология. Основными задачами биотехнологии в сельском хозяйстве является увеличение урожайности сельскохозяйственных культур путем увеличения их устойчивости к вредителям и повышения их питательной ценности. Экологическая биотехнология разрабатывает методы, направленные на более эффективную очистку опасных отходов без использования едких химикатов. Например, использование естественных бактерий Pseudomonas, которые живут в почве и «съедают» углеводороды, позволяют очищать береговую линию от загрязнения нефтью в 3-5 раз быстрее, чем путем традиционных методов утилизации, таких, как сжигание или химическая обработка. Биотехнология применяется для малоотходного и энергосберегающего производства во многих отраслях промышленности, таких, как химическая, целлюлозно-бумажная, текстильная, пищевая, энергетическая и металлургическая промышленность. 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

В рамках изучаемого курса можно выделить 3 основных части:

1. 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.

2. 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.

3. 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. Уже сегодня во многих лабораториях мира, в том числе и в России, с помощью методов генетической инженерии созданы принципиально новые трансгенные растения, животные и микроорганизмы, получившие коммерческое признание. Современная биотехнология тесно стыкуется с рядом научных дисциплин, осуществляя их практическое применение или же являясь их основным инструментом.

 Экспертные оценки  прогноза развития биотехнологии  на ближайшие 

5–10 лет позволяют сделать  следующие выводы по осуществлению  инвестиционной политики в биотехнологии  в настоящее время. Особенно актуальна  на данном этапе организация  производств только высокорентабельной  продукции, на которую сложился  устойчивый платежеспособный спрос. С их учетом приоритетными проектами для инвестирования являются производство: ферментных амилолитических препаратов для спиртной и пивоваренной

отраслей пищевой промышленности, производство протеолитических ферментов, используемых при производстве синтетических моющих средств «Bio» и других целей; – комплексной переработки биомассы микроорганизмов для получения препаратов белковой и нуклеотидной природы для медицины, пищевой промышленности и др.– ферментных препаратов для переработки отходов пищевой промышленности, производств мяса, молока, спирта и др. -медицинских и ветеринарных препаратов, в том числе для диагностирования и лечения ряда тяжелых и инфекционных заболеваний; препаратов–пробиотиков типа бифидумбактерина и лактобактерина;– кормовых добавок для животноводства, биологических средств защиты растений;– бактериальных удобрений, вермикультуры.– препаратов для очистки и биоремедиации загрязненных почв, воды, для организаций нефтедобывающего и нефтеперерабатывающего секторов. Биотехнология в пищевой промышленности должна быть сориентирована на создание новых видов пищи и пищевых добавок, а так же на улучшение качества традиционных продуктов питания. Решить такую актуальную задачу, как потребность в экологически чистых продуктах питания, позволяют возможности биотехнологии. Биологические препараты в отличие от химических обладают более ярко выраженной избирательностью действия и признаны безвредными для человека, животных, птиц, рыб. Они быстро разлагаются в почве и воде под действием солнечных лучей и не вызывают эффекта привыкания к ним насекомых . По прогнозам некоторых учёных, при данных темпах роста населения в отдалённой, но вполне просматриваемой перспективе, человечество может столкнуться с серьёзной проблемой нехватки пищевых ресурсов. То есть может сложиться такая ситуация, когда даже многократное увеличение поголовья скота и сельскохозяйственных площадей будет не в состоянии обеспечить всех потребностей человечества в пище. Таким образом, проблему нехватки пищевых ресурсов станет невозможно решить лишь количественными методами. Биотехнологи, руководствуясь последними достижениями в области генной инженерии, предлагают качественное решение данной проблемы. Помимо решения продовольственной проблемы перед пищевой промышленностью стоит ряд других, не менее важных задач, решение которых возможно с помощью биотехнологий уже применяемых и внедряемых в пищевой промышленности. Одной из таких задач является проблема контроля качества на разных стадиях производства, начиная от сырья и заканчивая готовой продукцией. В задачи служб контроля качества входит определение наличия примесей микробиологического (патогенная микрофлора) и химического (токсичные и вредные вещества) характера. Одним из главных требований к используемым для решения этих задач тест-системам являются их точность, простота в использовании и высокая скорость определения. Потребность в биотехнологии на данном этапе определена требованием рынка в существенном улучшении и изменении набора качеств продукции, улучшении качества жизни и окружающей среды.

Введение

          Биология – это наука, которая в наши дни активно развивается и огромные надежды возлагает именно на биотехнологии. Сейчас методы биотехнологии внедряются в промышленность, сельское хозяйство и медицину. Генетическая инженерия, клеточная инженерия и конечно клонирование наиболее актуальны в XXI веке.

Биотехнология  (от греч. bios — жизнь, techne — искусство, мастерство и logos — слово, учение), использование живых организмов и биологических процессов в производстве. Биотехнология — междисциплинарная область, возникшая на стыке биологических, химических и технических наук. С развитием биотехнологии связывают решение глобальных проблем человечества — ликвидацию нехватки продовольствия, энергии, минеральных ресурсов, улучшение состояния здравоохранения и качества окружающей среды.

Инновационные методы биотехнологии:

1.Клеточная инженерия

- это создание клеток  нового типа на основе их  гибридизации, реконструкции и культивирования.

А)Гибридизация соматических клеток.

В основе метода лежит слияние клеток, в результате чего образуются гетерокарионы, содержащие ядра обоих родительских типов. Образовавшиеся гетерокарионы дают начало двум одноядерным гибридным клеткам. В 1965 английский ученый Г. Харрис впервые получил гетерокарионы, образованные клетками мыши и человека.

Такую искусственную гибридизацию можно осуществлять между соматическими клетками, принадлежащими далеким в систематическом отношении организмам и даже между растительными и животными клетками.

Гибридизация соматических клеток животных сыграла важную роль в исследовании механизмов реактивации генома покоящейся клетки и степени фенотипического экспрессивности отдельных генов, клеточного деления, в картировании генов в хромосомах человека, в анализе причин злокачественного перерождения клеток. С помощью этого метода созданы гибриды, используемые для получения однородных антител.

Первый межвидовой гибрид при слиянии протопластов из клеток разных видов табака был получен в 1972 П.Карлсоном (США). Гибриды, полученные при слиянии протопластов, имеют важные отличия от половых гибридов поскольку несут цитоплазму обоих родителей. Возможно создание гибридов, наследующих ядерные гены одного из родителей наряду с цитоплазматическими генами обоих родителей.

 Особый интерес представляют  гибриды растений, несущие цитоплазматические  гены устойчивости к различным  патогенам и стрессорным факторам от дикорастущих видов или цитоплазматические гены мужской стерильности. Слияние протопластов используют также для получения гибридов с ценными в хозяйственном отношении свойствами между отдаленными видами, которые плохо или вообще не скрещиваются обычным путем. Удалось, например, «ресинтезировать» рапс, являющийся естественным амфидиплоидом между турнепсом и капустой, получить соматический гибрид картофеля с томатами и т. д. При слиянии протопластов создают и новые клеточные линии-продуценты важных соединений.

Б) Реконструкция клеток.

Одним из способов модификации клеток является введение в них индивидуальных генов, т.е. метод генетической инженерии. Встраивание активного гена на место отсутствующего или поврежденного открывает путь для лечения генетических заболеваний человека. Изменять свойства клеток можно, вводя клеточные органеллы (ядра, хлоропласты), изолированные из одних клеток, в протопласты других клеток. Так, одним из путей активизации фотосинтеза растительной клетки может служить введение в нее высокоэффективных хлоропластов.

Искусственные ассоциации растительных клеток с микроорганизмами используют для моделирования на клеточном уровне природных симбиотических отношений, играющих важную роль в обеспечении растений азотным питанием в природных экосистемах. Рассматривается возможность придания растениям способности к фиксации молекулярного азота при введении в них целых клеток азотфиксирующих микроорганизмов.

 Реконструкцию клеток  проводят также при слиянии  клеточных фрагментов (безъядерных, кариопластов с ядром, микроклеток, содержащих лишь часть генома интактной клетки) друг с другом или с интактными (неповрежденными) клетками. В результате получают клетки с различными свойствами, например, гибриды, либо клетки с ядром и цитоплазмой от разных родителей. Такие конструкции используют для изучения влияния цитоплазмы в регуляции активности ядра.

В)Улучшение растений и животных на основе клеточных технологий.

Выращиваемые на искусственных питательных средах клетки и ткани растений составляют основу разнообразных технологий в сельском хозяйстве. Одни из них направлены на получение идентичных исходной форме растений. Другие — на создание растений, генетически отличных от исходных. В первом случае используют искусственное оплодотворение, культуру незрелых гибридных семяпочек и зародышей, регенерацию растений из тканей летальных гибридов, гаплоидные растения, полученные при культивировании пыльников или микроспор. Во втором — новые формы растений создаются на основе мутантов. Таким путем получены растения, устойчивые к вирусам и другим патогенам, гербицидам, растения, способные синтезировать токсины, патогенные для насекомых-вредителей, растения с чужеродными генами, контролирующими синтез белков холодоустойчивости и белков с улучшенным аминокислотным составом, растения с измененным балансом фитогормонов и т. д.

Важную роль в животноводстве сыграла разработка методов длительного хранения спермы в замороженном состоянии и искусственного осеменения. Реально же развернулись исследования по клеточной и генной инженерии на млекопитающих.