Биотехнологии (Βιοτεχνολογία, 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.
Метод
Положительным фактором в применении биологического метода является его экологичность. Биологические средства можно использовать без ограничения кратности применения, в то время как количество обработок растений химическими пестицидами строго регламентирована.
Биологическая защита растений основывается на системном подходе и комплексной реализации двух основных направлений: сохранение и содействие деятельности естественных популяций полезных видов (энтомофагов, микроорганизмов), самозащиты культурных растений в агробиоценозах и обновления агробиоценозов полезными видами, которых не хватает или которые отсутствуют. Принципиальным отличием биологического метода защиты растений от любого другого является использование именно первого направления, осуществляют, применяя биологические препараты, способами сезонной колонизации, интродукции и акклиматизации зоофаги и микроорганизмов. Размножению и эффективности деятельности полезных видов способствуют агробиотехнични меры, и некоторые способы обработки почвы с помощью которых можно создавать благоприятные условия для жизнедеятельности зоофаги.
Выращивание устойчивых к вредным организмам сортов культурных растений способствует формированию маложиттездатних популяций вредителей.
Каждый из основных средств биологического метода (применение зоофаги, полезных в защите растений микроорганизмами) имеет свои особенности и эффективен в соответствующих условиях. Эти средства не исключают, а дополняют друг друга. Сейчас особое внимание уделяется поиску путей совместного применения биологической защиты с другими методами в интегрированных системах защиты растений от вредных организмов. Основной задачей этого метода является изучение условий, которые определяют эффективность естественных врагов вредных организмов и разработка способов регулирования их количества и взаимоотношений с популяциями вредных организмов.
Интродукция и акклиматизация применяются против карантинных вредителей, которые имеют ограниченное распространение в стране.
Естественные враги ограничивают размножение вредителя на его родине, а в новом географическом районе они отсутствуют. Эффективных зоофаги и микроорганизмов для завоза и акклиматизации находят на родине вредного организма и переселяют в новые районы. Наилучшие результаты получают при завозе узкоспециализированных видов, которые приспособлены к существованию за счет одного вредителя, болезни, сорняков. Внутришньоареальне переселения заключается в переселении эффективных, чаще специализированных, естественных врагов из старых очагов, где численность вредных организмов снижается, в новые в других частях ареала вида, где эти враги отсутствуют или еще не накопились.
Микроорганизмы, которые повреждают вредные виды, для защиты растений применяются в форме биологических препаратов. Большинство биологических бактериальных препаратов создано на основе кристалоутворюючих бактерий группы Bacillus thuringiensis Berl., Которые образуют споры и кристаллы, способные растворяться в кишечнике насекомых, куда они попадают с кормом.
Грибные препараты содержат споры энтомопатогенных грибов, принадлежащих к несовершенным.
Вирусные биологические препараты (Вериных) изготавливаются на основе вирусов полиэдроза и гранулезы, которые чаще всего поражают чешуекрылых.
В живых системах на всех уровнях организации распространенным способом передачи информации является химическая коммуникация. В последнее время большое внимание уделяется разработке и применению биологически активных веществ, которые обеспечивают взаимоотношения между живыми организмами в биоценозах, их рост и развитие. Основной группой биологически активных веществ является феромоны. Феромоны — химические вещества, которые производят и выделяют в окружающую среду насекомые. Эти вещества вызывают соответствующие поведенческие или физиологические реакции. Существуют различные группы феромонов — половые, агрегацию, следовые т. Наибольшее распространение в практике защиты растений приобрели половые феромоны, которые чаще всего выделяют самки для привлечения самцов. Наиболее изученными являются феромоны чешуекрылых, жесткокрылых, клопов, сетчатокрылых, термитов. На основе определения структуры природных феромонов насекомых созданы их синтетические аналоги. Половые феромоны используются для обнаружения и определения зоны распространения вредителей, для сигнализации сроков применения защитных мер, определение плотности популяций вредителей, а также для защиты посевов путем массового отлова самцов («самцевого вакуума») и дезориентации, привлечения самцов при химической стерилизации.
Способ дезориентации насекомых предусматривает насыщение площади высокими концентрациями синтетического феромона и нарушения феромонных коммуникации между самцами и самками. В результате неспаренных самки откладывают неоплодотворенные яйца, что и приводит к снижению численности вида. Установлено, что процессы метаморфозу, линьки, размножения и диапаузы насекомых регулируют гормоны. Наиболее изученными являются ювенильный (личиночный), экдизон (линочний) и мозговой. Гормоны были синтезированы и получены как химические соединения, по структуре отличаются от природных, но имитируют их биологическую активность — выполняют роль регуляторов роста и развития насекомых. В защите растений практического применения приобрели ингибиторы синтеза хитин и ювеноидив. Гормональные препараты по своему действию значительно отличаются от традиционных инсектицидов. Они не токсичны, но обусловливают нарушения эмбрионального развития, метаморфозу, вызывают стерилизацию. Ингибиторы хитина нарушают формирование кутикулы во время линьки. Ювеноидив вызывают гибель при завершении личиночного или лялечкового развития, являются ингибиторами синтеза хитин при очередной Линци.
Генетический метод борьбы с вредными организмами был разработан и предложен А. С. Серебровским (1938, 1950). Этот метод предусматривает насыщение природной популяции вредителя генетически неполноценными особями того же вида. Самки природной популяции, спариваясь с такими особями, откладывают нежизнеспособные яйца, не дают потомства, происходит самоуничтожения вредителя. Генетический метод осуществляется лучевой и химической стерилизацией. Лучевая стерилизация предусматривает массовое разведение вредителей, облучения их (гамма-лучами, рентгеновскими лучами) и следующий выпуск в плодовые насаждения, посевы сельскохозяйственных культур. В облученных особях возникают повреждения хромосомного аппарата. При химической стерилизации стерилизаторами используются химические вещества, с алкилючих сообщений, антиметаболитов и антибиотиков. Первые вызывают половую стерильность самок и самцов, антиметаболиты обусловливают стерильность самок. Генетический метод борьбы был применен в 1954 году по сравнению с серой мясной мухи на острове Кюрасао, которая наносит значительный ущерб животноводству. Выпуск стерилизованных особей был успешным. Генетическом метода борьбы присуща избирательность, его применение не связано с негативным воздействием на окружающую среду и не способствует явке устойчивости к факторам стерилизации.
История биотехнологии
С древнейших времен человек использовал биотехнологические процессы при хлебопечении, приготовлении кисломолочных продуктов, в виноделии и т.д., но только благодаря работам Луи Пастера в середине 19 века, доказали связь процессов брожения с деятельностью микроорганизмов, традиционная биотехнология получила научную основу.
В 40-50-е годы 20 века, когда был осуществлен биосинтез пенициллинов методами ферментации, началась эра антибиотиков, давшая толчок развитию микробиологического синтеза и созданию микробиологической промышленности.
В 60-70-е годы 20 века начала бурно развиваться клеточная инженерия.
С созданием 1972 группой П. Берга в США первой гибридной молекулы ДНК in vitro формально связано рождение генетической инженерии, открыла путь к сознательной изменения генетической структуры организмов таким образом, чтобы эти организмы могли производить необходимые человеку продукты и осуществлять необходимые процессы. Эти два направления определили облик новой биотехнологии, имеет мало общего с той примитивной биотехнологией, что человек использовал в течение тысячелетий. Показательно, что в 1970-е годы получил распространение и самый срок биотехнология. С этого времени биотехнология неразрывно связана с молекулярной и клеточной биологией, молекулярной генетикой, биохимией и биоорганической химией. За короткий период своего развития (25-30 лет) современная биотехнология не только достигла существенных успехов, но и продемонстрировала неограниченные возможности использования организмов и биологических процессов в различных отраслях производства и народного хозяйства.
Биотехнология как наука
Биотехнология — это комплекс фундаментальных и прикладных наук, технических средств, направленных на получение и использование клеток микроорганизмов, животных и растений, а также продуктов их жизнедеятельности: ферментов, аминокислот, витаминов, антибиотиков и др.
Биотехнология, которая включает промышленную микробиологию, базируется на использовании знаний и методов биохимии, микробиологии, генетики и химической технологии, что позволяет получать пользу в технологических процессах из свойств микроорганизмов и клеточных культур. Современные биотехнологические процессы основаны на методах рекомбинантных ДНК, а также на использовании иммобилизованных ферментов, клеток и клеточных органелл.
Основные направления исследований:
- Разработка научных основ создания новых биотехнологий с помощью методов молекулярной биологии, генетической и клеточной инженерии.
- Получение и использование биомассы микроорганизмов и продуктов микробиологического синтеза.
- Изучение физико-химических и биохимических основ биотехнологических процессов.
- Использование вирусов для создания новых биотехнологий.
Применение
Биотехнология применяется вокруг нас во многих предметах ежедневного потребления — от одежды, которую мы носим, к сыру, который мы потребляем. На протяжении веков фермеры, пекари и пивовары использовали традиционные технологии для изменения и модификации растений и продуктов питания — пшеница может служить древнейшим примером, а нектарин — одним из последних. Сегодня биотехнология использует современные научные методы, которые позволяют улучшить или модифицировать растения, животные, микроорганизмы с большей точностью и предсказуемостью.
Потребители должны иметь выбор из более широкого перечня безопасных продуктов. Биотехнология может предоставить потребителям возможность такого выбора — не только в сельском хозяйстве, но и в медицине и топливных ресурсах.
Преимущества биотехнологий
Биотехнология предлагает огромные потенциальные преимущества. Развитые страны и развивающиеся страны, должны быть прямо заинтересованы в поддержке дальнейших исследований, направленных на то, чтобы биотехнология могла полностью реализовать свой потенциал.
Биотехнология помогает окружающей среде. Позволяя фермерам уменьшить количество пестицидов и гербицидов, биотехнологические продукты первого поколения привели к уменьшению их использования в сельскохозяйственной практике, а будущие продукты биотехнологий должны принести еще больше преимуществ. Уменьшение пестицидной и гербицидного нагрузки означает меньший риск токсического загрязнения почв и грунтовых вод. Кроме того, гербициды, применяемые в сочетании с генетически модифицированными растениями, часто более безопасны для окружающей среды, чем гербициды предыдущего поколения, на смену которым они приходят. Культуры, выведенные методами биоинженерии, также способствуют широкому применению безотвальной обработки почвы, что приводит к уменьшению потерь плодородия почвы.
Огромный потенциал биотехнология имеет в борьбе с голодом. Развитие биотехнологий предлагает значительные потенциальные преимущества для развивающихся стран, где более миллиарда жителей планеты живут в бедности и страдают от хронического голода. Из-за роста урожайности и вывода культур, устойчивых к болезням и засухе, биотехнология может уменьшить недостаток пищи для населения планеты, которое по состоянию к 2025 году составит более 8000000000 человек, что на 30% больше чем сегодня. Ученые создают сельскохозяйственные культуры с новыми свойствами, которые помогают им выживать в неблагоприятных условиях засухи и наводнений.
Биотехнология помогает бороться с болезнями. Развивая и улучшая медицину, она дает новые инструменты в борьбе с ними. Биотехнология дала медицинские методы лечения кардиологических болезней, склероза, гемофилии, гепатита, и СПИДа. Сейчас создаются биотехнологические продукты питания, которые сделают дешевле и доступнее для беднейшей части населения планеты жизненно необходимые витамины и вакцины.
Предостережения относительно применения
Объемы изъятия биопродукции из биосферы достигли 70%, а живая материя функционирует на оптимальном уровне, когда по продукции биосферы изымается не более 15%. Экосистемы и биосфера в целом все больше теряют способность к саморегуляции и самоподдержки. В конце концов это придает круговорота веществ на земном шаре качественно нового и непредсказуемого характера. Стабильность функционирования биосферы оказалась под угрозой. Загрязнением и деградацией охвачены все геосферы Земли. Воздух, вода и почва стали терять свои основные природные свойства.
Биотехнология в области здравоохранения
Биотехнология может принести значительные преимущества в сферу здравоохранения. Увеличивая питательную ценность пищи, биотехнология может использоваться для улучшения качества питания. Например, сейчас создаются сорта риса и кукурузы с повышенным содержанием белков. В будущем потребители смогут воспользоваться маслом с уменьшенным содержанием жиров, которая будет получено из генетически модифицированных кукурузы, сои, рапса. Кроме того, генетическая инженерия может использоваться для производства продуктов питания с повышенным уровнем витамина А, который поможет решить проблему слепоты в развивающихся странах. Генетическая инженерия также предлагает другие преимущества для здоровья, ведь сегодня созданы методы, которые позволяют удалять определенные аллергенные белки из продуктов питания или избегать их преждевременной порчи.
Биотехнология в медицине
В медицине биотехнологические приемы и методы играют главную роль при создании новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов, предназначенных для ранней диагностики и лечения различных заболеваний. Антибиотики — самый класс фармацевтических соединений, получаемых микробиологическим синтезом. Создан генно-инженерные штаммы кишечной палочки, дрожжей, культивируемых клеток млекопитающих и насекомых, используемые для получения гормона роста, инсулина и интерферона человека, различных ферментов и противовирусных вакцин. Изменяя нуклеотидную последовательность в генах, кодирующих соответствующие белки, оптимизируют структуру ферментов, гормонов и антигенов (так называемая белковая инженерия). Важнейшим открытием стала разработанная 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.
Биотехнологии в сельском хозяйстве
Биотехнологии в сельском хозяйстве облегчает традиционные методы селекции растений и животных и разрабатывает новые технологии, позволяющие повысить эффективность сельского хозяйства. Во многих странах методами генетической и клеточной инженерии созданы высокопроизводительные и устойчивые к вредителям, болезням, гербицидам сорта сельскохозяйственных растений. Разработанная техника оздоровления растений от накопленных инфекций, что особенно важно для культур, которые размножаются вегетативно (картофель и др.). В качестве одной из важнейших проблем биотехнологии во всем мире, исследования возможности управления процессом азотфиксации, возможность введения генов азотфиксации в геном полезных растений, а также процессом фотосинтеза. Исследуется улучшения аминокислотного состава растительных белков. Разрабатываются новые регуляторы роста растений, микробиологические средства защиты растений от болезней и вредителей, бактериальные удобрения. Генно-инженерные вакцины, сыворотки, моноклональные антитела используют для профилактики, диагностики и терапии основных болезней в животноводстве. В создании эффективных технологий племенного дела применяют генно-инженерный гормон роста, а также технику трансплантации и микроманипуляций на эмбрионах животных. Для повышения продуктивности животных используют кормовой белок, полученный микробиологическим синтезом.
Биотехнология в производстве
Биотехнологические процессы с использованием микроорганизмов и ферментов на современном техническом уровне широко применяются 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 др. С помощью микроорганизмов осуществляют 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 1985-1988 был разработан 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 промышленных технологий заменяются технологиями, используют ферменты и микроорганизмы. Такие 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, используют в качестве топлива для автомобилей (в Бразилии, где топливный спирт широко применяется, его получают из сахарного тростника и других растений). На способности различных бактерий переносить металлы в растворимые соединения или накапливать их в себе основанный извлечение многих металлов из бедных руд или сточных вод.
Бионанотехнологии
Разработка биологических материалов и специальных процессов, где используются наноматериалы или нанотехнологии. Включая молекулярные моторы, биоматериалы, технологию манипуляции с отдельными молекулами, технологию биочипов.
В традиционном, классическом, понимании 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. 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.
Технологии с приставкой «био»
Генная и клеточная инженерия
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:
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.
Значение биотехнологий для медицины.
Помимо широкого применения в сельском хозяйстве, на основе генной инженерии возникла целая отрасль фармацевтической промышленности, называемая “индустрией ДНК” и представляющая собой одну из современных ветвей биотехнологии. Более четверти всех лекарств, используемых сейчас в мире, содержат ингредиенты из растений. Генно-модифицированные растения являются дешевым и безопасным источником для получения полностью функциональных лекарственных белков (антител, вакцин, ферментов и др.) как для человека, так и для животных. Примерами применения генной инженерии в медицине являются также производство человеческого инсулина путем использования генно-модифицированных бактерий, производство эритропоэтина (гормона, стимулирующего образование эритроцитов в костном мозге. Физиологическая роль данного гормона состоит в регуляции продукции эритроцитов в зависимости от потребности организма в кислороде) в культуре клеток (т.е. вне организма человека) или новых пород экспериментальных мышей для научных исследований.
Разработка методов генной инженерии, основанных на создании рекомбинантных ДНК, привела к тому "биотехнологическому буму", свидетелями которого мы являемся. Благодаря достижениям науки в этой области стало возможным не только создание «биологических реакторов», трансгенных животных, генно-модифицированных растений, но и проведение генетической паспортизации (полного исследования и анализа генотипа человека, проводимого, как правило, сразу после рождения, для определения предрасположенности к различным заболеваниям, возможную неадекватную (аллергическую) реакцию на те или иные лекарства, а также склонность к определенным видам деятельности). Генетическая паспортизация позволяет прогнозировать и уменьшать риски сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний, исследовать и предотвращать нейродегенеративные заболевания и процессы старения, анализировать нейро-физиологические особенности личности на молекулярном уровне), диагностирование генетических заболеваний, создание ДНК-вакцин, генотерапия различных заболеваний и т.д.
В XX веке в большинстве стран мира основные усилия медицины были направлены на борьбу с инфекционными заболеваниями, снижение младенческой смертности и увеличение средней продолжительности жизни. Страны с более развитой системой здравоохранения настолько преуспели на этом пути, что сочли возможным сместить акцент на лечение хронических заболеваний, болезней сердечно-сосудистой системы и онкологических заболеваний, поскольку именно эти группы болезней давали наибольший процент прироста смертности.
Одновременно шли поиски новых методов и подходов. Существенным явилось то, что наукой была доказана значительная роль наследственной предрасположенности в возникновении таких широко распространённых болезней, как ишемическая болезнь сердца, гипертония, язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки, псориаз, бронхиальная астма и др. Стало очевидным, что для эффективного лечения и профилактики этих болезней, встречающихся в практике врачей всех специальностей, необходимо знать механизмы взаимодействия средовых и наследственных факторов в их возникновении и развитии, а, следовательно, дальнейший прогресс в здравоохранении невозможен без развития биотехнологических методов в медицине. В последние годы именно эти направления считаются приоритетными и бурно развиваются.
Актуальность проведения достоверных генетических исследований, основанных на биотехнологических подходах, очевидна еще и потому, что к настоящему времени известно уже более 4000 наследственных болезней. Около 5-5,5% детей рождаются с наследственными или врождёнными заболеваниями. Не менее 30% детской смертности во время беременности и в послеродовом периоде обусловлено врождёнными пороками развития и наследственными болезнями. После 20-30 лет начинают проявляться многие заболевания, к которым у человека была только наследственная предрасположенность. Это происходит под воздействием различных средовых факторов: условия жизни, вредные привычки, осложнения после перенесенных болезней и т.д.
В настоящее время уже появились практические возможности значительно снизить или скорректировать негативное воздействие наследственных факторов. Медицинская генетика объяснила, что причиной многих генных мутаций является взаимодействие с неблагоприятными условиями среды, а, следовательно, решая экологические проблемы можно добиться снижения заболеваемости раком, аллергией, сердечно-сосудистыми заболеваниями, сахарным диабетом, психическими болезнями и даже некоторыми инфекционными заболеваниями. Вместе с тем, ученым удалось выявить гены, ответственные за проявление различных патологий и способствующие увеличению продолжительности жизни. При использовании методов медицинской генетики хорошие результаты получены при лечении 15% болезней, в отношении почти 50% заболеваний наблюдается существенное улучшение.
Таким образом, значительные достижения генетики позволили не только выйти на молекулярный уровень изучения генетических структур организма, но и вскрыть сущность многих серьезных болезней человека, вплотную подойти к генной терапии.
Кроме того, на основе медико-генетических знаний появились возможности для ранней диагностики наследственных болезней и своевременной профилактики наследственной патологии.
Важнейшим направлением медицинской генетики в настоящее время является разработка новых методов диагностики наследственных заболеваний, в том числе и болезней с наследственной предрасположенностью. Сегодня уже никого не удивляет предимплантационная диагностика - метод диагностики эмбриона на ранней стадии внутриутробного развития, когда врач-генетик, извлекая лишь одну клетку будущего ребенка с минимальной угрозой для его жизни, ставит точный диагноз или предупреждает о наследственной предрасположенности к той или иной болезни.
Как теоретическая и клиническая дисциплина медицинская генетика продолжает интенсивно развиваться в разных направлениях: изучение генома человека, цитогенетика, молекулярная и биохимическая генетика, иммуногенетика, генетика развития, популяционная генетика, клиническая генетика.
Благодаря все более широкому применению биотехнологических методов в фармацевтике и медицине появилось новое понятие «персонализированной медицины», когда лечение пациента осуществляется на основе его индивидуальных, в том числе генетических особенностей, и даже препараты, используемые в процессе лечения, изготавливаются индивидуально для каждого конкретного пациента с учетом его состояния. Появление таких препаратов стало возможным, в частности, благодаря применению такого биотехнологического метода, как гибридизация (искусственное слияние) клеток. Процессы гибридизации клеток и получения гибридов еще до конца не изучены и не отработаны, но важно, что с их помощью стало возможным нарабатывать моноклональные антитела. Моноклональные антитела - это специальные «защитные» белки, которые продуцируются клетками иммунной системы человека в ответ на появление в крови любых чужеродных агентов (называемых антигенами): бактерий, вирусов, ядов и т.д. Моноклональные антитела обладают необыкновенной, уникальной специфичностью, и каждое антитело узнает только свой антиген, связывается с ним и делает его безопасным для человека. В современной медицине моноклональные антитела широко используются в диагностических целях. В настоящее время они применяются также в качестве высокоэффективных препаратов для индивидуального лечения пациентов, страдающих такими тяжелыми заболеваниями, как рак, СПИД и др.
Клонирование
Клонирование - это один из методов, применяемых в биотехнологии для получения идентичных потомков при помощи бесполого размножения. Иначе клонирование можно определить как процесс изготовления генетически идентичных копий отдельной клетки или организма. То есть полученные в результате клонирования организмы похожи не только внешне, но и генетическая информация, заложенная в них, абсолютно одинакова.
Термин «клонирование» происходит от английского слова clone, cloning (веточка, побег, отпрыск), которое обозначает группу растений (например, фруктовых деревьев), полученных от одного растения-производителя вегетативным (не семенным) способом. Позже название «клонирование» было перенесено на разработанную технологию получения идентичных организмов, именуемую также «замещение клеточного ядра». Организмы, полученные по такой технологии, стали называться клонами. В конце 1990-х годов XX века стала очевидна возможность применения этой технологии для получения генетически идентичных человеческих индивидов, то есть стало реальным клонирование человека.
В природе клонирование широко распространено у различных организмов. У растений естественное клонирование происходит при различных способах вегетативного размножения, у животных - при партеногенезе и различных формах полиэмбрионии (полиэмбриония: от «поли-» и греч. embrion - «зародыш» - образование у животных нескольких зародышей (близнецов) из одной зиготы в результате ее неправильного деления вследствие воздействия случайных факторов). У людей примером полиэмбрионии может служить рождение однояйцевых близнецов, которые являются естественными клонами. Широко распространено клональное размножение среди ракообразных и насекомых.
Первым искусственно клонированным многоклеточным организмом стала в 1997 г. овца Долли. В 2007 году одного из создателей клонированной овцы Елизавета II наградила за это научное достижение рыцарским званием.
Сутью техники «ядерного переноса», используемой при клонировании, является замена собственного клеточного ядра оплодотворенной яйцеклетки на ядро, извлеченное из клетки организма, точную генетическую копию которого планируется получить. К настоящему времени разработаны не только методы воспроизведения того организма, из которого клетка была взята, но и того, от которого был взят генетический материал. Появилась потенциальная возможность воспроизведения умершего организма, даже в том случае, когда от него остались минимальные части - необходимо только, чтобы из них можно было выделить генетический материал (ДНК).
Клонирование организмов может быть полным или частичным. При полном клонировании воссоздаётся весь организм целиком, а при частичном - воссоздаются лишь те или иные ткани организма.
Технология воссоздания целого организма крайне перспективна в случае необходимости сохранения редких видов животных или для восстановления исчезнувших видов.
Частичное клонирование - может стать важнейшим направлением в медицине, поскольку клонированные ткани могут компенсировать недостаток и дефекты собственных тканей организма человека и, что особенно существенно, они не отторгаются при трансплантации. Такое терапевтическое клонирование изначально не предполагает получение целого организма. Его развитие сознательно останавливают на ранних стадиях, а получившиеся клетки, которые называются эмбриональные стволовые клетки (эмбриональные или зародышевые стволовые клетки - самые примитивные клетки, возникающие на ранних стадиях развития эмбриона, способные развиться во все клетки взрослого организма), используют для выработки нужных тканей или других биологических продуктов. Экспериментально доказано, что терапевтическое клонирование может быть также с успехом применено для лечения некоторых заболеваний человека, до сих пор считающихся неизлечимыми (болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, инфаркт, инсульт, диабет, рак, лейкемия и др.), позволит избегать рождения детей с синдромом Дауна и другими генетическими заболеваниями. Ученые видят возможность успешного использования методов клонирования в борьбе со старением и для увеличения продолжительности жизни. Важнейшим приложением этой технологии является и область репродукции - при бесплодии, как женском, так и мужском.
Новые перспективы открываются также для применения клонирования в сельском хозяйстве и животноводстве. Путём клонирования можно получать животных с высокой продуктивностью яиц, молока, шерсти или таких животных, которые выделяют нужные человеку ферменты (инсулин, интерферон и др.). Комбинируя методы генной инженерии с клонированием, можно вывести трансгенные сельскохозяйственные растения, которые смогут сами себя защищать от вредителей или будут устойчивы к определённым болезням.
Здесь были перечислены только некоторые из возможностей, которые открываются, благодаря применению этой новейшей технологии. Однако, при всех своих достоинствах и перспективах, столь важных для решения многих проблем человечества, клонирование является одной из самых обсуждаемых областей науки и медицинской практики. Это связано с нерешенностью целого комплекса морально-этических и правовых аспектов, связанных с манипуляциями с половыми и стволовыми клетками, судьбой эмбриона и клонированием человека.
Некоторые этические и правовые аспекты применения биотехнологических методов
Этика - учение о нравственности, согласно которому главной добродетелью считается умение найти середину между двух крайностей. Данная наука основана Аристотелем.
Биоэтика - часть этики, изучающая нравственную сторону деятельности человека в медицине, биологии. Термин предложен В.Р. Поттером в 1969 г.
В узком смысле биоэтика обозначает круг этических проблем в сфере медицины. В широком смысле биоэтика относится к исследованию социальных, экологических, медицинских и социально-правовых проблем, касающихся не только человека, но и любых живых организмов, включенных в экосистемы. То есть она имеет философскую направленность, оценивает результаты развития новых технологий и идей в медицине, биотехнологии и биологии в целом.
Современные биотехнологические методы обладают настолько мощным и не до конца изученным потенциалом, что их широкое применение возможно только при строгом соблюдении этических норм. Существующие в обществе моральные принципы обязывают искать компромисс между интересами общества и индивида. Более того, интересы личности ставятся в настоящее время выше интересов общества. Поэтому соблюдение и дальнейшее развитие этических норм в этой сфере должно быть направлено, прежде всего, на всемерную защиту интересов человека.
Массовое внедрение в медицинскую практику и коммерциализация принципиально новых технологий в области генной инженерии и клонирования, привело также к необходимости создания соответствующей правовой базы, регулирующей все юридические аспекты деятельности в этих направлениях.
Новейшие биотехнологии создают огромные возможности вмешательства в жизнедеятельность живых организмов и неизбежно ставят человека перед нравственным вопросом: до какого предела допустимо вторжение в природные процессы? Любая дискуссия по биотехнологической проблематике не ограничивается научной стороной дела. В ходе этих дискуссий нередко высказываются диаметрально противоположные точки зрения по поводу применения и дальнейшего развития конкретных биотехнологических методов, прежде всего таких, как:
- генная инженерия,
- пересадка органов и клеток в терапевтических целях;
- клонирование - искусственное создание живого организма;
- использование препаратов, влияющих на физиологию нервной системы, для модификации поведения, эмоционального восприятия мира и т.д.
Практика, существующая в современных демократических обществах, показывает, что эти дискуссии абсолютно необходимы не только для более полного понимания всех «плюсов» и «минусов» применения методов, вторгающихся в личную жизнь человека уже на уровне генетики. Они позволяют также обсудить морально-этические аспекты и определить отдаленные последствия применения биотехнологий, что в свою очередь, помогает законодателям создавать адекватную правовую базу, регулирующую данную сферу деятельности в интересах защиты прав личности.
Остановимся на тех направлениях в биотехнологических исследованиях, которые напрямую связаны с высоким риском нарушения прав личности и вызывают наиболее острую дискуссию по поводу их широкого применения: пересадка органов и клеток в терапевтических целях и клонирование.
В последние годы резко возрос интерес к изучению и применению в биомедицине эмбриональных стволовых клеток человека и техники клонирования с целью их получения. Как известно, эмбриональные стволовые клетки способны трансформироваться в разные типы клеток и тканей (кроветворные, половые, мышечные, нервные и др.). Они оказались перспективными для применения в генной терапии, трансплантологии, гематологии, ветеринарии, фармакотоксикологии, при тестировании лекарств и пр.
Выделение этих клеток производят из эмбрионов и плодов человека 5-8 недель развития, полученных при медицинском прерывании беременности (в результате аборта), что порождает многочисленные вопросы относительно этической и юридической правомерности проведения исследований на эмбрионах человека, в том числе такие:
- насколько необходимы и оправданы научные исследования на эмбриональных стволовых клетках человека?
- допустимо ли ради прогресса медицины разрушать человеческую жизнь и насколько это морально?
- достаточно ли проработана правовая база для применения этих технологий?
Все эти вопросы решались бы гораздо проще, если бы существовало универсальное понимание, что такое «начало жизни», с какого момента можно говорить о «личности, нуждающейся в защите прав» и что подлежит защите: половые клетки человека, эмбрион с момента оплодотворения, плод с какого-то определенного этапа внутриутробного развития или человек с момента его появления на свет? У каждого из вариантов есть свои сторонники и противники, и вопрос о статусе половых клеток и эмбриона не нашел своего окончательного решения еще ни в одной стране мира.
В ряде стран запрещены любые исследования на эмбрионах (например, в Австрии, Германии). Во Франции права эмбриона защищаются с момента его зачатия. В Великобритании, Канаде и Австралии, хотя создание эмбрионов для исследовательских целей не запрещено, но разработана система законодательных актов, регулирующая и контролирующая подобные исследования. В России ситуация в этой области более чем неопределенная: деятельность по изучению и использованию стволовых клеток недостаточно отрегулирована, остаются существенные пробелы в законодательстве, мешающие развитию этого направления. В отношении же клонирования в 2002 г. федеральным законом был введен временный (на 5 лет) запрет на клонирование человека, но срок его действия истек в 2007 г., и вопрос остается открытым.
Ученые стараются четко разграничивать "репродуктивное" клонирование, цель которого - создание клона, то есть целого живого организма, идентичного другому организму по генотипу, и "терапевтическое" клонирование, применяемое для выращивания колонии стволовых клеток.
В случае стволовых клеток проблемы статуса эмбриона и клонирования приобретают новое измерение. Это связано с мотивацией данного рода научных исследований, а именно применение их для поиска новых, более эффективных способов лечения тяжелых и даже неизлечимых заболеваний. Поэтому в некоторых странах (таких как США, Канада, Англия), где до последнего времени считалось недопустимым использовать эмбрионы и технологии клонирования в терапевтических целях, происходит изменение позиции общества и государства в сторону допустимости их применения в целях лечения таких заболеваний, как рассеянного склероза, болезней Альцгеймера и Паркинсона, постмиокардиального инфаркта, недостаточности регенерации костной или хрящевой ткани, при черепно-лицевых травмах, диабете, миодистрофии и др.
В то же время терапевтическое клонирование многими рассматривается как первый шаг к репродуктивному клонированию, которое встречает крайне негативное отношение во всем мире, и на него повсеместно наложен запрет.
Клонирование человека в настоящее время официально нигде не осуществляется. Опасность в его применении в репродуктивных целях видят в том, что техника клонирования исключает естественное и свободное слияние генетического материала отца и матери, что воспринимается как вызов достоинству человека. Нередко говорится о проблемах самоидентификации клона: кого он должен считать родителями, почему он является генетической копией кого-то другого? Кроме того, клонирование сталкивается с некоторыми техническими препятствиями, которые подвергают опасности здоровье и благополучие клона. Есть факты, свидетельствующие о быстром старении клонов, возникновении у них многочисленных мутаций. В соответствии с техникой клонирования, клон вырастает из взрослой - не половой, а соматической клетки, в генетической структуре которой на протяжении многих лет происходили так называемые соматические мутации. Если при естественном оплодотворении мутировавшие гены одного родителя компенсируются нормальными аналогами другого родителя, то при клонировании такой компенсации не происходит, что значительно увеличивает для клона риск заболеваний, вызываемых соматическими мутациями, и многих тяжелых заболеваний (рака, артрита, иммунодефицитов). Помимо прочего, у некоторых людей возникает страх перед клонированным человеком, перед его возможным превосходством в физическом, моральном и духовном развитии (российский врач-психиатр В. Яровой считает, что этот страх носит характер психического расстройства (фобии) и даже присвоил ему в 2008 г. название «бионализм»).
Здесь были обсуждены только некоторые из многочисленных проблем, которые возникают в связи с бурным развитием биотехнологий и вторжением их в жизнь человека. Безусловно, прогресс науки остановить нельзя и вопросы, которые она ставит, возникают быстрее, чем общество может на них найти ответы. Справиться с этим положением дел можно лишь понимая, насколько важно широко обсуждать в обществе этические и правовые проблемы, которые появляются по мере развития и внедрения в практику биотехнологий. Наличие колоссальных идеологических расхождений по этим вопросам вызывает осознанную необходимость серьезного государственного регулирования в этой сфере.
От «биотехнологии» к «биоэкономике»
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что передовые биотехнологии способны играть существенную роль в улучшении качества жизни и здоровья человека, обеспечении экономического и социального роста государств (особенно в развивающихся странах).
С помощью биотехнологии могут быть получены новые диагностические средства, вакцины и лекарственные препараты. Биотехнология может помочь в увеличении урожайности основных злаковых культур, что особенно актуально в связи с ростом численности населения Земли. Во многих странах, где большие объёмы биомассы не используются или используются не полностью, биотехнология могла бы предложить способы их превращения в ценные продукты, а также переработки с использованием биотехнологических методов для производства различных видов биотоплива. Кроме того, при правильном планировании и управлении биотехнология может найти применение в небольших регионах как инструмент индустриализации сельской местности для создания небольших производств, что обеспечит более активное освоение пустующих территорий и будет решать проблему занятости населения.
Особенностью развития биотехнологии в XXI веке является не только ее бурный рост как прикладной науки, она все более широко входит в повседневную жизнь человека, и что еще более существенно - обеспечивая исключительные возможности для эффективного (интенсивного, а не экстенсивного) развития практически всех отраслей экономики, становится необходимым условием устойчивого развития общества, и тем самым оказывает трансформирующее влияние на парадигму развития социума в целом.
Широкое проникновение биотехнологий в экономику мирового хозяйства нашло свое отражение и в том, что сформировались даже новые термины для обозначения глобальности данного процесса. Так, применение биотехнологических методов в промышленном производстве, стали называть «белая биотехнология», в фармацевтическом производстве и медицине - «красная биотехнология», в сельскохозяйственном производстве и животноводстве - «зеленая биотехнология», а для искусственного выращивания и дальнейшей переработки водных организмов (аквакультура или марикультура) - «синяя биотехнология». А экономика, интегрирующая все эти инновационные области, получила название «биоэкономика». Задача перехода от традиционной экономики к экономике нового типа - биоэкономике, основанной на инновациях и широко использующей возможности биотехнологии в различных отраслях производства, а также в повседневной жизни человека, уже объявлена стратегической целью во многих странах мира.
Татьяна Гаева, к.б.н,
Общество биотехнологов России им. Ю.А. Овчинникова
Биотехнология, ее объекты и основные направления. Биотехнология - это производство необходимых человеку продуктов и биологически активных соединений с помощью живых организмов, культивируемых клеток и биологических процессов.
С незапамятных времен биотехнология применялась преимущественно в пищевой и легкой промышленности, а именно - в виноделии, хлебопечении, сбраживании молочных продуктов, при обработке льна, кож и т.д., т.е. в процессах, основанных на применении микроорганизмов. В последние десятилетия возможности биотехнологии необычайно расширились.
Объектами биотехнологии служат вирусы, бактерии, протисты, дрожжи, а также растения, животные или изолированные клетки и субклеточные структуры (органеллы).
Основными направлениями биотехнологии являются: 1) производство с помощью микроорганизмов и культивируемых эукариотических клеток биологически активных соединений (ферментов, витаминов, гормонов), лекарственных препаратов (антибиотиков, вакцин, сывороток, высокоспецифичных антител и др.), а также ценных соединений (кормовых добавок, например незаменимых аминокислот, кормовых белков; 2) использование биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка сточных вод, загрязнений почвы) и защита растений от вредителей и болезней; 3) создание новых полезных штаммов микроорганизмов, сортов растений, пород животных и т.п.
Задачи, методы и достижения биотехнологии. Главной задачей селекционеров в наше время стало решение проблемы создания новых форм растений, животных и микроорганизмов, хорошо приспособленных к индустриальным способам производства, устойчиво переносящих неблагоприятные условия, эффективно использующих солнечную энергию и, что особенно важно, позволяющих получать биологически чистую продукцию без чрезмерного загрязнения окружающей среды. Принципиально новыми подходами к решению этой фундаментальной проблемы является использование в селекции генной (генетической) и клеточной инженерии.
Генная инженерия - это раздел молекулярной генетики, связанный с целенаправленным созданием новых молекул ДНК, способных реплицироваться в клетке-хозяине и осуществлять контроль за синтезом необходимых метаболитов. Генная инженерия занимается расшифровкой структуры генов, их синтезом и клонированием, вставкой выделенных из клеток живых организмов или вновь синтезированных генов в клетки растений и животных с целью направленного изменения их наследственных свойств.
Для осуществления переноса генов (или трансгенеза) от одного вида организмов в другой, часто очень далекий по своему происхождению, необходимо выполнить несколько сложных операций:
выделение генов (отдельных фрагментов ДНК) из клеток бактерий, растений или животных. В отдельных случаях эту операцию заменяют искусственным син тезом нужных генов;
соединение (сшивание) отдельных фрагментов ДНК любого происхождения в единую молекулу в составе плазмиды;
введение гибридной плазмидной ДНК, содержащей нужный ген, в клетки хозяина;
копирование (клонирование) этого гена в новом хозяине с обеспечением его работы (рис. 8.11).
Клонированный ген путем микроинъекции вводят в яйцеклетку млекопитающего или протопласт растения (изолированная клетка, лишенная клеточной стенки) и выращивают из них целое животное или растение. Растения и животные, геном которых изменен путем генно-инженерных операций, получили названиетрансгенных растений и трансгенных животных.
Уже получены трансгенные мыши, кролики, свиньи, овцы, в геноме которых работают чужеродные гены различного происхождения, в том числе гены бактерий, дрожжей, млекопитающих, человека, а также трансгенные растения с генами других, неродственных видов.
На сегодняшний день методы генной инженерии позволили осуществить синтез в промышленных количествах таких гормонов, как инсулин, интерферон и соматотропин (гормон роста), которые необходимы для лечения генетических болезней человека - сахарного диабета, некоторых видов злокачественных опухолей и карликовости соответственно.
Клеточная инженерия - метод, позволяющий конструировать клетки нового типа. Метод заключается в культивировании изолированных клеток и тканей на искусственной питательной среде в регулируемых условиях, что стало возможным благодаря способности растительных клеток в результате регенерации формировать целое растение из единичной клетки. Условия регенерации разработаны для многих культурных растений, таких как картофель, пшеница, ячмень, кукуруза, томат и др. Работа с этими объектами делает возможным использование в селекции нетрадиционных методов клеточной инженерии, таких как соматическая гибридизация, гаплоидия, клеточная селекция, преодоление нескрещиваемости в культуре и др.
Соматическая гибридизация - это слияние двух различных клеток в культуре тканей. Сливаться могут разные виды клеток одного организма и клетки разных, иногда очень далеких видов, например, мыши и крысы, кошки и собаки, человека и мыши.
Культивирование клеток растений стало возможным, когда научились с помощью ферментов избавляться от толстой клеточной стенки и получать изолированный протопласт. Протопласты можно культивировать так же, как и клетки животных, обеспечивать слияние их с протопластами других видов растений и получать в соответствующих условиях новые гибридные растения.
Важное направление клеточной инженерии связано с ранними стадиями эмбриогенеза. Например, оплодотворение яйцеклеток в пробирке уже сейчас позволяет преодолевать некоторые распространенные формы бесплодия у человека. У сельскохозяйственных животных с помощью инъекции гормонов удается получить от одной коровы-рекордистки десятки яйцеклеток, оплодотворить их в пробирке спермой породистого быка, а затем имплантировать в матку других коров и таким путем получить от одного ценного экземпляра в 10 раз большее потомства, чем это было бы возможно обычным путем.
Культуру растительных клеток выгодно использовать для быстрого размножения медленно растущих растений - женьшеня, маслинной пальмы, малины, персика и др. Так, при обычном разведении куст малины может дать не более 50 отростков в год, в то время как с помощью культуры клеток можно получить более 50 тыс. растений. При таком разведении иногда возникают растения более продуктивные, чем исходный сорт.
У биотехнологии, генетической и клеточной инженерии многообещающие перспективы. Внедрение нужных генов в клетки растений, животных и человека позволит постепенно избавиться от многих наследственных болезней человека, заставить клетки синтезировать необходимые лекарства и биологически активные соединения, а затем - непосредственно белки и незаменимые аминокислоты, употребляемые в пищу. Используя методы, уже освоенные природой, биотехнологи надеются получать с помощью фотосинтеза водород - самое экологически чистое топливо будущего, электроэнергию, превращать в аммиак атмосферный азот при обычных условиях.
Биотехнология - это производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью живых организмов, культивируемых клеток и биологических процессов. Основными направлениями биотехнологии являются: производство биологически активных соединений (витаминов, гормонов, ферментов), лекарственных препаратов и других ценных соединений, разработка и использование биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды, создание новых полезных штаммов микроорганизмов, сортов растений, пород животных и т.д. Решению этих сложных задач способствуют методы генной и клеточной инженерии.
История биотехнологии
Впервые термин «биотехнология» применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году
Отдельные элементы биотехнологии появились достаточно давно. По сути, это были попытки использовать в промышленном производстве отдельные клетки (микроорганизмы) и некоторые ферменты , способствующие протеканию ряда химических процессов.
Огромный вклад в дело практического использования достижений биохимии внёс академик А. Н. Бах, создавший важное прикладное направление биохимии - техническую биохимию. А. Н. Бах и его ученики разработали множество рекомендаций по улучшению технологий обработки самого различного биохимического сырья, совершенствованию технологий хлебопечения, пивоварения, виноделия, производства чая и табака и т. п. , а также рекомендации по повышению урожая культурных растений путём управления протекающими в них биохимическими процессами.
Все эти исследования, а также прогресс химической и микробиологической промышленности и создание новых промышленных биохимических производств (чая, табака и т. п. ) были важнейшими предпосылками возникновения современной биотехнологии.
В производственном отношении основой биотехнологии в процессе её формирования стала микробиологическая промышленность. За послевоенные годы микробиологическая промышленность приобрела принципиально новые черты: микроорганизмы стали использовать не только как средство повышения интенсивности биохимических процессов, но и как миниатюрные синтетические фабрики, способные синтезировать внутри своих клеток ценнейшие и сложнейшие химические соединения. Перелом был связан с открытием и началом производства антибиотиков .
Использование ферментов - биологических катализаторов - очень заманчивая вещь. Ведь они по многим своим свойствам, прежде всего активности и избирательности действия (специфичности), намного превосходят катализаторы химические. Ферменты обеспечивают осуществление химических реакций без высоких температур и давлений, а ускоряют их в миллионы и миллиарды раз. При этом каждый фермент катализирует только одну определённую реакцию.
В пищевой и кондитерской промышленности ферменты применяются уже давно: многие из первых патентов ещё начала века касались производства ферментов именно для этих целей. Однако требования к этим препаратам тогда были не очень высокие - по существу, в производстве использовались не чистые ферменты, а различные вытяжки или полуразрушенные и высушенные клетки дрожжей или низших грибов. Ферменты (вернее, содержащие их препараты) использовали и в текстильной промышленности для отбеливания и обработки пряжи и хлопковых нитей.
Возможные способы применения массовой культуры водорослей.
Биологические катализаторы можно использовать также не извлекая их из живых организмов, прямо в бактериальных клетках, например. Этот способ, собственно, есть основа всякого микробиологического производства, и применяется он издавна.
Гораздо заманчивее использовать чистые препараты ферментов и избавиться таким образом от побочных, сопутствующих жизнедеятельности микроорганизмов реакций. Создание производства, в котором используется биологический катализатор в чистом виде как реактив, сулит очень большие выгоды - повышается технологичность, возрастают во много тысяч раз производительность и чистота процессов. Но здесь возникает принципиальное затруднение: многие ферменты после их извлечения из клетки очень быстро инактивируются, разрушаются. Ни о каком многократном их использовании не может быть и речи.
Учёные нашли решение проблемы. Для того чтобы стабилизировать, или, как говорят, иммобилизовать, ферменты, сделать их устойчивыми, пригодными для многократного, длительного промышленного использования, ферменты присоединяют с помощью прочных химических связей к нерастворимым или растворимым носителям - ионообменным полимерам, полиорганосилоксанам, пористому стеклу, полисахаридам и т. п. В результате ферменты становятся устойчивыми и могут быть использованы многократно. (Эта идея была затем перенесена в микробиологию - возникла мысль иммобилизовать живые клетки. Иногда очень нужно, чтобы они в процессе микробиологического синтеза не загрязняли среду, не смешивались с синтезируемыми ими продуктами и вообще были бы больше похожи на химические реактивы. И такие иммобилизованные клетки были созданы; они успешно применяются, например, при синтезе стероидных гормонов - ценных лекарственных препаратов).
Разработка способа повышения устойчивости ферментов значительно расширяет возможности их использования. С помощью ферментов можно, например, получать сахар из растительных отходов, и этот процесс будет экономически рентабельным. Уже создана опытная установка для непрерывного производства сахара из клетчатки.
Иммобилизованные ферменты находят применение и в медицине. Так, в нашей стране для лечения сердечно-сосудистых заболеваний разработан препарат иммобилизованной стрептокиназы (препарат получил название «стрептодеказа»). Этот препарат можно вводить в сосуды для растворения образовавшихся в них тромбов . Растворимая в воде полисахаридная матрица (к классу полисахаридов относятся, как известно, крахмал и целлюлоза , близким к ним по строению был и подобранный полимерный носитель), к которой химически «привязана» стрептокиназа, значительно повышает устойчивость фермента, снижает его токсичность и аллергическое действие и не влияет на активность, способность фермента растворять тромбы.
Субстраты для получения белка одноклеточных для разных классов микроорганизмов.
Создание иммобилизованных ферментов, так называемая инженерная энзимология , - одно из новых направлений биотехнологий. Достигнуты лишь первые успехи. Но они существенно преобразили прикладную микробиологию, техническую биохимию и ферментную промышленность. Во-первых, в микробиологической промышленности сейчас актуальными стали разработки производства ферментов самой различной природы и свойства. Во-вторых, возникли новые области производства, связанные с получением именно иммобилизованных ферментов. В-третьих, создание новых ферментных препаратов открыло возможность организации ряда новых производств для получения нужных веществ с помощью биологические катализаторов.
Плазмиды
Наибольшие успехи были достигнуты в области изменения генетического аппарата бактерий. Вводить новые гены в геном бактерии научились с помощью небольших кольцеобразных молекул ДНК - плазмид , присутствующих в бактериальных клетках. В плазмиды «вклеивают» необходимые гены, а затем такие гибридные плазмиды добавляют к культуре бактерий, например кишечной палочки . Некоторые из этих бактерий поглощают такие плазмиды целиком. После этого плазмида начинает реплицироваться в клетке, воспроизводя в клетке кишечной палочки десятки своих копий, которые обеспечивают синтез новых белков.
Генная инженерия
Сейчас созданы и создаются ещё более остроумные методы введения генов в клетку прокариотов (организмов, не имеющих оформленного ядра и хромосомного аппарата). На очереди разработка методов введения новых генов в клетки эукариотов, прежде всего высших растений и животных организмов.
Но и то, что уже достигнуто, позволяет сделать очень многое в практике народного хозяйства. Возможности микробиологического производства значительно расширились. Благодаря генетической инженерии область микробиологического синтеза различных биологически активных соединений, полупродуктов для синтеза, кормовых белков и добавок и других веществ стала одной из наиболее окупаемых наук: вложение средств в перспективные биотехнологические исследования обещает получение высокого экономического эффекта.
Для селекционной работы, независимо от того, проводится она методами мутагенеза или «индустрии ДНК», учёные должны располагать многочисленными коллекциями микроорганизмов. Но сейчас даже выделение нового штамма природных микроорганизмов, ранее неизвестных науке, обходится на мировом «рынке бактериальных культур» приблизительно в 100 долларов. А для того, чтобы получить хороший промышленный штамм обычными селекционными методами, надо иногда затратить миллионы.
Сейчас уже существуют способы ускорить и удешивить эти процессы. Например,во Всесоюзном научно-исследовательском институте генетики и селекции микроорганизмов Главмикробиопрома был получен промышленный штамм-сверхпродуцент микроорганизма, синтезирующего треонин - незаменимую аминокислоту, которая в кормах сельскохозяйственных животных содержится в недостаточном количестве. Добавка треонина в корм повышает привесы животных на килограммы, что в масштабах страны оборачивается миллионами рублей прибыли, а самое главное - приростом мясной продукции животноводства.
Коллектив учёных института под руководством директора В. Г. Дебабова за основу для получения промышленного штамма взял обыкновенную кишечную палочку - повсеместно распространённый микроорганизм. Сначала были получены мутантные клетки, способные накапливать в среде избыток треонина. Затем в клетке были вызваны генетические изменения, которые привели к усилению биосинтеза аминокислот. Таким путём удалось получить штамм, который производил треонин, но в 10 раз меньше того количества, которое требовалось по соображениям рентабельности производства. Тогда в дело были выпущены методы генетической инженерии. С их помощью была увеличена «доза треонинового гена» в молекуле бактериальной ДНК. Причём количество генов, обусловливающих синтез треонина, было в молекуле ДНК клетки увеличено в несколько раз: одинаковые гены оказались как бы нанизанными один за другим в молекуле ДНК. Естественно, биосинтез треонина пропорционально увеличился и достиг уровня, достаточного для промышленного производства.
Правда, после этого штамм пришлось ещё улучшать, причём снова генетически. Сначала для того, чтобы культуру бактерий очистить от клеток, в которых плазмиды с «треониновым геном» исчезали в процессе размножения культуры. Для этого в клетки был «вшит» ген, содержащий закодированный сигнал к «самоубийству» клеток, в которых плазмид с «треониновым геном» после деления не оказывалось. Таким путём культура клеток самоочищалась от балластных микроорганизмов. Затем в клетки был введён ген, благодаря которому она могла развиваться на сахарозе (а не дорогих глюкозе и фруктозе, как раньше) и производить рекордные количества треонина.
По существу, полученный микроорганизм уже не был кишечной палочкой: манипуляции с его генетическим аппаратом привели к появлению принципиально нового организма, сконструированного вполне сознательно и целенаправленно. И эта сложнейшая многоступенчатая работа, имеющая огромное практическое значение, была проведена с помощью новых оригинальных методов генетической инженерии за очень короткий срок - всего за три года.
К 1981 г. в ряде институтов страны, и прежде всего в Институте биоорганической химии им. М. М. Шемякина АН СССР под руководством академика Ю. А. Овчиникова, были выполнены ещё более впечатляющие работы. Эти исследования приобрели сейчас форму чётких долгосрочных программ, по которым их развивают дальше ряд академических и отраслевых институтов. Эти исследования были направлены на то, чтобы осуществить поистине чудо - ввести в бактериальную клетку ген, выделенный из человеческого организма.
Работа велась сразу с несколькими генами: геном ответственным за синтез гормона инсулина, геном, обеспечивающим образование интерферона, и геном, контролирующим синтез гормона роста.
Прежде всего учёные поставили перед собой задачу «обучения» бактерии синтезу ценнейшего медицинского препарата - гормона инсулина. Инсулин необходим для лечения сахарного диабета. Этот гормон надо вводить больным постоянно, а производство его традиционным способом (из поджелудочных желез убойного скота) сложно и дорого. К тому же молекулы инсулина свиньи или крупного рогатого скота отличаются от молекул инсулина человека, и естественно, что активность их в организме человека ниже, чем активность человеческого инсулина. Кроме того, инсулин - хотя и небольшой по размерам, но всё же белок, и в организме человека со временем накапливаются антитела к нему: организм борется против чужеродных белков, отторгает их. Поэтому введённый бычий или свиной инсулин может начать необратимо инактивироваться, нейтрализовываться этими антителами и в результате может исчезнуть прежде, чем успеет оказать лечебное действие. Чтобы этого не произошло, необходимо вводить в организм вещества, предотвращающие этот процесс, но они сами по себе не безразличны для организма.
Человеческий инсулин можно было бы получать с помощью химического синтеза. Но этот синтез настолько сложен и дорог, что его проводили только в экспериментальных целях, а полученные количества инсулина были недостаточны даже для одной инъекции. Это был, скорее, символической синтез, доказательство того, что химики могут синтезировать в пробирке настоящий белок.
Учитывая всё это, учёные и поставили перед собой такую сложную и очень важную задачу - наладить биохимическое производство человеческого инсулина. Был получен ген, обеспечивающий синтез инсулина. С помощью методов генетической инженерии этот ген был введён в бактериальную клетку, которая в результате приобрела способность синтезировать гормон человека.
Столь же большой интерес и не меньшее (а может быть, и большее) значение имела работа, выполненная в том же институте, по введению методами генетической инженерии в бактериальную клетку гена, ответственного за синтез интерферона человека. (Интерферон - это белок, играющий исключительно важную роль в борьбе организма против вирусных инфекций.) Ген интерферона также был введён в клетку кишечной палочки. Созданные штаммы отличались высоким выходом интерферона, обладающего мощным противовирусным действием. Сейчас уже получены первые промышленные партии человеческого интерферона. Осуществление промышленного производства интерферона - очень важное достижение, так как предполагают, что интерферон обладает также и противоопухолевой активностью.
В институте АН СССР были проведены работы по созданию бактериальных клеток, продуцирующих соматотропин - гормон роста человека. Ген этого гормона был выделен из гипофиза и методами генетической инженерии встроен в более сложную молекулу ДНК, которую затем ввели в генетический аппарат бактерии. В результате бактерия приобрела способность синтезировать человеческий гормон. Эта бактериальная культура, так же как и культура бактерий с введённым геном инсулина, апробируется для промышленного получения человеческих гормонов в микробиологическом производстве.
Это лишь отдельные примеры работ по введению генов высших организмов в клетки бактерий. Есть ещё немало подобных интересных и перспективных работ.
Вот ещё один пример. Английские биохимики из плодов одного африканского кустарника выделили довольно крупный белок (около 200 аминокислотных остатков) - тауматин. Этот белок оказался в 100 тыс. раз слаще сахарозы. Сейчас во всём мире думают над созданием заменителей сахара, который при большом потреблении далеко не безвреден для организма. Поэтому тауматин - природный продукт, не требующий специальных токсикологических испытаний, - привлёк пристальное внимание: ведь ничтожные его добавки в кондитерские изделия позволяют просто исключить использование сахара. Учёные решили, что получать тауматин проще и выгоднее не из естественного источника, а микробиологическим синтезом с помощью бактерий, в которые введён ген тауматина. И эту работу выполнили, введя этот ген во всё ту же кишечную палочку. Сейчас пока заменитель сахара тауматин (под названием «талин») производят из природного источника, но не за горами и его микробиологическое производство.
Пока речь шла о введении генов в клетки бактерий. Но это не означает, что не ведётся работа и по введению искусственных генов в высшие организмы - растения и животных. Здесь не меньше, а гораздо больше привлекательных идей. Практическое воплощение некоторых из них будет иметь для человечества исключительно важное значение. Так, известно, что высшие растения не могут усваивать азот атмосферы: они получают его из почвы в виде неорганических солей или в результате симбиоза с клубеньковыми бактериями. Осуществление идеи - ввести гены этих бактерий в растения - может привести к коренным революционным изменениям в сельском хозяйстве.
Как же обстоят дела с введением генов в генетический аппарат эукариотов? Основная трудность здесь заключается в том, что изменить генотип всех клеток многоклеточного организма невозможно. Поэтому надежды связывают с созданием методов генетической инженерии, предназначенных для работы с культурами клеток растений и с одноклеточными растениями.
Введение синтетических генов в искусственно культивируемые клетки может привести к получению модифицированного растения: при определённых условиях изолированные клетки могут превращаться в целые растения. И в таком растении должны действовать и передаваться по наследству искусственно введённые в исходную клетку гены.
Здесь помимо перспектив успешного использования методов генетической инженерии вырисовывается ещё одно преимущество биотехнологии - методом клеточной биотехнологии из одного растения можно получить миллионы одинаковых растений, а не десятки, как при использовании семян. Клеточная технология не требует больших площадей, не зависит от погодных условий и отличается огромной производительностью.
Советские учёные сейчас исследуют ещё один путь введения генов в клетки растений - создают симбиотическое сообщество, где в протопласты растений (они лишены целлюлозной оболочки) пытаются внедрить цианобактерии, которые способны и к фотосинтезу, и к азотфиксации.
Определённые перспективы имеются и в области использования методов генетической инженерии в работе с животными, во всяком случае существует принципиальная возможность переноса генетического материала в клетки животных. Особенно убедительно это показано на гибридомах. Гибридома - это клетка, образованная из лимфоцита, вырабатывающего антитела, и опухолевой клетки, способной к неограниченному размножению, и сочетающая оба эти свойства. С помощь гибридом можно получать высокоспецифичные антитела. Метод гибридом - это ещё один биотехнологический приём получения ценных белков.
Космическая биотехнология При реализации программ пилотируемых полетов в бывшем СССР сложился научно-технический потенциал в области космической биотехнологии с участием головных организаций Росавиакосмоса, Минмедпрома, РАН и РАМН, которые создали аппаратурно-методическую базу, необходимую для осуществления биотехнологических экспериментов в условиях орбитального полета.За 15 летний период выполнен ряд программ биотехнологических экспериментов, их результаты внедрены в технологии по производству различных биологически активных веществ (антибиотиков, иммунностимуляторов и др.). С использованием методов космической биотехнологии создан целый ряд новейших лечебных и диагностических препаратов. Накопленный опыт позволил определить наиболее перспективные направления развития космической биотехнологии:· получение высококачественных кристаллов биологически значимых веществ в целях определения их пространственной структуры и создания новых препаратов для медицины, фармакологии, ветеринарии, других отраслей народного хозяйства и различных областей науки;· получение и отбор в условиях микрогравитации улучшенных, а также рекомбинантных промышленных штаммов микроорганизмов, продуцентов биологически активных веществ для медицины, фармакологии, сельского хозяйства и экологии; электрофоретическое разделение биологических субстанций, в частности, тонкая высокопроизводительная очистка генно-инженерных и вирусных белков, преимущественно медицинского назначения, а также выделение специфических клеток, характеризующихся требуемыми секреторными функциями;· исследование влияния факторов космического полета на биологические объекты и физико-химические характеристики биотехнологических процессов с целью расширения фундаментальных знаний в области биологии и биотехнологии. В 1989 году РКК "Энергия" им. С.П. Королёва и РАО "Биопрепарат", объединив усилия в исследованиях по одной из перспективных областей космической деятельности, создали лаборатории космической биотехнологии. Научное руководство работами в области биотехнологии в рамках российской национальной программы на орбитальной станции "Мир" и российском сегменте международной космической станции осуществляет председатель секции "Космическая биотехнология" КНТС Росавиакосмоса и РАН, Заслуженный деятель науки Российской Федерации, профессор Юрий Тихонович Калинин. Координация работ, обеспечение создания и предполетной подготовки бортовой научной аппаратуры, биологических материалов при реализации биотехнологических проектов, а также обработка и анализ полученных результатов осуществляются специализированными лабораториями космической биотехнологии в РАО "Биопрепарат" (на базе АООТ "Биохиммаш") и в РКК "Энергия" им. С.П. Королёва. Для непосредственной реализации экспериментов на борту орбитальных станций разработан комплекс мероприятий по их организации, обеспечению и сопровождению на всех стадиях проведения:· подготовка научных экспериментов и аппаратуры, тренировка экипажей совместно с Российским государственным научно-исследовательским и испытательным центром подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина;· доставка научной аппаратуры на орбитальный комплекс; материально-техническое обеспечение экспериментов на борту орбитального комплекса; планирование, подготовка и сопровождение экспериментов в Центре Управления Полетами;· возвращение результатов экспериментов с орбиты и их доставка с места посадки спускаемого аппаратам лабораторию. Вышеупомянутыми лабораториями космической биотехнологии разработаны пакеты документов, необходимых для реализации космических экспериментов, в т. ч. методики предполетной подготовки, паспорта и сертификаты и др. разрешительная документация.Мы готовы, по выбору заказчика, дать необходимые научные консультации в данной области, а также подготовить и провести космические эксперименты с любыми биологическими объектами.Очевидна неоднократно подтвержденная нами в коммерческих проектах с зарубежными фирмами перспективность получения в условиях микрогравитации высококачественных кристаллов биологических веществ. Они позволили с высокой точностью изучить пространственную структуру различных биополимеров и использовать результаты для создания качественно новых лечебных, профилактических и диагностических препаратов.Наш опыт работы с микробиологическими культурами биодеградантов нефти и нефтепродуктов, а также со штаммами, используемыми для препаратов средств защиты растений, культурами клеток высших растений, позволил получить варианты культур после их экспозиции в космосе, значительно превышающие по активности исходные штаммы. Эксперименты по рекомбинации микроорганизмов в условиях орбитального полета показали реальную возможность 100% передачи генетического материала между отдаленными видами, что позволяет получать уникальные гибриды с новыми заданными свойствами.Многочисленные результаты экспериментов, проведенных в условиях микрогравитации по электрофоретической очистке и разделению белковых и клеточных биообъектов, подтвердили возможность и эффективность использования электрофоретических методов в целях наработки опытных и опытно-промышленных партий особо чистых и высокооднородных хозяйственно-ценных биологически-активных веществ.Мы готовы по Вашим заказам на нашем или ином оборудовании обеспечить проведение исследований по кристаллизации биологических объектов в космосе, получению улучшенных или рекомбинантных штаммов, а также электрофорезу и другим направлениям исследований, как по Вашему заказу, так и в кооперации.По нашему мнению весьма перспективным направлением, как в научном так и в коммерческом плане может служить проект по созданию универсальной установки по выращиванию и получению кристаллических белков в условиях космического полета.Описание проекта прилагается.Мы рассмотрим также любые предложения от заинтересованных лиц по подготовке и проведению космических биотехнологических экспериментов, выполним экспертизу их реализуемости и обеспечим осуществление предложенных проектов на коммерческой основе.ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ПРОЕКТАПроект осуществляется усилиями РАО "Биопрепарат" и потенциальными участниками, заинтересованными в разработке перспективной биотехнологической научной аппаратуры и получении в условиях космического полета конкурентноспособной биопродукции.Основной целью проекта по кристаллизации биопрепаратов в условиях орбитального полета является создание и эксплуатация на международной космической станции (МКС) биокристаллизационной аппаратуры нового поколения, способной обеспечить получение крупных однородных кристаллов большого спектра биообъектов, а также оперативное получение на Земле видео и телеметрической информации об основных параметрах процесса и получаемых результатах.При организации работ в рамках проекта ставятся следующие задачи:· отработка механизмов взаимодействия между сторонами участниками проекта по организационно-методическим, техническим, научным и экономическим вопросам;· на базе российских биокристаллизаторов и зарубежной электронной и видео аппаратуры изготовить макетные и летные образцы биокристаллизационной аппаратуры с характеристиками, превышающими известные мировые аналоги по эффективности и надежности;· осуществлять на МКС эксплуатацию созданной аппаратуры; как по индивидуальным национальным программам сторон участников, так и по совместным научным или коммерческим проектам;· поиск путей и способов реализации научных результатов, полученных в ходе полетных экспериментов на основе взаимных интересов сторон участников проекта. КРАТКИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АППАРАТУРЫНиже представлены краткие технические характеристики аппаратуры для кристаллизации биообъектов, создаваемой на базе российских разработок.Универсальный биокристаллизаторФункционально аппаратура представляет собой комплект универсальных кристаллизационных кассет, позволяющих реализовать кристаллизацию белков (или др. биообъектов) различными методами.Аппаратура обеспечивает:· многоуровневую и высоконадежную герметизацию камер с рабочими растворами;· быстрое выполнение операций по раздельной заправке камер кристаллизационных кассет растворами белка (или другого биополимера) и осадителя;· реализацию нескольких методов кристаллизации в одной кассете;· высокую воспроизводимость характеристик процесса в различных кристаллизационных ячейках универсальной кассеты;· высокую степень взаимозаменяемости основных функциональных элементов биокристаллизатора; · удобное и быстрое выполнение операций стерилизации, сборки, проверки герметичности и заправки рабочими растворами;· удобное и неразрушающее извлечение полученных кристаллов;· высокую надежность и ремонтопригодность;· ручную и автоматическую активацию/деактивацию процесса кристаллизации;· измерение и регистрацию температуры кристаллизационных кассет на всех этапах транспортировки и эксплуатации;· высокий коэффициент использования массы полезного груза на этапах выведения на орбиту и возвращения на Землю;· низкая требовательность к средствам доставки и возвращения;· гибкость построения и использования научной программы при минимальных используемых ресурсах МКС;· возможность модульного наращивания кристаллизационных ячеек в зависимости от требований заказчиков. Доставка на борт МКС и возвращение на Землю кассет универсального биокристаллизатора осуществляется в термоизолирующем возвращаемом контейнере (ТВК) с автономным регистратором температуры.СОСТАВ АППАРАТУРЫПолная конфигурация аппаратуры имеет следующий состав:· комплект кассет универсального биокристаллизатора - 12 шт. (конфигурация кассет определяется постановщиком эксперимента);· термоизолирующий возвращаемый контейнер (ТВК) с автономным регистратором температуры;· ручной привод кассет;· термостат биотехнологический универсальный (ТБУ) для активного термостатирования кассет в полуавтоматическом режиме;· блок электропривода активации/деактивации кассет в ТБУ;· блок управления электроприводом;· система видеоконтроля кристаллизационных ячеек в ТБУ;· блок наблюдения и управления системой видеоконтроля и интерфейса (СВИ) с TV-системой МКС;· комплект соединительных кабелей. Каждая из универсальных кристаллизационных кассет конструктивно выполнена моноблочно. Кассета включает в себя 4 автономные кристаллизационные ячейки. Каждая кристаллизационная ячейка, в свою очередь, имеет от одной до трех кристаллизационных (белковых) камер и одну или несколько камер для раствора осадителя.
Биогидрометаллургия
Данное направление было ранее известно как Микробное выщелачивание металлов из руд. Изучает добычу металлов из их руд при помощи микроорганизмов. В 50-е - 60-е годы выяснилось, что существуют микроорганизмы, способные переводить металлы из рудных минералов в раствор. Механизмы такого перевода бывают разные. Например, некоторые выщелачивающие микроорганизмы непосредственно окисляют пирит : 4F e S 2 + 15O 2 + 2H 2 O = 2F e 2 (S O 4) 3 + 2H 2 S O 4
А ион трехвалентного железа служит сильным окисляющим агентом, способным переводить в раствор медь из халькоцинита: C u 2 S + 2F e 2 (S O 4) 3 = 2C u S O 4 + 4F e S O 4 + S или Уран из уранинита: U O 2 + F e 2 (S O 4) 3 = U O 2 S O 4 + 2F e S O 4
Реакции окисления являются экзотермическими, при их протекании выделяется энергия, используемая микроогранизмами в ходе своей жизнедеятельности.
Итак, какова же структура биотехнологии? Учитывая, что биотехнология активно развивается и структура её окончательно не определилась, можно говорить лишь о тех видах биотехнологии, которые существуют в настоящее время. Это клеточная биотехнология - прикладная микробиология , культуры растительных и животных клеток (об этом шла речь, когда мы говорили о микробиологической промышленности, о возможностях клеточных культур, о химическом мутагенезе). Это генетическая биотехнология и молекулярная биотехнология (они обеспечивают «индустрию ДНК»). И наконец, это моделирование сложных биологических процессов и систем, включающее инженерную энзимологию (об этом мы говорили, когда рассказывали об иммобилизованных ферментах).
Очевидно, что биотехнология имеет огромное будущее. И дальнейшее её развитие тесно связано с одновременным развитием всех важнейших отраслей биологической науки, исследующих живые организмы на разных уровнях их организации. Ведь как бы ни дифференцировалась биология, какие бы новые научные направления не возникали, объектом их исследования всегда будут живые организмы, представляющие собой совокупность материальных структур и разнообразнейших процессов составляющих физическое, химическое и биологическое единство. И этим - самой природой живого - предопределяется необходимость комплексного изучения живых организмов. Поэтому естественно и закономерно что биотехнология возникла в результате прогресса комплексного направления - физико-химической биологии и развивается одновременно и параллельно с этим направлением.
Всегда одной из основных практических задач клеточной и тканевой инженерии являлось создание на основе культивированных in vitro клеток живых эквивалентов тканей и органов с целью их использования в заместительной терапии для восстановления повреждённых структур и функций организма. Наибольшие успехи в этом направлении достигнуты при использовании выращенных in vitro кератиноцитов для лечения повреждений кожного покрова, и в первую очередь - при лечении ожоговых ран.
В заключение надо отметить ещё одно важное обстоятельство, которое отличает биотехнологию от других направлений науки и производства. Она исходно ориентирована на проблемы, которые тревожат современное человечество: производство продуктов питания (прежде всего белка), сохранение энергетического равновесия в природе (отход от ориентировки на использование невосполнимых ресурсов в пользу ресурсов восполнимых), охрана окружающей среды (биотехнология - «чистое» производство, требующее, правда, больших затрат воды).
Таким образом, биотехнология - закономерный результат развития человечества, признак достижения им важного, можно сказать поворотного, этапа развития.
Биотехнологическая промышленность
Биотехнологическую промышленность иногда разделяют на четыре направления:
- "«Красная» биотехнология" - производство биофармацевтических препаратов (протеинов, ферментов, антител) для человека, а также коррекция генетического кода.
- "«Зелёная» биотехнология" - разработка и внедрение в культуру генетически модифицированных растений.
- "«Белая» биотехнология" - производство биотоплив, ферментов и биоматериалов для различных отраслей промышленности.
- Академические и правительственные исследования - например, расшифровка генома риса.
"Микробиологическая индустрия" выпускает 150 видов продукции, крайне необходимой народному хозяйству. Её гордость - кормовой белок, получаемый на основе выращивания дрожжей. В год его производят более 1 млн. тонн. Другое важное достижение - выпуск ценнейшей кормовой добавки - незаменимой (то есть не образующейся в организме животного) аминокислоты лизина. Усвояемость белковых веществ, содержащихся в продукции микробиологического синтеза, такова, что 1 т кормового белка экономит 5-8 т зерна. Добавка 1 т биомассы дрожжей в рацион птиц, например, позволяет получить дополнительно 1,5-2 т мяса или 25-35 тыс. яиц, а в свиноводстве - высвободить 5-7 т фуражного зёрна. Дрожжи - не единственный возможный источник белка. Он может быть получен путём выращивания микроскопических зелёных водорослей, различных простейших и других микроорганизмов. Уже разработаны технологии их использования, проектируются и строятся предприятия-гиганты мощностью от 50 до 300 тыс. тонн продукции в год. Их эксплуатация позволит внести весомый вклад в решение народно-хозяйственных задач.
Если ген человека, отвечающий за синтез какого-либо фермента или другого важного для организма вещества, пересадить в клетки микроорганизмов, то в соответствующих условиях микроорганизмы будут продуцировать чуждое им соединение в промышленных масштабах. Учёные разработали и внедрили в производство способ получения интерферона человека эффективного при лечении многих вирусных заболеваний. Из 1 л культуральной жидкости извлекают такое же количество интерферона, какое раньше получали из многих тонн донорской крови. Экономия от внедрения нового способа составляет 200 млн. рублей в год.
Другой пример - получение с помощью микроорганизмов гормона роста человека. Совместные разработки учёных Института молекулярной биологии, Института молекулярной биологии, Института биохимии и физиологии микроорганизмов России и институтов России позволяют производить уже граммы гормона, тогда как прежде этот препарат получали миллиграммами. В настоящее время препарат проходит испытания. Методы генетической инженерии создали возможность получения вакцин против таких опасных инфекций, как гепатит В, ящур крупного рогатого скота, а также разработки способов ранней диагностики ряда наследственных заболеваний и различных вирусных инфекций.
Генетическая инженерия начинает активно воздействовать на развитие не только медицины, но и других сфер народного хозяйства. Успешное развитие методов генетической инженерии открывает широкие возможности для решения ряда задач, стоящих перед сельским хозяйством. Это и создание новых ценных сортов сельскохозяйственных растений, устойчивых к различным заболеваниям и неблагоприятным факторам внешней среды, и ускорение процесса селекции при выведении высокопродуктивных пород животных, и создание для ветеринарии высокоэффективных средств диагностики и вакцин, и разработка методов биологической фиксации азота. Решение этих проблем будет способствовать научно-техническому прогрессу сельского хозяйства, и ключевая роль в этом будет принадлежать методам генетической, а также, очевидно, и клеточной инженерии.
Клеточная инженерия - необычайно перспективное направление современной биотехнологии. Учёные разработали методы выращивания в искусственных условиях (культивирование) клеток растений животных и даже человека. Культивирование клеток позволяет получать различные ценные продукты, ранее добываемые в очень ограниченном количестве из-за отсутствия источников сырья. Особенно успешно развивается клеточная инженерия растений. Используя методы генетики, удаётся отбирать линии таких клеток растений - продуцентов практически важных веществ, которые способны расти на простых питательных средах и в то же время накапливать ценных продуктов в несколько раз больше, чем само растение. Выращивание массы клеток растений уже используется в промышленных масштабах для получения физиологически активных соединений. Налажено, например, производство биомассы женьшеня для нужд парфюмерной и медицинской промышленности. Закладываются основы производства биомассы лекарственных растений - диоскореи и раувольфии. Разрабатываются способы выращивания клеточной массы других редких растений - продуцентов ценных веществ (родиолы розовой и др.). Другое важное направление клеточной инженерии - клональное микроразмножение растений на основе культуры тканей. Основан это метод на удивительном свойстве растений: из отдельной клетки или кусочка ткани в определённых условиях может вырасти целое растение, способное к нормальному росту и размножению. Этим методом из небольшой части растения можно получить до 1 млн. растений в год. Клональное микроразмножение используется для оздоровления и быстрого размножения редких, хозяйственно ценных или вновь созданных сортов сельскохозяйственных культур. Таким путём из клеток, не заражённых вирусами, получают здоровые растения картофеля, винограда, сахарной свёклы, садовой земляники, малины и многих других культур. В настоящее время разработаны методы микроразмножения и более сложных объектов - древесных растений (яблони, ели, сосны). На основе этих методов будут созданы технологии промышленного получения исходного посадочного материала ценных древесных пород. Методы клеточной инженерии позволят значительно ускорить селекционный процесс при выведении новых сортов хлебных злаков и других важных сельскохозяйственных культур: срок их получения сокращается до 3-4 лет (вместо 10-12 лет, необходимых при использовании обычных методов селекции). Перспективных способом выведения новых сортов ценных сельскохозяйственных культур является также разработанный учёными принципиально новый метод слияния клеток. Этот метод позволяет получать гибриды, которые не могут быть созданы обычным путём скрещивания в силу барьера межвидовой несовместимости. Методом слияния клеток получены, например, гибриды различных видов картофеля, томатов, табака; табака и картофеля, рапса и турнепса, табака и белладонны. На основе гибрида культурного и дикого картофеля, который устойчив к вирусам и другим заболеваниям, создаются новые сорта. Аналогичным способом получают ценный селекционный материал томатов и других культур. В перспективе - комплексное использование методов генетической и клеточной инженерии для создания новых сортов растений с заранее заданными свойствами, например, ос сконструированными в них системами фиксации атмосферного азота. Большие успехи достигнуты клеточной инженерией в области иммунологии: разработаны методы получения особых гибридных клеток, производящих индивидуальные, или моноклональные, антитела. Это позволило создать высокочувствительные средства диагностики ряда тяжёлых заболеваний человека, животных и растений. Значительный вклад вносит современная биотехнология в решение такой важной проблемы, как борьба с вирусными заболеваниями сельскохозяйственных культур, наносящими большой ущерб народному хозяйству. Учёные разработали высокоспецифичные сыворотки для выявления более 20 вирусов, вызывающих заболевания различных сельскохозяйственных культур. Разработана и изготовлена система приборов и приспособлений для массовой автоматической экспресс-диагностики вирусных болезней растений в условиях сельскохозяйственного производства. Новые методы диагностики позволяют отбирать для посадки свободный от вирусов исходный материал (семена, клубни и др.), что способствует значительному повышению урожая. Важное практическое значение имеют работы по инженерной энзимологии. Первым важным успехом её была иммобилизация ферментов - закрепление молекул ферментов с помощью прочных химических связей на синтетических полимерах, полисахаридах и других носителях-матрицах. Закреплённые ферменты более стабильны, их можно использовать многократно. Иммобилизация позволяет осуществлять непрерывные каталитические процессы, получать продукцию, не загрязнённую ферментом (что особенно важно в ряде пищевых и фармакологических производств), значительно снизить её себестоимость. Это метод применяют, например, для получения антибиотиков. Так, учёными разработана и внедрена в промышленное производство технология получения антибиотиков на основе иммобилизованного фермента пенициллинамидазы. В результате применения этой технологии в пять раз снизился расход сырья, себестоимость конечного продукта уменьшилась почти вдвое, объём производства возрос в семь раз, а общий экономический эффект составил около 100 млн. рублей. Следующим шагом инженерной энзимологии была разработка методов иммобилизации клеток микроорганизмов, а затем - клеток растений и животных. Иммобилизованные клетки являются наиболее экономичными биокатализаторами, так как обладают высокой активностью и стабильностью, а главное - применение их полностью исключает затраты на выделение и очистку ферментов. В настоящее время на основе иммобилизованных клеток разработаны методы получения органических кислот, аминокислот, антибиотиков, стероидов, спиртов и других ценных продуктов. Иммобилизованные клетки микроорганизмов используются также для очистки сточных вод, переработки сельскохозяйственных и промышленных отходов. Биотехнология находит всё более широкое применение и во многих отраслях промышленного производства: разработаны методы использования микроорганизмов для извлечения цветных благородных металлов из руд и промышленных отходов, для повышения нефтеотдачи пластов, для борьбы с метаном в угольных шахтах. Так, для освобождения шахт от метана учёные предложили бурить скважины в угольных пластах и подавать в них суспензию из метаноокисляющихся бактерий. Таким образом удаётся удалить около 60% метана ещё до начала эксплуатации пласта. А недавно нашли более простой и эффективный способ: суспензией из бактерий опрыскивают породы выработанного пространства, откуда наиболее интенсивно выделяется газ. Разбрызгивание суспензии можно осуществлять с помощью специальных форсунок, устанавливаемых на крепях. Испытания, которые были проведены на шахтах Донбасса, показали, что микроскопические «работники» быстро уничтожают от 50 до 80 % опасного газа в выработках. А вот с помощью других бактерий, которые сами выделяют метан, можно повышать давление в нефтяных пластах и обеспечивать более полное извлечение нефти. Значительный вклад предстоит внести биотехнологии и в решение энергетической проблемы. Ограниченность запасов нефти и газа заставляет искать пути использования нетрадиционных источников энергии. Один из таких путей - биоконверсия растительного сырья, или, другими словами, ферментативная переработка целлюлозосодержащих отходов промышленности и сельского хозяйства. В результате биоконверсии можно получить глюкозу, а из неё - спирт, который и будет служить топливом. Всё шире развёртываются исследования по получению биогаза (в основном метана) путём переработки животноводческих, промышленных и коммунальных отходов с помощью микроорганизмов. При этом остатки после переработки являются высокоэффективным органическим удобрением. Таким образом, этим путём решаются сразу несколько проблем: охрана окружающей среды от загрязнений, получение энергии и производство удобрений. Установки по получению биогаза уже работают в разных странах. Возможности биотехнологии практически безграничны. Она смело вторгается в самые разные сферы народного хозяйства. И в недалёком будущем, несомненно, ещё более возрастёт практическая значимость биотехнологии в решении важнейших задач селекции, медицины, энергетики, охраны окружающей среды от загрязнений.
Трансгенные растения
Трансгенные растения - это те растения, которым пересажены гены.
- 1. Картофель устойчивый к колорадскому жуку, был создан путём введения гена выделенного из ДНК клетки почвенной тюрингской бациллы, вырабатывающий белок, ядовитый для колорадского жука (в желудке жука вырабатывается яд, а в человеке нет). Использовали посредника - клетки кишечной палочки. Листья картофеля стали вырабатывать белок, ядовитый для жуков.
- 2. Использует продукты из трансгенной сои, кукурузы, картофеля и подсолнечника.
- 3. В Америке решили вырастить помидор устойчивый к заморозкам. Взяли ген камбалы, отвечающий за терморегуляцию, и пересадили в клетки томата. Но помидор эту информацию понял по-своему, он не перестал бояться заморозков, а перестал портиться при хранении. Он может полгода лежать в комнате и не гнить.
Трансгенные животные
Трансгенные животные , экспериментально полученные животные, содержащие во всех клетках своего организма дополнительную интегрированную с хромосомами и экспрессирующуюся чужеродную ДНК (трансген), которая передаётся по наследству по законам Менделя.
Изредка трансген может реплицироваться и передаваться по наследству как экстрахромосомный автономно реплицирующийся фрагмент ДНК. Термин «трансгеноз» был предложен в 1973 для обозначения переноса генов одних организмов в клетки организмов других видов, в том числе далёких в эволюционном отношении. Получение трансгенных животных осуществляется с помощью переноса клонированных генов (ДНК) в ядра оплодотворенных яйцеклеток (зигот) или эмбриональных стволовых (плюрипотентных) клеток. Затем в репродуктивные органы реципиентной самки пересаживают модифицированные зиготы или яйцеклетки, у которых собственное ядро заменено на модифицированное ядро эмбриональных стволовых клеток, либо бластоцисты (эмбрионы), содержащие чужеродную ДНК эмбриональных стволовых клеток. Имеются отдельные сообщения об использовании спермиев для создания трансгенных животных, однако этот приём пока не получил широкого распространения.
Первые трансгенные животные были получены в 1974 в Кембридже (США) Рудольфом Янишем (Jaenisch) в результате инъекции в эмбрион мыши ДНК вируса обезьяны SV40. В 1980 американским учёным Жоржем Гордоном (Gordon) с соавторами было предложено использовать для создания трансгенных животных микроинъекцию ДНК в пронуклеус зиготы. Именно этот подход положил начало широкому распространению технологии получения трансгенных животных. Первые трансгенные животные в России появились в 1982. С помощью микроинъекций в пронуклеус зиготы в 1985 в США были получены первые трансгенные сельскохозяйственные животные (кролик, овца, свинья). В настоящее время для создания трансгенных животных, кроме микроинъекций, используются другие экспериментальные приемы: инфицирование клеток рекомбинантными вирусами, электропорация , «обстрел» клеток металлическими частицами с нанесёнными на их поверхности рекомбинантными ДНК.
В последние годы в результате появления технологии клонирования животных возникли дополнительные возможности для создания трансгенных животных. Уже есть трансгенные животные, полученные с помощью микроинъекции генов в ядра дифференциированных клеток.
Все имеющиеся методы переноса генов пока ещё не очень эффективны. Для получения одного трансгенного животного в среднем необходимы микроинъекции ДНК в 40 зигот мышей, 90 зигот козы, 100 зигот свиньи, 110 зигот овцы и в 1600 зигот коровы. Механизмы интеграции экзогенной ДНК или формирования автономных репликонов (единиц репликации, отличных от хромосом) при трансгенозе не известны. Встраивание трансгенов у каждого вновь получаемого трансгенного животного происходит в случайные участки хромосом, причём может происходить встраивание как единичной копии трансгена, так и множества копий, располагающихся, как правило, тандемно в единичном локусе одной из хромосом. Как правило, гомология между сайтом (местом) интеграции трансгена и самим трансгеном отсутствует. При использовании для трансгеноза эмбриональных стволовых клеток возможна предварительная селекция, что позволяет получать трансгенных животных с трансгеном, интегрированным в результате гомологичной рекомбинации с определённым участком генома хозяйского организма. С помощью этого подхода осуществляют, в частности, целенаправленное прекращение экспрессии определённого гена (это называют «нокаутом гена»).
Технология создания трансгенных животных является одной из наиболее бурно развивающихся биотехнологий в последние 10 лет. Трансгенные животные широко используются как для решения большого числа теоретических задач, так и в практических целях для биомедицины и сельского хозяйства. Некоторые научные проблемы не могли бы быть решены без создания трансгенных животных. На модели трансгенных лабораторных животных проводятся широкие исследования по изучению функции различных генов, регуляции их экспрессии, фенотипическому проявлению генов, инсерционному мутагенезу и др. Трансгенные животные важны для различных биомедицинских исследований. Существует множество трансгенных животных, моделирующих различные заболевания человека (рак, атеросклероз, ожирение и др.). Так, получение трансгенных свиней с изменённой экспрессией генов, определяющих отторжение органов, позволит использовать этих животных для ксенотрансплантации (пересадки органов свиньи человеку). В практических целях трансгенные животные используются различными зарубежными фирмами как коммерческие биореакторы, обеспечивающие производство разнообразных медицинских препаратов (антибиотиков, факторов свёртываемости крови и др.). Кроме того, перенос новых генов позволяет получать трансгенных животных, отличающихся повышенными продуктивными свойствами (например, усиление роста шерсти у овец, понижение содержания жировой ткани у свиней, изменение свойств молока) или устойчивостью к различным заболеваниям, вызываемым вирусами и другими патогенами. В настоящее время человечество уже использует множество продуктов, получаемых с помощью трансгенных животных: медицинские препараты, органы, пища.
У этого термина существуют и другие значения, см. Вектор. Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «Вектор» (ГНЦ ВБ «Вектор») Международное название англ. State Research Center of Virology and Biotechnology VECTOR … Википедия
ГНЦ ВБ «Вектор» один из крупнейших научных вирусологических и биотехнологических центров России, расположенный в наукограде Кольцово Новосибирской области, в нескольких километрах от Новосибирска. Полное название центра Федеральное… … Википедия
- (ИББР) Прежнее название Институт физиологии, генетики и биоинженерии растений Директор Жамбакин, Кабыл Жапарович Сотрудников 128 … Википедия
- (МГАВМиБ) Международное название Moscow state academy of veterinary medicine and biotechnology named K.I. Skryabin Год основания 1919 Тип … Википедия
Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии им. К. И. Скрябина (МГАВМиБ) Международное название Moscow state academy of veterinary medicine and biotechnology named K.I. Skryabin Год основания … Википедия
воздушный клапан (в биотехнологии) - входное отверстие (в биотехнологии) — Тематики биотехнологии Синонимы входное отверстие (в биотехнологии) EN vent …
нокдаун (в биотехнологии) - В биотехнологии относится к генам или организмам, в которых молекулярными методами изменена активность отдельных генов Тематики биотехнологии EN knockdown … Справочник технического переводчика
Преобразована в 1995 из Московской ветеринарной академии им. К. И. Скрябина (основана в 1919). Подготовка по ветеринарным, животноводческим, биологическим и другим специальностям. В 1998 свыше 3 тыс. студентов. * * * МОСКОВСКАЯ АКАДЕМИЯ… … Энциклопедический словарь
Федеральное бюджетное учреждение науки Государственный научный центр прикладной микробиологии и биотехнологии (ФБУН ГНЦ ПМБ) научный центр, проводящий исследования в таких областях, как эпидемиология, бактериология и биотехнология в целях… … Википедия
Впервые термин «биотехнология» применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году. Отдельные элементы биотехнологии появились достаточно давно. По сути, это были попытки использовать в промышленном производстве отдельные клетки (микроорганизмы) и некоторые ферменты, способствующие протеканию ряда химических процессов.
Так, в 1814 году петербургский академик К. С. Кирхгоф открыл явление биологического катализа и пытался биокаталитическим путём получить сахар из доступного отечественного сырья (до середины XIX века сахар получали только из сахарного тростника). В 1891 году в США японский биохимик Дз. Такамине получил первый патент на использование ферментных препаратов в промышленных целях: учёный предложил применить диастазу для осахаривания растительных отходов.
В начале XX века активно развивалась бродильная и микробиологическая промышленность. В эти же годы были предприняты первые попытки использовать ферменты в текстильной промышленности.
В 1916–1917 годах русский биохимик А. М. Коленев пытался разработать способ, который позволил бы управлять действием ферментов в природном сырье при производстве табака.
Огромный вклад в дело практического использования достижений биохимии внёс академик А. Н. Бах, создавший важное прикладное направление биохимии – техническую биохимию. А. Н. Бах и его ученики разработали множество рекомендаций по улучшению технологий обработки самого различного биохимического сырья, совершенствованию технологий хлебопечения, пивоварения, виноделия, производства чая и табака и т. п., а также рекомендации по повышению урожая культурных растений путём управления протекающими в них биохимическими процессами.
Все эти исследования, а также прогресс химической и микробиологической промышленности и создание новых промышленных биохимических производств (чая, табака и т. п.) были важнейшими предпосылками возникновения современной биотехнологии.
В производственном отношении основой биотехнологии в процессе её формирования стала микробиологическая промышленность. За послевоенные годы микробиологическая промышленность приобрела принципиально новые черты: микроорганизмы стали использовать не только как средство повышения интенсивности биохимических процессов, но и как миниатюрные синтетические фабрики, способные синтезировать внутри своих клеток ценнейшие и сложнейшие химические соединения. Перелом был связан с открытием и началом производства антибиотиков.
Первый антибиотик – пенициллин – был выделен в 1940 году. Вслед за пенициллином были открыты и другие антибиотики (эта работа продолжается и поныне). С открытием антибиотиков сразу же появились новые задачи: налаживание производства лекарственных веществ, продуцируемых микроорганизмами, работа над удешевлением и повышением уровня доступности новых лекарств, получением их в очень больших количествах, необходимых медицине.
Синтезировать антибиотики химически было очень дорого или вообще невероятно трудно, почти невозможно (недаром химический синтез тетрациклина советским учёным академиком М. М. Шемякиным считается одним из крупнейших достижений органического синтеза). И тогда решили для промышленного производства лекарственных препаратов использовать микроорганизмы, синтезирующие пенициллин и другие антибиотики. Так возникло важнейшее направление биотехнологии, основанное на использовании процессов микробиологического синтеза.
Виды биотехнологии
Биоинженерия
Биоинженерия или биомедицинская инженерия – это дисциплина, направленная на углубление знаний в области инженерии, биологии и медицины и укрепление здоровья человечества за счёт междисциплинарных разработок, которые объединяют в себе инженерные подходы с достижениями биомедицинской науки и клинической практики. Биоинженерия/биомедицинская инженерия – это применение технических подходов для решения медицинских проблем в целях улучшения охраны здоровья. Эта инженерная дисциплина направлена на использование знаний и опыта для нахождения и решения проблем биологии и медицины.
Биоинженеры работают на благо человечества, имеют дело с живыми системами и применяют передовые технологии для решения медицинских проблем. Специалисты по биомедицинской инженерии могут участвовать в создании приборов и оборудования, в разработке новых процедур на основе междисциплинарных знаний, в исследованиях, направленных на получение новой информации для решения новых задач.
Среди важных достижений биоинженерии можно упомянуть разработку искусственных суставов, магниторезонансной томографии, кардиостимуляторов, артроскопии, ангиопластики, биоинженерных протезов кожи, почечного диализа, аппаратов искусственного кровообращения. Также одним из основных направлений биоинженерных исследований является применение методов компьютерного моделирования для создания белков с новыми свойствами, а также моделирования взаимодействия различных соединений с клеточными рецепторами в целях разработки новых фармацевтических препаратов («drug design»).
Биомедицина
Раздел медицины, изучающий с теоретических позиций организм человека, его строение и функцию в норме и патологии, патологические состояния, методы их диагностики, коррекции и лечения. Биомедицина включает накопленные сведения и исследования, в большей или меньшей степени общие медицине, ветеринарии, стоматологии и фундаментальным биологическим наукам, таким, как химия, биологическая химия, биология, гистология, генетика, эмбриология, анатомия, физиология, патология, биомедицинский инжиниринг, зоология, ботаника и микробиология.
Слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя наноустройства и наноструктуры. В мире уже созданы ряд технологий для наномедицинской отрасли. К ним относятся адресная доставка лекарств к больным клеткам, лаборатории на чипе, новые бактерицидные средства.
Биофармакология
Раздел фармакологии, который изучает физиологические эффекты, производимые веществами биологического и биотехнологического происхождения. Фактически, биофармакология – это плод конвергенции двух традиционных наук – биотехнологии, а именно, той её ветви, которую именуют «красной», медицинской биотехнологией, и фармакологии, ранее интересовавшейся лишь низкомолекулярными химическими веществами, в результате взаимного интереса.
Объекты биофармакологических исследований – изучение биофармацевтических препаратов, планирование их получения, организация производства. Биофармакологические лечебные средства и средства для профилактики заболеваний получают с использованием живых биологических систем, тканей организмов и их производных, с использованием средств биотехнологии, то есть лекарственные вещества биологического и биотехнологического происхождения.
Биоинформатика
Совокупность методов и подходов, включающих в себя:
- математические методы компьютерного анализа в сравнительной геномике (геномная биоинформатика);
- разработка алгоритмов и программ для предсказания пространственной структуры белков (структурная биоинформатика);
- исследование стратегий, соответствующих вычислительных методологий, а также общее управление информационной сложности биологических систем.
В биоинформатике используются методы прикладной математики, статистики и информатики. Биоинформатика используется в биохимии, биофизике, экологии и в других областях.
Бионика
Прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формы живого в природе и их промышленные аналоги. Проще говоря, бионика – это соединение биологии и техники. Бионика рассматривает биологию и технику совсем с новой стороны, объясняя, какие общие черты и какие различия существуют в природе и в технике.
Различают :
- биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах;
- теоретическую бионику, которая строит математические модели этих процессов;
- техническую бионику, применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.
Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими.
Биоремедиация
Комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферы с использованием метаболического потенциала биологических объектов – растений, грибов, насекомых, червей и других организмов.
Клонирование
Появление естественным путём или получение нескольких генетически идентичных организмов путём бесполого (в том числе вегетативного) размножения. Термин «клонирование» в том же смысле нередко применяют и по отношению к клеткам многоклеточных организмов. Клонированием называют также получение нескольких идентичных копий наследственных молекул (молекулярное клонирование). Наконец, клонированием также часто называют биотехнологические методы, используемые для искусственного получения клонов организмов, клеток или молекул. Группа генетически идентичных организмов или клеток – клон.
Генетическая инженерия
Суть генетической инженерии заключается в искусственном создании генов с нужными свойствами и введение их в соответствующую клетку. Перенос гена осуществляет вектор (рекомбинантная ДНК) – специальная молекула ДНК, сконструированная на основе ДНК вирусов или плазмид, которая содержит нужный ген, транспортирует его в клетку и обеспечивает его встраивание в генетический аппарат клетки.
Для маркировки определенных клеток организмов в молекулярно-генетических исследованиях используют ген GFP, выделенный из медузы. Он обеспечивает синтез флуоресцентного белка, который светится в темноте.
Генетическая инженерия широко используется как в научных исследованиях, так и в новейших методах селекции.
Биотехнология – это совокупность промышленных методов, которые применяют для производства различных веществ с использованием живых организмов, биологических процессов или явлений. Традиционная биотехнология основана на явлении ферментации – использовании в производственных процессах ферментов микроорганизмов. Клеточная инженерия – это отрасль биотехнологии, которая разрабатывает и использует технологии культивирования клеток и тканей вне организма в искусственных условиях. Генетическая инженерия – это отрасль биотехнологии, которая разрабатывает и использует технологии выделения генов из организмов и отдельных клеток, их видоизменение и введение в другие клетки или организмы.
Некоторые этические и правовые аспекты применения биотехнологических методов
Этика – учение о нравственности, согласно которому главной добродетелью считается умение найти середину между двух крайностей. Данная наука основана Аристотелем.
Биоэтика – часть этики, изучающая нравственную сторону деятельности человека в медицине, биологии. Термин предложен В.Р. Поттером в 1969 г.
В узком смысле биоэтика обозначает круг этических проблем в сфере медицины. В широком смысле биоэтика относится к исследованию социальных, экологических, медицинских и социально-правовых проблем, касающихся не только человека, но и любых живых организмов, включенных в экосистемы. То есть она имеет философскую направленность, оценивает результаты развития новых технологий и идей в медицине, биотехнологии и биологии в целом.
Современные биотехнологические методы обладают настолько мощным и не до конца изученным потенциалом, что их широкое применение возможно только при строгом соблюдении этических норм. Существующие в обществе моральные принципы обязывают искать компромисс между интересами общества и индивида. Более того, интересы личности ставятся в настоящее время выше интересов общества. Поэтому соблюдение и дальнейшее развитие этических норм в этой сфере должно быть направлено, прежде всего, на всемерную защиту интересов человека.
Массовое внедрение в медицинскую практику и коммерциализация принципиально новых технологий в области генной инженерии и клонирования, привело также к необходимости создания соответствующей правовой базы, регулирующей все юридические аспекты деятельности в этих направлениях.
Остановимся на тех направлениях в биотехнологических исследованиях, которые напрямую связаны с высоким риском нарушения прав личности и вызывают наиболее острую дискуссию по поводу их широкого применения: пересадка органов и клеток в терапевтических целях и клонирование.
В последние годы резко возрос интерес к изучению и применению в биомедицине эмбриональных стволовых клеток человека и техники клонирования с целью их получения. Как известно, эмбриональные стволовые клетки способны трансформироваться в разные типы клеток и тканей (кроветворные, половые, мышечные, нервные и др.). Они оказались перспективными для применения в генной терапии, трансплантологии, гематологии, ветеринарии, фармакотоксикологии, при тестировании лекарств и пр.
Выделение этих клеток производят из эмбрионов и плодов человека 5-8 недель развития, полученных при медицинском прерывании беременности (в результате аборта), что порождает многочисленные вопросы относительно этической и юридической правомерности проведения исследований на эмбрионах человека, в том числе такие:
- насколько необходимы и оправданы научные исследования на эмбриональных стволовых клетках человека?
- допустимо ли ради прогресса медицины разрушать человеческую жизнь и насколько это морально?
- достаточно ли проработана правовая база для применения этих технологий?
В ряде стран запрещены любые исследования на эмбрионах (например, в Австрии, Германии). Во Франции права эмбриона защищаются с момента его зачатия. В Великобритании, Канаде и Австралии, хотя создание эмбрионов для исследовательских целей не запрещено, но разработана система законодательных актов, регулирующая и контролирующая подобные исследования.
В России ситуация в этой области более чем неопределенная: деятельность по изучению и использованию стволовых клеток недостаточно отрегулирована, остаются существенные пробелы в законодательстве, мешающие развитию этого направления. В отношении же клонирования в 2002 г. федеральным законом был введен временный (на 5 лет) запрет на клонирование человека, но срок его действия истек в 2007 г., и вопрос остается открытым.
Рынок биотехнологий
Параллелей с современным биотехом у ИТ гораздо больше, чем может показаться на первый взгляд. Информационные технологии не появились сами по себе, их расцвету предшествовали фундаментальные открытия в физике, физике материалов, вычислительной математике и кибернетике. В результате сегодня ИТ – это область «легких стартапов», от возникновения идеи до принесения прибыли в которых проходит совсем немного времени, и мало кто задумывается о той работе, которая была проделана до сегодняшнего дня.
Ситуация с биотехнологиями аналогична, просто мы сейчас находимся на более раннем этапе, когда ещё идет разработка инструментов, программ. Биотехнологии ждут появления своего «персонального компьютера»”, только в нашем случае он не будет понятным массовым устройством – речь идёт скорее о наборе эффективных и недорогих инструментов.
Можно сказать, что сейчас ситуация подобна той, что была в 1990-е в ИТ. Технологии все еще развиваются и стоят достаточно дорого. Например, полное секвенирование человека стоит $1000. Это намного дешевле, чем цена в $3,3 млрд. у Human Genome Project, но она все еще невероятно высока для обывателя, а её применение для клинической диагностики на широком уровне пока еще невозможно. Для этого нужно, чтобы технология подешевела ещё раз в 10 и улучшила технические свойства настолько, чтобы ошибки секвенирования были нивелированы. В биотехе пока нет таких мощных проектов, как Facebook, но Illumina, Oxford Nanopore, Roche – всё это крайне успешные компании, чья деятельность часто напоминает Google, скупающий интересные стартапы. А Nanopore, например, стали миллиардерами, еще не выйдя на рынок, благодаря сочетанию хорошей исходной идеи, менеджмента и успехов в привлечении финансирования.
Сегодня биотехнологии – это ещё и рынок больших данных, и это продолжает параллели с ИТ, который в данном случае служит уже своего рода инструментом для более крупного и сложного биотеха. Такие компании как Editas Medicine (одни из создателей нашумевшей технологии редактирования генома CRISPR/Cas9) сделали свой IP на результатах секвенирования геномных данных бактерий из открытых источников. Они далеко не первыми стали пожинать плоды от накопленной информации, они даже не были первыми, кто открыл принцип действия кластера CRISPR, однако именно Editas Medicine создали биотехнологический продукт. Сегодня это компания стоимостью более $1 млрд.
И это не единственный бизнес, который возникнет благодаря анализу уже существующих данных. Более того, нельзя сказать, что за такими данными стоит очередь – их уже гораздо больше, чем можно проанализировать, а будет ещё больше, ведь учёные не перестают секвенировать. К сожалению, методы анализа еще несовершенны, поэтому не всем удается превратить данные в многомиллиардный продукт. Но если мы прикинем скорость развития инструментов анализа (подсказка: она очень высокая), несложно понять, что в будущем компаний, заметивших в больших данных генома что-то интересное, станет гораздо больше.
Может ли Россия стать биотехнологической страной?
Основная проблема биотехнологий в России – это не запрет ГМО, как многим кажется, а большое количество всевозможных бюрократических барьеров. Этот факт отмечают и в правительстве. Но даже к барьерам можно приспособиться. Последние 26 лет мы развиваемся под прессом реформ, постоянной смены правил игры, а бизнесу нужна стабильность и уверенность в том, что не будет происходить никаких потрясений.
Если российским биотехнологиям не мешать, они начнут развиваться. Также хочется отметить, что необдуманное желание помогать, те самые непродуманные госинвестиции, на самом деле, приводят к противоположному результату – субсидирование приучает компании к тому, что они будут поддерживаться государством постоянно. Как показывает практика, компании на госинвестициях становятся не эффективными. Везде нужна здоровая конкуренция, поэтому первоначальные вклады должны идти даже не от государства, а от бизнеса, который должен чувствовать уверенность в завтрашнем дня, с чем у нас пока проблемы.
Самое правильное для государства – это инвестировать в создания оптимальной среды для биотеха. У нас есть и умы, и люди с энергией и желанием созидать – важно не дать этому желанию пропасть.
Сегодня биотехнологии находятся в фазе интенсивного роста, но уже можно представить вектор их развития. Ведь сам смысл технологий не изменится, как он не изменился после появления компьютера: его идея в 1951 году не особо отличалась от той, что стоит за современными компьютерами. Существенно отличается только функционал и производительность. То же самое произойдёт и с биотехнологиями, а драйвер их развития даже понятнее – это вечное желание людей быть здоровыми и жить долго, не соблюдая при этом всех сложных правил здорового образа жизни. Поэтому в самом ближайшем будущем нас ждёт расцвет биотехнологий, и в конечном счёте это прекрасные новости для всего человечества.