БИОТЕХНОЛОГИЯ И ЕЁ ЗАДАЧИ

Биотехнология. Генная инженерия

БИОТЕХНОЛОГИЯ И ЕЁ ЗАДАЧИ

Комикс на конкурс «био/мол/текст»: Генная инженерия и биотехнология, будучи одними из главных направлений научно-технического прогресса, способствуют решению разнообразных задач.

За счет генной инженерии совершен огромный шаг навстречу новым технологиям.

В этой статье будет рассказано об истории открытия, становления и успехов биотехнологии, а также о тех вопросах, над которыми сейчас работают молекулярные биологи и биотехнологи.

Эта работа опубликована в номинации «Наглядно о ненаглядном» конкурса «био/мол/текст»-2018.

Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Спонсором приза зрительских симпатий выступил медико-генетический центр Genotek.

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Генная инженерия и биотехнология, будучи одними из главных направлений научно-технического прогресса, хорошо способствуют решению разнообразных задач.

В настоящее время биотехнология способна решить множество проблем медицины и создания пищевых продуктов. Также особая роль биотехнологии отводится в сельском хозяйстве. Ученые занимаются созданием и дальнейшим культивированием трансгенных растений и синтезом средств их защиты.

За счет генной инженерии был совершен огромный шаг навстречу новым технологиям. Однако ее развитие породило множество споров, в том числе и о ГМО. Несмотря на все слухи, польза ГМО явно видна. ГМ-растениям не страшен холод, пестициды или засуха. Помимо этого, использование генномодифицированных организмов может улучшить качество жизни населения стран третьего мира.

Самая главная молекула. Открытие ДНК

Несомненно, молекула ДНК занимает особое место в биологической науке. Ведь ДНК является носителем всей наследственной информации, сохраняет ее и передает следующему поколению.

Именно с открытия знаменитой двойной спирали учеными Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном (1953 г.

) начался новый виток в истории человеческой культуры — эпоха генетики, молекулярной биологии, биотехнологии и биомедицины.

Значение ДНК колоссально, поскольку во всех живых организмах генетическая информация существует в виде особой структуры — двойной спирали. Рассмотрим ДНК с химической точки зрения. Молекула представляет собой достаточно длинную цепь из строительных блоков — нуклеотидов. А каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, дезоксирибозы (особого сахара) и фосфатной группы.

Язык науки. Генетический алфавит

Двухцепочечная молекула ДНК хранит генетическую информацию, а генетическим кодом называют систему записи последовательности кодируемого белка нуклеотидами в гене.

Между языком генетики и любым другим языком можно для наглядности провести параллель. Как самый обычный текст, написанный, к примеру, на русском или английском языках, описывающий последовательность действий, так и запись информации в гене о последовательности аминокислот белка состоит из логически упорядоченных букв.

То есть вся генетическая информация в молекуле записана набором из четырех букв — так называемым «алфавитом». Нуклеотиды обозначаются буквами А (аденин), Т (тимин), Ц (цитозин) и Г (гуанин). Они одинаковы у всех — от бактерий до человека.

Различной будет лишь последовательность этих букв.

Свойства генетического кода:

  • Триплетность. Генетический код состоит из трех букв — триплетов нуклеотидов ДНК. Они комбинируются в разной последовательности: ГЦА, АЦГ, ААТ и т.д. Каждый из триплетов кодирует конкретную аминокислоту, а это значит, что все 20 существующих аминокислот зашифрованы тремя определенными нуклеотидами.
  • Вырожденность. Триплетов, кодирующих аминокислоты, существует 61, а аминокислот только 20, поэтому каждая аминокислота может кодироваться несколькими триплетами.
  • Однозначность. Каждому триплету соответствует только одна аминокислота.

Кольцо и спираль. Разнообразие форм

После открытия структуры ДНК началось активное развитие молекулярной биологии. Тем не менее, понимая строение ДНК на уровне химической структуры, никто не мог представить, что эта молекула может быть кольцевой. Как теперь известно, кольцевую ДНК имеют бактерии. Но кольцевая молекула есть и у человека, она находится в митохондриях.

Кольцевое строение ДНК наиболее эффективно для ее удвоения, то есть репликации. Репликация кольцевого типа — относительно простой процесс удвоения молекулы.

Происходит разделение цепочек исходной молекулы и наращивание по принципу комплементарности новых цепочек по существующим. В результате получаются дочерние ДНК, которые окажутся идентичными копиями исходной.

При кольцевом строении молекулы процесс удвоения протекает более точно.

Переход биологии на молекулярный уровень дал начало развитию биотехнологии. Ее суть состоит в использовании методов генной инженерии для рыночного производства значимых биологических продуктов: новейших лекарств, реагентов для научных исследований и продуктов питания.

Для создания всего вышеперечисленного используют рекомбинантные белки. Это такие искусственно созданные и обладающие новыми свойствами белки, синтез которых контролируют новые гены, внедренные в клетки.

Рекомбинантные ДНК

ДНК — главный материал, с которым работает генный инженер. Но проверять результаты работы и производить рекомбинантный продукт придется с помощью живых организмов. Так, при создании рекомбинантных ДНК нельзя обойтись без кишечной палочки, которая подходит для производства некоторых биотехнологических продуктов.

А при работе с эукариотическими генами и белками часто используют пекарские дрожжи. особенность дрожжей — отличная способность к гомологичной рекомбинации.

Дрожжи также удобно использовать при производстве рекомбинантных белков, так как они умеют редактировать матричную РНК, их продукты лишены токсичности, а у некоторых видов достаточно высокий выход продукта.

Вышеуказанные микроорганизмы стали моделями для изучения молекулярной организации и отработки генетических техник у прокариот и эукариот. Для обеспечения техники безопасности и удобства работы с рекомбинантными ДНК были созданы различные мутанты кишечной палочки. К примеру, следующие:

  • неспособные передавать плазмиды другим клеткам;
  • устойчивые к бактериофагам;
  • содержащие мутации для выявление клеток с рекомбинантными ДНК.

Для генных инженеров эта бактерия особо значима, так как:

  • для работы с ней не требуется дорогое и сложное оборудование;
  • она чувствительна к большинству стандартных антибиотиков (это существенно облегчает подбор маркеров для клонирования);
  • ее геном и биохимия хорошо изучены, разработано огромное множество инструментов для работы с ней.

Однако у кишечной палочки есть и ряд недостатков:

  • продукты, полученные при работе, могут обладать токсическими свойствами, поэтому необходимы постоянный контроль и очистка;
  • она не умеет самостоятельно сворачивать и модифицировать синтезируемые белки;
  • иногда снижается выход целевого продукта из-за формирования неполноценных белков.

Постепенно увеличивалось влияние биологии на быт и жизнь человека в целом. Это привлекло к ней всеобщее внимание. Рост возможностей современной биотехнологии породило множество споров, в том числе и о ГМО.

Человечество тысячи лет вмешивается в эволюционные процессы, проводя искусственный отбор организмов с полезными, значимыми для человека спонтанно возникшими мутациями — селекцию.

К примеру, когда-то всем известной кукурузы (в современном понимании) и вовсе не существовало. Древние люди занимались скрещиваниями дикого родственника нынешней кукурузы — теосинте.

И как выяснилось в результате исследований, геномы теосинте и кукурузы оказались уж очень схожими. Разницу между двумя видами определили несколько десятков генетических мутаций.

Многих пугает даже сама аббревиатура «ГМО», ведь каждый вкладывает в нее какой-то свой смысл, а у многих она ассоциируется с чем-то злым, опасным и даже смертоносным. Вероятнее всего, ГМО нагоняет страх на людей из-за непонимания, что же это такое.

ГМО — это организмы, геном которых был изменен при помощи генетической инженерии.

Тем не менее факт остается фактом: за счет эволюционных процессов гены изменяются сами по себе у всех живых организмов.

Отличие лишь одно: в процессе эволюции мы не можем контролировать процесс изменения генома, а в лаборатории, используя современные знания и технологии, способны изменять и улучшать гены.

Кстати говоря, у ученых-генетиков нет ни стимулов, ни целей создавать что-либо угрожающее здоровью всего человечества. Специалисты стремятся продвигать научный прогресс и производить те продукты, которые будут нужны людям.

На данный момент перед учеными стоит ряд технологических задач. Можно изменить биологические организмы с помощью генноинженерных и клеточных методов для удовлетворения потребностей человека.

К примеру, улучшить качество продуктов, получить новые виды растений и животных, придать различным живым организмам улучшенные свойства и создать необходимые лекарственные препараты за счет методов генетической инженерии.

Несомненно, в биотехнологии важное место занимает генная инженерия, позволяющая «кроить и шить» геномы подопытных организмов.

Роль биотехнологии очень велика, поскольку ее способами производят генноинженерные белки (интерфероны, вакцины против серьезных заболеваний), вещества для фармакологии (лекарства, антибиотики, гормоны, антитела).

А различные ферментные препараты применяют в производстве стиральных порошков, спирта. Особая роль биотехнологии — синтез средств для защиты растений и создание трансгенных растений

Трансгенные растения: вред или польза?

Люди могли изменять ДНК растений на протяжении многих лет. Скрещивая друг с другом растения с самыми лучшими свойствами, специалисты замечали, что эти свойства будут сохранены в потомстве. Так зародилась селекция.

Работа специалистов-селекционеров упростилась, когда в науке стали применять генетические законы Грегора Менделя. Позже было обнаружено, что возможно улучшить необходимые свойства растений при помощи мутаций.

Число этих мутаций можно увеличивать за счет химикатов и рентгеновских лучей. В результате таких экспериментов было получено огромное количество разнообразных сортов растений.

Важно знать, что такой метод может дать непредсказуемые результаты, поскольку, как известно, мутации спонтанны.

Конечно, из различных источников информации можно узнать о предполагаемом вреде трансгенных растений. И на второй план уходит одна из главных задач трансгенных организмов — спасение от нехватки важных питательных веществ и голода населения Земли. Существуют такие трансгенные растения, за счет которых удалось спасти человеческие жизни. Хорошим примером послужит золотой рис.

Золотой рис — генетически модифицированный сорт посевного риса, в зернах которого содержится огромное количество бета-каротина. Эти зерна имеют золотисто-желтый цвет. Считается, что это первая сельскохозяйственная культура, которая целенаправленно генетически модифицирована для улучшения пищевой ценности.

Вообще, при обширном выращивании, золотой рис может в несколько раз улучшить качество питания во многих странах (в том числе и в ряде стран третьего мира), где наблюдается нехватка витамина A.

В организме человека витамин A производится из бета-каротина, который поступает преимущественно с растительной пищей.

Для модификации риса использовали два гена: ген цветка нарцисса и ген бактерии Erwinia uredovora.

Разумеется, сегодня человечество нуждается в развитии новых технологий, а также ресурсов для жизни, удовлетворяющих потребности организма. Инновации вызывают опасения: сейчас некоторые люди не доверяют современным достижениям генетической инженерии.

Все же важно понимать, что новое — не обязательно плохое, всего лишь нужно попытаться разглядеть и положительные стороны, узнать больше о новых достижениях, открытиях, сделать последующие выводы исключительно на основе достоверных фактов. Именно тогда человечество может отграничиться от ряда споров, заблуждений, встать на путь новейших биологических открытий, сделать огромный рывок вперед.

Источник: https://biomolecula.ru/articles/biotekhnologiia-gennaia-inzheneriia

Что такое биотехнология: будущее уже наступило

БИОТЕХНОЛОГИЯ И ЕЁ ЗАДАЧИ

В последнее десятилетие термин «биотехнология» все чаще появляется в заголовках новостей, а открытия в этой области становятся причиной для жарких споров. Действительно, свое наибольшее развитие наука получила именно в последние годы, и этому в большей степени способствовал технический прогресс, но в повседневной жизни биотехнология используется на протяжении многих веков.

История развития биотехнологии

С древнейших времен биотехнология применялась человеком для изготовления вина, в сыроварении и других вариантах приготовления пищи.

Биотехнологический процесс, а именно брожение, использовался еще в древнем Вавилоне для производства пива. Об этом свидетельствуют найденные при раскопках записи на дощечках.

Но, несмотря на активное использование этих методов, процессы, лежавшие в основе этих производств, оставались загадкой.

Луи Пастер в 1867 году говорил, что такие процессы, как сквашивание и брожение, есть ничто иное, как итог жизнедеятельности микроорганизмов. Эдуард Бухнер дополнил эти предположения, доказав, что катализатором является бесклеточный экстракт, который содержит ферменты, вызывающие химическую реакцию.

Позже были сделаны сенсационные по тем временам открытия, которые помогли сформировать данную науку в современном ее понимании:

  • 1865 год австрийский монарх Грегор Мендель представил свой доклад «Опыты над растительными гибридами», где были описаны закономерности передачи наследственности;
  • в 1902 году Теодор Бовери и Уолтер Саттон высказали предположение о том, что передача наследственности напрямую связана с хромосомами.

Годом появления термина стал 1919, после публикации манифеста венгерским агроэкономистом Карлом Эреки. Основываясь на имеющиеся в то время данные, под термином биотехнология подразумевалось применение микроорганизмов для ферментации продуктов питания.

Но, как известно, самые интересные открытия совершаются на стыке знаний, в случае биотехнологии, объединились пищевая и нефтеперерабатывающая промышленность. В 1970 году на практике была опробована технология производства белка из отходов нефтепромышленности.

Что такое биотехнология: термин и основные виды

Биотехнология – наука о способах создания различных веществ с использованием естественных биологических компонентов, будь-то микроорганизмы, животные или растительные клетки. По сути, это манипулирование живыми клетками для получения определенных результатов.

Основными направлениями развития науки являются:

Биоинженерия – дисциплина, направленная на расширение знаний в области медицины (лечение, укрепление здоровья) и инженерии

Биомедицина – узкоспециализированный раздел медицины, который с теоретической точки зрения изучает строение человеческого организма, диагностику патологических состояний и возможности их коррекции. Раздел медицины, занимающийся контролем и лечением биологических систем живых организмов на молекулярном уровне, называется наномедициной.

Гибридизация — процесс получения гибридов (растений, животных). В основе лежит принцип получения одной клетки (устойчивой к тем или иным условиям) путем объединения других клеток.

Сейчас у нас уже есть средства необходимые для того, чтобы прожить достаточно долго до тех пор, пока мы не станем бессмертны.  Можно агрессивно применять существующие знания, чтобы кардинально замедлить процессы старения, и оставаться в жизнеспособном состоянии до того момента, когда станут доступны совершенно радикальные терапии по продлению жизни с помощью био- и нанотехнологий.

Ray Kurzweil (изобретатель, футуролог)

Высшим достижением биотехнологии является генная инженерия. Генная инженерия – совокупность знаний и технологий получения РНК и ДНК, выделения генов из клеток, осуществление манипуляций с генами и введение их в другие организмы. Это «управление» геномом живого существа или растения с целью получения заданных свойств.

Например, руководствуясь знаниями в области генной инженерии, китайские ученые планируют массово применять метод «исправления» генома людей с онкологическими заболеваниями. Однако, запускать полномасштабные проекты пока никто не спешит, т.к.

на сегодняшний день невозможно спрогнозировать последствия для организма в долгосрочном периоде.

Особого внимания заслуживает клонирование. Под этим процессом понимают появление нескольких генетических идентичных организмов путем бесполого (в том числе вегетативного) размножения. На сегодняшний день были клонированы не только растения, но и несколько десятков видов животных (овцы, собаки, кошки, лошади).

О фактах клонирования человека пока нет данных, хотя, по мнению ученых, с технической стороны –  к процессу все готово. Именно эти разработки стали самыми противоречивыми и обсуждаемыми мировой общественностью.

Дело не только в вероятности получения неполноценных людей, но и в этической и религиозной стороне вопроса.

Сфера применения

Принципы биотехнологических процессов внедряют в производство всех отраслей:

  • пищевая промышленность. Производство алкоголя, аминокислот, ферментов безвредным для окружающей среды способом, называется белой биотехнологией.
  • химическая или фармацевтическая. Это направление еще называют красной биотехнологией. Биотехнологи разрабатывают усовершенствованные лекарственные препараты, вакцины и сыворотки против болезней, которые ранее считались неизлечимыми. В западных странах и в частности в Австрии наука пользуется большой популярностью и активно используется для диагностики различных заболеваний (биосенсоры, чипы ДНК).
  • переработка и утилизация отходов (биоремедиация). Методы серой биотехнологии используются для санации почв, очистки канализационных стоков и отработанного воздуха.
  • сельское хозяйство. Зеленая биотехнология позволяет ученым создавать образцы культурных растений, которые способны противостоять болезням и грибкам, с высоким уровнем урожайности вне зависимости от климатических условий (во время засухи). Кроме того, ученые научились использовать определенные ферменты, которые превращают целлюлозные отходы сельского хозяйства в глюкозу, а после в топливо.

Основной целью клеточной инженерии является культивирование животных и растительных клеток. Открытия в области клеточной инженерии позволили контролировать и регулировать продуктивность, качество, устойчивость к заболеваниям новых форм и линий животных и растений.

Инвестиции и развитие

Хотя биотехнологию сложно назвать «молодой» наукой, именно сегодня она находится в начале своего развития. Направления и возможности, которые открываются благодаря развитию этих знаний, могут быть бесконечными.

Могут, если получат должное финансирование и поддержку. Основными инвестиционными участниками направления являются сами инженеры и биотехнологии, и это вполне объяснимо.

Сегодня предлагается не сам продукт, а скорее идея, и возможные методы ее реализации.

И для осуществления этой задумки нужны десятки и сотни экспериментов, опыты и дорогостоящее оборудование. Не каждый инвестор готов идти только за идеей, рискуя своими вложениями. Но ведь не все верили и в мобильную связь, а сегодня она повсюду.

На данный момент число крупных компаний, занимающихся биотехнологическими разработками, невелико. К таковым относятся:

  • Illumina (генетические исследования, анализы, технология ДНК-микрочипов),
  • Oxford Nanopore (разработка и продажа продукции для взаимодействия с ДНК),
  • Roche (фармацевтическая компания),
  • Editas Medicine (адаптацией лабораторных методик редактирования генов к широкомасштабному применению в больницах),
  • Counsyl (предложила недорогой метод автоматизированного анализа ДНК для последующего использования данных в лечении).

По мнению экспертов, наиболее привлекательным направлением для инвестиций в биотехнологию являются компании, занимающиеся секвенированием. Это общее название методов, которые позволяют установить последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК.

Расшифровка ДНК данных (секвенирование), дает возможность идентифицировать участки, которые отвечают за наследственные заболевания, и устранять их. Как только процесс будет доведен до совершенства, люди смогут не лечить симптомы, а избавляться от болезни.

Это перевернет наше представление о диагностике, и принесет большие дивиденды тем, кто сумеет рассмотреть потенциал компании еще на этапе идеи.

Биотехнология: добро или зло?

Уже сегодня население планеты сталкивается с проблемой нехватки продуктов питания, и если численность людей продолжит расти, то в ближайшем будущем ситуация может стать критической.

Знания о том, что такое биотехнология и как ее применять, помогают получать максимальные результаты урожайности, вне зависимости от внешних факторов. И эти достижения нельзя сбрасывать со счетов.

Кроме того, неоспоримым доказательством пользы науки является изобретение антибиотиков, которые позволили контролировать, а в некоторых случаях и полностью искоренять, сотни болезней.

Но далеко не все оценивают науку однозначно. Существуют опасения, что отсутствие контроля может привести к необратимым последствиям. Например, уже сегодня продукты биотехнологии, такие как стероиды для спортсменов, становятся причиной для преждевременных сердечных патологий. В погоне за созданием супер-человека, победившего старость и болезни, общество рискует потерять свое естество.

Мы не остались жить в пещерах. Мы не остаемся в пределах нашей планеты. С помощью биотехнологии, генетического секвенирования, мы даже не собираемся ограничиваться рамками самой биологии.
Jason Silva (оратор, философ, телезвезда).

Развитие биотехнологии стало таким стремительным, что мировые государства столкнулись с проблемой отсутствия контроля на правовом уровне. Это стало причиной приостановления многих проектов, поэтому пока о клонировании человека и победе над смертью говорить преждевременно, и два конфронтационных лагеря могут беспрепятственно поддаваться философским размышлениям.

Источник: https://mentamore.com/covremennye-texnologii/chto-takoe-biotexnologiya.html

Занятие 1

БИОТЕХНОЛОГИЯ И ЕЁ ЗАДАЧИ

ТЕМА ЗАНЯТИЯ:Биотехнология как наука и сферапроизводства.

ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ:Ознакомление с понятием «биотехнология»;рассмотрение основных сфер её практическогоприменения.

Вопросы, выносимыена семинар:

  1. Приведите определения термина «биотехнология».

  2. Перечислите предпосылки развития биотехнологии как науки и сферы производства.

  3. Поясните преимущества биотехнологии перед традиционными видами технологий.

  4. Рассмотрите основные группы биологических объектов, применяемых в биотехнологии.

  5. Перечислите и охарактеризуйте этапы становления биотехнологии как науки.

  6. Охарактеризуйте области практического приложения биотехнологии.

  7. Проиллюстрируйте генетическую связь биотехнологии с другими науками.

  8. Поясните вклад микробиологии в развитие современной биотехнологии.

  9. Приведите понятие микроорганизм, чистая культура, штамм.

  10. Охарактеризуйте значение инженерной энзимологии для развития биотехнологии.

  11. Поясните роль генетической инженерии в становлении современной биотехнологии.

  12. Объясните, в чем состоит вклад клеточной инженерии в формировании биотехнологии как науки и сферы производства.

  13. Приведите и охарактеризуйте основные виды классификаций биотехнологических процессов.

Задание 1:Изучить учебный материал.

1. Понятие о биотехнологии, цели и задачи

В последниедесятилетия мы стали свидетелямисвоеобразного бума, связанного срождением и становлением современнойбиотехнологии. Речь идет о созданиимобильной, высокоэффективной, компактнойотрасли производства, базирующейся насамых последних достижениях биологическойнауки, прежде всего на методах генетическойи клеточной инженерии.

Термином биотехнологияобозначают преимущественно новые,промышленно важные пути биотрансформацииразличных веществ и живых организмов.

Биотехнологияв переводе означает производство спомощью живых существ или технологияживого.

Биотехнология– это наука о применении биологическихпроцессов и систем в производстве.

Биотехнология– это направление научно-техническогопрогресса, использующее биологическиепроцессы и агенты для целенаправленноговоздействия на природу, а также винтересах промышленного полученияполезных для человека продуктов, вчастности лекарственных средств.

Биотехнология– это объединение биохимической,микробиологической и инженерной наукс целью технологического использованиямикроорганизмов, культур клеток итканей, а также составных частей клеток.

Таким образом,биотехнологияпредставляет собой область знаний,которая возникла и оформилась на стыкемикробиологии, молекулярной биологии,генетической инженерии, химическойтехнологии и ряда других наук. Рождениебиотехнологии обусловлено потребностямиобщества в новых, более дешевых продуктахдля народного хозяйства, в том числемедицины и ветеринарии, а такжепринципиально новых технологиях.

Биотехнология(от греч. вios– жизнь, teken– искусство, мастерство, logos– наука, умение, мастерство) – этополучение продуктов из биологическихобъектов или с применением биологическихобъектов.

В качествебиологическихобъектовмогут быть использованы организмыживотных и человека (например, получениеиммуноглобулинов из сыворотоквакцинированных лошадей или людей;получение препаратов крови доноров),отдельные органы (получение гормонаинсулина из поджелудочных желез крупногорогатого скота и свиней) или культурытканей (получение лекарственныхпрепаратов).

Однако в качествебиологических объектов чаще всегоиспользуют одноклеточные микроорганизмы,а также животные и растительные клетки.Выбор этих объектов обусловлен следующимипричинами:

  1. Клетки являются своего рода «биофабриками», вырабатывающими в процессе своей жизнедеятельности разнообразные ценные продукты (белки, жиры, углеводы, витамины, аминокислоты, антибиотики, гормоны, антитела, антигены, ферменты, спирты и др.).

    Эти продукты крайне необходимы в жизни человека, и пока недоступны для получения «небиотехнологическими» способами из-за сложности технологии процессов или экономической нецелесообразности, особенно в условиях крупномасштабного промышленного производства;

  2. Клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся, что позволяет за относительно короткое время искусственно нарастить на сравнительно дешевых и недефицитных питательных средах в промышленных масштабах огромные количества биомассы микробных, животных или растительных клеток;

  3. Биосинтез сложных веществ (белков, антибиотиков, антигенов, антител и др.) значительно экономичнее и технологически доступнее, чем химический синтез. Коэффициент полезного действия «работы» клетки равен 70 %, а самого совершенного технологического процесса – значительно ниже;

  4. Возможность проведения биотехнологического процесса в промышленных масштабах, т.е. наличие соответствующего технологического оборудования и аппаратуры, доступность сырья, технологии переработки и др.

Клетки животныхи растений, микробные клетки в процессежизнедеятельности (ассимиляции идиссимиляции) образуют новые продуктыи выделяют метаболиты, обладающиеразнообразными физико-химическимисвойствами и биологическим действием.Обычно продукты жизнедеятельностиодноклеточных организмов делят на 4категории:

  1. сами клетки как источник целевого продукта. Например, выращенные бактерии или вирусы используют для получения живой или убитой корпускулярной вакцины; дрожжи – как кормовой белок или основу для получения гидролизатов питательных сред и т.д.;

  2. макромолекулы, которые синтезируются клетками в процессе выращивания: ферменты, токсины, антигены, антитела, пептидогликаны и др.;

  3. первичные метаболиты – низкомолекулярные вещества, необходимые для роста клеток (аминокислоты, витамины, нуклеотиды, органические кислоты);

  4. вторичные метаболиты (идиолиты) – низкомолекулярные соединения, не требующиеся для роста клеток (антибиотики, алкалоиды, токсины, гормоны).

Задачи, стоящиеперед биотехнологией.

  1. Поддержание и активизация путей обмена клеток, ведущих к накоплению целевых продуктов при заметном подавлении других реакций обмена у культивируемого организма.

  2. Получение клеток и их составных частей для направленного изменения сложных молекул.

  3. Углубление и совершенствование генетической инженерии, включающей рДНК-биотехнологию и клеточную инженерию, с целью получения особо ценных результатов в фундаментальных и прикладных разработках.

  4. Создание безотходных и экологически безопасных биотехнологических процессов.

  5. Совершенствование и оптимизация аппаратурного оснащения биотехнологических процессов с целью достижения максимальных выходов конечных продуктов при культивировании лекарственных видов с измененной наследственностью, полученными методами клеточной и генной инженерии.

  6. Повышение технико-экономических показателей биотехнологических процессов по сравнению с существующими параметрами.

Человек использовалбиотехнологию на протяжении многихтысяч лет: люди занимались пивоварением,пекли хлеб, придумали способы храненияи переработки продуктов путем ферментации(производство сыра, уксуса, соевогосоуса), научились делать мыло из жиров,изготавливать простейшие лекарства иперерабатывать отходы. Однако толькоразработка методов генетическойинженерии, основанных на созданиирекомбинантных ДНК, привели к тому«биотехнологическому буму», свидетелямикоторого мы сейчас и являемся.

Биотехнология каксамостоятельная прикладная наукасформировалась в середине 50-х годов XXвека, когда человечество осозналонеобходимость первоочередного решенияна принципиально новых основах главнейшихпроблем современности – продовольственной,энергетической, ресурсной, загрязненияокружающей среды и др.

Биотехнологическиепроцессы базируются на использованиибиосинтетического потенциаламикроорганизмов, растительных и животныхклеток, тканей и органов, культивируемыхна искусственных питательных средах.

В настоящее время во многих странахмира развитию биотехнологии придаетсяпервостепенное значение в силу рядасущественных преимуществперед другими видами технологий:биотехнологические процессы обладаютнизкой энергоемкостью, почти безотходны,экологически чистые.

Эти технологиипредусматривают использованиестандартного оборудования и реактивов,а также возможность проведенияисследований круглый год, независимоот климатических условий, занимая приэтом незначительные площади. Крометого, биотехнологические процессывысокопроизводительны, для них характеренвысокий уровень автоматизации имеханизации. Данные процессы осуществляютсяпри относительно низких температурахи атмосферном давлении.

Источник: https://studfile.net/preview/5134769/

Медицинская биотехнология: описание, цели и задачи, примеры

БИОТЕХНОЛОГИЯ И ЕЁ ЗАДАЧИ

Медицинская биотехнология – это новое слово, современный этап развития человечества. Невиданные ранее разработки позволяют поднимать человека на следующую степень социальной эволюции.

Ведь они позволяют кардинальным образом менять вектор развития.

Чтобы не ограничиваться общими фразами, повествование статьи будет вестись на основании данных, предоставленных РНПЦ трансфузиологии и медицинских биотехнологий в Минске.

Вводная информация

Человечество переживает эпоху расцвета. В профилактической и клинической медицине наблюдается экспоненциальный прогресс, равно как и в фармацевтической промышленности. Этому способствуют выдающиеся достижения в биотехнологии, а также ряде других областей науки и техники.

То, что еще вчера казалось фантастикой, сегодня постепенно входит в нашу жизнь. Инновации информационных, генных и иных технологий обладают возможностью обеспечить победу в борьбе с множеством болезней.

Каким образом? К примеру, внесение коррективов в геном человека позволяет увеличить продолжительность жизни. Восстановление или замена стареющих органов благодаря регенеративной медицине также позитивно скажется на каждом, кто прошел это лечение.

Беременность вне стенок утробы? Поправимо. Обследовать и дистанционно консультировать пациентов? Вполне реально.

Наибольшего прогресса удалось достичь в фармацевтике. К ее достижениям следует отнести такие препараты:

  1. Полусинтетические/природные антибиотики, которые могут подавлять рост живых клеток. Как пример можно привести ингибиторы биосинтеза клетки, РНК (на уровне полимера, метаболизма фолиевой кислоты, ДНК-матрицы), нарушители молекулярной организации.
  2. Стероидные гормоны. Они обладают противораковыми, анаболическими, контрацептивными и противовоспалительными свойствами.
  3. Моно- и комплексные лекарства, в качестве основы которых используются аминокислоты. Как пример можно привести глицин, глутамин, метионин, раверон, румалон, тимоген, церебролизин, цистеин, эмбриобласт.
  4. Водо- и жирорастворимые витамины, обладающие высокой биологической ценностью и служащие активными катализаторами метаболических процессов в организме. В качестве примера можно привести группу Б, а также С, А, Е, К.
  5. Пробиотики, оптимизирующие микробиологический статус. К ним относятся лактобациллы, бифидо- и молочнокислые бактерии, энтерококки (некоторые их штаммы).
  6. Лейкоцитарный и рекомбинантный интерферон, что подходит для лечения вирусных гепатитов и тому подобных проблем.
  7. Ферменты, принимающие участие в биохимических реакциях в живых организмах. В качестве примера можно вспомнить трансферазы, лиазы, изомеразы, гидролазы, лигазы.
  8. Вакцины, позволяющие усилить защитные функции иммунной системы по отношению к патогенным вирусам и деструктивным организмам. Могут получаться даже с использованием технологии рекомбинантной ДНК.

Борьба со старением

Говоря о том, что собой представляет медицинская биотехнология, нельзя обойти вниманием ее исключительный вклад в противодействие процессу дряхления. Это возможно благодаря открытиям в молекулярной биологии, расшифровке генома человека и разгадке структуры ДНК, а также ряду иных успехов.

Их практическое широкое применение близко к воплощению. Генодиагностика и генотерапия в ближайшие десятилетия прочно войдут в нашу жизнь.

Они позволят качественно улучшить медицинское обслуживание и уже на эмбриональной стадии выявлять и устранять в щадящем режиме зачатки определенных заболеваний (онкологических, генетических, инфекционных).

Это направление заслуживает особенного внимания в контексте рассматриваемой проблематики. Практически любой медицинский центр биотехнологии заинтересован в отменных результатах. И как это часто бывает, их можно получить на стыке разных направлений работы.

Таковым объединением и стал синтез био- и нанотехнологии. Например, адресная доставка лекарственных средств с помощью нанокапсул.

Чем не вариант? Проведение хирургических операций с использованием высокоточных инструментов, изготовление биореакторов для выращивания стволовых клеток, создание зондовых микроскопов и биосенсеров, фильтрация жидкостей организма от вредных веществ благодаря мембранам с нанопорами, антибактериальные перевязочные материалы с пропиткой из вещества, позволяющего мгновенно остановить кровотечение – все это далеко не предел.

О дискуссионных аспектах

Следует отметить, что РНПЦ трансфузиологии и медицинских биотехнологий функционирует не без проблем. Ведь деятельность предполагает работу с рядом дискуссионных вопросов. Если перечислять их все, то получится существенный по своему размеру список. Поэтому более целесообразно просто выделить наиболее важные моменты:

  1. Недостаточная изученность последствий при генетическом манипулировании.
  2. Сложности в определении пределов допустимого антропогенного вмешательства в идущие биологические процессы.
  3. Морально-этические неоднозначности осуществляемой деятельности с позиции человеческого достоинства и самовосприятия.

Если медицинская биотехнология сможет дать успешные и удовлетворяющие ответы на эти вопросы и вызовы, то в таком случае будут существовать все предпосылки для их безопасного использования. И тогда все смогут осознать, насколько масштабный и самостоятельный шаг в сторону управляемой эволюции был сделан.

Подготовка специалистов

В наш век машин и роботов человечество научилось тяжелый и монотонный труд поручать своим несознательным помощникам. Но, увы, сферы исследований и научных разработок слишком сложны, чтобы передать их механическим и электронным устройствам. И здесь, как нигде, актуально утверждение, что кадры решают все.

Поэтому была введена отдельная специальность – медицинская биотехнология. При обучении необходимо изучать ферментацию, культивирование микроорганизмов, отдельных животных и растительных клеток, а также генную инженерию. Так, если говорить о последней, то здесь необходимо упомянуть о диагностике и идентификации мелких форм жизни.

Дополнительно она работает над клонированием и секвенированием генов, а также их химическим анализом.

Как работает центр трансфузиологии и медицинских биотехнологий?

Допустим, перед исследователями стоит определенная задача. В таком случае становится актуальным вопрос о том, как же ее выполнять и достигать поставленные цели. Зависимо от рабочего фактора выделяют физические и химические методы, а по характеру воздействий – не/избирательные (в первом случае это дезинфекция и стерилизация, во втором – химиотерапевтические).

Давайте рассмотрим, что собой представляет первый вариант. Под физическими методами понимают такие:

  1. Термическая обработка. Это прокалывание, пастеризация, кипячение, автоклавирование.
  2. Облучение (гамма-, рентгеновское, ультрафиолетовое, микроволновое).
  3. Фильтрование (пропуск субстанции через определенные заслоны и материалы, обладающие, например, порами в 200 нанометров).

Среди химических методов различают:

  1. Неспецифического действия. Используются для обработки помещений и как антисептики. Для примера можно привести йод, хлор, альдегиды, спирты, соли тяжелых металлов, щелочи и кислоты, катионные детергенты, окислители, фенолы.
  2. Избирательные препараты. К таковым относятся средства, подавляющие определенный аспект жизнедеятельности. В первую очередь следует вспомнить про антибиотики, а также химиотерапевтические препараты.

Медицинские и экологические биотехнологии предполагают широкое использование различного инструментария. Поэтому без детальной характеристики общих положений их работы и применения не обойтись. И в качестве объекта рассмотрения выступят антибиотики.

Допустим, у нас есть кластер медицинского/экологического приборостроения и биотехнологий. К нашим услугам несколько тысяч веществ, классифицированных как антибиотики. Но в реальности в качестве основы для препаратов используется значительно меньшее их количество. Это обусловлено существующими требованиями, ограничивающими применение:

  1. Должны быть эффективны в низких концентрациях.
  2. Необходимо обеспечить стабильность в организме и разных условиях хранения.
  3. Должна наблюдаться низкая токсичность (или вообще отсутствовать).
  4. Необходимым условием является наличие выраженного бактерицидного и/или бактериостатического эффекта.
  5. Не должны наблюдаться выраженные побочные эффекты.
  6. Отсутствует иммунодепрессивное воздействие.

Если с этим проблем нет, то лаборатории и институты медицинских биотехнологий переходят к следующему этапу, который заключается в том, что антибиотики разделяются по своему происхождению, направленности, спектру и механизму действия.

Пример классификации

Зависимо от спектра действия выделяют антибиотики:

  • Противоопухолевые. В качестве примера можно привести “Рифампицин”.
  • Противотуберкулезные. Как пример можно привести “Канимицин” и “Стрептомицин”.
  • Противогрибковые. Это “Нистатин”, “Амфотеррицин”, “Низорал”, “Леварин”.
  • Антибиотики широкого спектра действия. Это “Стрептомицин” и “Неомицин”.
  • Препараты, действующие на грамположительную микрофлору. К таковым относится “Пенициллин” и “Эритромицин”.
  • Препараты, действующие на грамотрицательную микрофлору. Наиболее известным представителем является “Полимиксин”.

А что с другими разработками?

Направления медицинской биотехнологии настолько многочисленны и разнообразны, что пробовать выработать универсальный рецепт для них всех не предоставляется возможным. К примеру, подходы, применяемые к антибиотикам, малопригодны в генной инженерии.

Это относится не только к исследованию, но и к воспроизводству и усовершенствованию наработок. К примеру, медицинская биотехнология антибиотиков уже неплохо изучена. И у нас сейчас есть множество препаратов, позволяющих бороться с самыми страшными болезнями.

Но вот исправление генетических проблем – увы, это пока слабо поддается.

Еще один пример деятельности

Очень перспективным направлением работы сейчас считается генная инженерия. Только подумайте – потенциально с ее помощью можно преодолеть множество болезней и негативных состояний человеческого здоровья.

Синдром Дауна, склонность к проблемам сердечной системы и множество иных неприятностей могут быть решены благодаря генной терапии или будут минимизированы. Не нужно будет ждать, пока среди поколений людей выработается иммунитет (что сопровождается многочисленными смертями).

Достаточно будет пройти что-то вроде серии уколов – и у человека будет решена проблема, а также появится иммунитет.

Заключение

Технологии в сфере медицины открывают перед нами широкие возможности. Сегодня человечество, как никогда, близко к тому, чтобы решительным образом избавиться от преследующих тысячелетиями болезней и физических недостатков. Как это ни парадоксально, но наше движение к этой цели не является настолько быстрым, как нам бы этого хотелось.

Почему? Здесь можно вспомнить коммерческую направленность деятельности исследовательских учреждений, существующие законодательные ограничения и неправильное использование имеющихся технологий. В качестве примера последней ситуации можно привести использование антибиотиков. Эти препараты довольно широко распространены и часто отпускаются без рецептов.

Во многих отсталых странах их использование и продажа вообще слабо регламентируются или не ограничиваются вовсе. Поэтому антибиотики часто используются без предписания врача и в неправильной дозировке (слишком маленькой или с нарушением временных ограничений).

А это все способствует тому, что у микроорганизмов вырабатывается устойчивость, и медицинские препараты теряют свои свойства.

Источник: https://FB.ru/article/407600/meditsinskaya-biotehnologiya-opisanie-tseli-i-zadachi-primeryi

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.