Біотехнологія

20.02.2017

Біотехнологія

Біотехнологія

Основні напрями біотехнології.Біотехнологія це виробництво потрібних людині продуктів і матеріалів за допомогою живих організмів, культивованих клітин і біологічних процесів.

Можливості біотехнології надзвичайно великі завдяки тому, що її методи вигідніше звичайних: вони використовуються при оптимальних умовах (температурі і тиску), більш продуктивні, екологічно чисті і не вимагають хімічних реактивів, отруйних середу та ін

Об’єктами біотехнології служать численні представники груп живих організмів — мікроорганізми (віруси. бактерії. протисты, дріжджі та ін.>, рослини. тварини. а також ізольовані з них клітки і субклеточные структури (орга-неллы). Біотехнологія базується на що протікають в живих системах фізіолого-біохімічних процесах, в результаті яких здійснюються виділення енергії, синтез і розщеплення продуктів метаболізму, формування хімічних і структурних компонентів клітини.

Головними напрямками біотехнології є: 1) виробництво з допомогою мікроорганізмів і культивованих эука-риотических клітин біологічно активних сполук (ферментів, вітамінів, гормональних препаратів), лікарських препаратів (антибіотиків, вакцин, сироваток, високоспецифічних антитіл та ін), а також білків, амінокислот, які використовуються в якості кормових добавок; 2) застосування біологічних методів боротьби із забрудненням навколишнього середовища (біологічна очистка стічних вод, забруднення грунту і т. і.) і для захисту рослин від шкідників і хвороб; 3) створення нових корисних штамів мікроорганізмів, сортів рослин, порід тварин тощо

Завдання, методи та досягнення біотехнології. Людству необхідно навчитися ефективно змінювати спадкову природу живих організмів, щоб забезпечити себе доброякісною їжею і сировиною і при цьому не призвести планету до екологічної катастрофи. Тому не випадково головним завданням селекціонерів у наш час стало вирішення проблеми створення нових форм рослин, тварин і мікроорганізмів, добре пристосованих до індустріальних способів виробництва, стійко переносять несприятливі умови, ефективно використовують сонячну енергію і, що особливо важливо, дозволяють отримувати біологічно чисту продукцію без надмірного забруднення навколишнього середовища. Принципово новими підходами до вирішення цієї фундаментальної проблеми є використання в селекції генної і клітинної інженерії.

Генна (генетична) інженерія — розділ молекулярної генетики пов’язаний з цілеспрямованим створенням нових молекул ДНК, здатних розмножуватися в клітині-хазяїні і здійснювати контроль за синтезом необхідних метаболітів клітини. Виникнувши на стику хімії нуклеїнових кислот і генетики мікроорганізмів, генна інженерія займається розшифровкою структури генів, їх синтезом і клонуванням, вставкою виділених з клітин живих організмів або знову синтезованих генів у клітини рослин і тварин з метою спрямованого зміни їхніх спадкових властивостей.

Для здійснення переносу генів (або трансгенеза) від одного виду організмів до іншої, часто дуже далекий за своїм походженням, необхідно виконати кілька складних операцій:

  1. виділення генів (окремих фрагментів ДНК) з клітин бак- терий, рослин або тварин. В окремих випадках цю операцію замінюють штучним синтезом потрібних генів;
  2. з’єднання (зшивання) окремих фрагментів ДНК будь-якого походження в єдину молекулу у складі плазміди;
  3. вступ гібридної плазмідної ДНК, що містить потрібний ген. в клітини господаря;
  4. копіювання (клонування ) цього гена в новому господарі з забезпеченням його роботи.

Клоновані гени шляхом мікроін’єкції вводять в яйцеклітину ссавців або протопласты рослин (ізольовані клітини, позбавлені клітинної стінки) і з них вирощують цілих тварин або рослини. у геном яких вбудовані (інтегровані) клоновані гени. Рослини і тварини, геном яких змінений шляхом генноінженерних операцій, отримали назву трансгенних рослин або трансгенних тварин.

Вже отримано трансгенні миші. кролики. свині, вівці, в геномі яких працюють чужорідні гени різного походження, у тому числі гени бактерій, дріжджів, ссавців, людини, а також трансгенні рослини з генами інших, неспоріднених видів. Трансгенні організми свідчать про великі можливості генної інженерії як прикладної гілки молекулярної генетики. Наприклад, в останні роки отримано нове покоління трансгенних рослин, для яких характерні такі цінні ознаки, як стійкість до гербіцидів, комах та ін Трансгенні рослини в 1999 р. займали у світі площу, рівну 48,2 млн. га.

Є всі підстави припускати, що вже в найближчому майбутньому буде вирішена проблема спрямованого зміни спадковості вищих рослин, що призведе до революції в сільському господарстві. В першу чергу мова йде про створення симбіозу між злаками і азотфіксуючими бульбочковими бактеріями. а це вирішить проблему азотних добрив. Вже є докази того, що свободноживущие азотофіксуючі бактерії здатні асоціювати з коренями злаків, даючи можливість рослині-господарю отримувати деяку кількість азоту в результаті бактеріальної азотфіксації. Тепер генетично потрібно домогтися, щоб азотофіксуючі бактерії більш ефективно приєднувалися до коренів злаків, що сприяло б їх більш корисною і успішної асоціації (симбіозу).

Розробляється метод перенесення в певні рослини більш ефективних ферментних систем метаболічного шляху фіксації атмосферного вуглецю (темнової фази фотосинтезу ), що дозволить підвищити швидкість фіксації вуглекислого газу і, як наслідок, продуктивність фотосинтезу культурних рослин.

найважливішим кроком до перемоги не тільки над генетичними хворобами, але і над старістю буде розробка методів геноте-рапии, безпечних для клітини. Тоді у лікарів з’явиться можливість замінювати в організмі літніх людей пошкоджені в результаті мутацій гени на нормальні.

На сьогоднішній день методи генної інженерії дозволили здійснити синтез в промислових кількостях таких гормонів, як інсулін, інтерферон і соматотропін (гормон росту), які необхідні для лікування ряду генетичних хвороб людини — цукрового діабету, деяких видів злоякісних утворень, карликовості,

З допомогою генетичних методів були отримані також штами микроогранизмов (Ashbya gossypii, Pseudomonas denitrificans та ін), які виробляють в десятки тисяч разів більше вітамінів (С, В3. 13. та ін), ніж вихідні форми.

В основі клітинної інженерії лежить використання методів культивування ізольованих клітин і тканин на штучної живильному середовищі в регульованих умовах. Це стало можливим завдяки здатності рослинних клітин в результаті регенерації формувати цілу рослину з одиничної клітини. Умови регенерації розроблені для багатьох культурних рослин — картоплі, пшениці, ячменю, кукурудзи, томатів та ін Робота з цими об’єктами робить можливим використання в селекції нетрадиційних методів клітинної інженерії — соматичної гібридизації, гаплоїдії, клітинної селекції, подолання нескрещиваемости в культурі та ін

Соматична гібридизація — це злиття двох різних клітин в культурі тканин. Зливатися можуть різні види клітин одного організму та клітини різних, іноді дуже далеких видів, наприклад миші і щури. кішки і собаки, людини і миші,

Культивування клітин рослин стало можливим, коли навчилися з допомогою ферментів позбавлятися від товстої клітинної стінки і отримувати ізольований протопласту, який можна культивувати так само, як і клітини тварин. Крім того, можна змусити злитися з протопластом інших видів рослин і отримати у відповідних умовах нові гібриди. Протопласту є також ідеальним реципієнтом для чужорідної ДНК, що дає можливість утворення генетично модифікованих рослин.

З протопластів багатьох рослин у відповідних умовах формуються повноцінні організми, які можна пересадити в землю і далі розмножувати звичайним способом. Таким шляхом отримують гібриди між рослинами, які інакше не схрещуються, звільняються від вірусів або, навпаки, вводять в рослини інші гени.

У рослин-регенерантів виявлено широкий спектр мутацій як за якісними, так і за кількісними ознаками. Для проведення спрямованої селекції мутантів в культурі створюється селективний фон, позволяюеций відібрати клітини з потрібними якостями. Саме цей тип клітинної селекції забезпечує можливість підвищення пристосованості генотипів, тобто в культурі можлива селекція на стійкість до патогенів, гербіцидів, засолення ґрунтів, високою або низькою їх кислотності, посухи і т, п. Загальний принцип відбору рослинних клітин в культурі на живильному середовищі полягає в тому, що ознака рослини, за яким ведеться відбір, як правило, повинен проявлятися на клітинному рівні.

Наприклад, якщо в культуру рослинних клітин додати токсичні аналоги амінокислот, то будуть розмножуватися тільки ті мутанти, у яких власний синтез цих амінокислот вище звичайного. Так вдалося отримати клітки, а з них рослини моркви, синтезують у 20 разів більше метіоніну, в 30 разів — триптофану, в 5 разів — лізину. Проведення такої селекції на цілих рослинах вимагає величезної роботи протягом багатьох десятків років.

Дуже важливий напрямок клітинної інженерії пов’язано з ранніми стадіями ембріогенезу. Наприклад, запліднення яйцеклітин в пробірці вже зараз дозволяє долати деякі поширені форми безпліддя у людини. У сільськогосподарських тварин за допомогою ін’єкції гормонів вдається отримати від однієї корови-рекордистки десятки яйцеклітин, запліднити їх в пробірці спермою породистого бика, а потім імплантувати в матку інших корів; в результаті один цінний екземпляр дає в 10 разів більше потомства, ніж це було можливо звичайним шляхом.

Культуру рослинних клітин вигідно використовувати для швидкого розмноження повільно зростаючих рослин женьшеню, маслинной пальми. малини, персиків та ін Так, при звичайному розведенні кущ малини дає не більше 50 відростків в рік, а з допомогою культури клітин можна отримати понад 50 тис. рослин. При такому розведенні іноді виростають рослини більш продуктивні, ніж вихідний сорт. Так були виведені нові цінні сорти картоплі, грейпфрута і т. д.

Вже багато років для вирішення проблеми забруднення навколишнього середовища використовуються біологічні методи, розроблені біотехнологами. Так, бактерії родів Rhodococcus і Nocardia з успіхом застосовують для емульгування та сорбції вуглеводнів нафти водного середовища. Вони здатні розділяти водну і нафтову фази, концентрувати нафту, очищати стічні води від домішок нафти. Асимілюючи вуглеводні нафти, такі мікроорганізми перетворюють їх в білки. вітаміни групи В і каротини. Якщо в живильне середовище з нафтових фракцій додати азотисті речовини з мінеральними солями, то процес утворення білків піде надзвичайно інтенсивно. Практично з кожної тонни вуглеводнів таким шляхом можна отримати до тонни білків. Це означає, що менше одного відсотка оброблюваної тепер сирої нафти вистачило б для відшкодування нестачі в білках на всій планеті.

Деякі з штамів галобактерий з успіхом застосовують для видалення мазуту з піщаних пляжів. Отримані також генно-інженерні штами, здатні розщеплювати октан, камфору, нафталін, ксилол, ефективно утилізувати сиру нафту. Для вилучення металів із стічних вод можуть широко використовуватися штами Citrobacter, Zoogloea, здатні накопичувати уран, мідь, кобальт.

Отримано високоефективні штами Pseudomonas і термофільною бактерії Sulfolobus для видалення сірки з вугілля; це одна з найскладніших екологічних проблем; так як при спалюванні вугілля відбувається сильне забруднення навколишнього середовища сіркою.

Біотехнологія проникає у важку промисловість, де мікроорганізми використовуються для видобутку, перетворення і переробки природних копалин. Вже в давнину перші металурги отримували залізо з болотних руд, вироблених железобактериями, які здатні концентрувати залізо. Тепер розроблені способи бактеріальної концентрації ряду інших цінних металів — марганцю, цинку, міді, хрому та ін Ці методи використовуються для розробки відвалів старих копалень і бідних родовищ, де традиційні методи видобутку економічно невигідні.

Біотехнологія вирішує не тільки конкретні завдання науки і виробництва. У неї є більш глобальна методологічна завдання — вона розширює, прискорює масштаби впливу людини на живу природу і сприяє адаптації живих систем до умов існування людини, тобто до ноосферу. Біотехнологія, таким чином, виступає в ролі потужного фактора антропогенного адаптивної еволюції.

У біотехнології, генетичної та клітинної інженерії багатообіцяючі перспективи. З часом людина буде впроваджувати потрібні гени в клітини рослин, тварин і людини, що дозволить поступово позбутися від багатьох спадкових хвороб, змусить клітини синтезувати необхідні ліки та біологічно активні сполуки, а потім — безпосередньо білки і незамінні амінокислоти. вживаються в їжу. Використовуючи методи, вже освоєні природою, біотехнологи сподіваються отримувати з допомогою фотосинтезу водень — найбільш екологічно чисте паливо майбутнього, а також перетворювати в аміак атмосферний азот при звичайних умовах і т. д.

Джерело. Н.А. Лемеза Ст. Л. Камлюк Н.Д. Лисов «Посібник з біології для вступників у Вузи»

Короткий опис статті: біотехнології у медицині Основні напрями біотехнології.Біотехнологія — це виробництво потрібних людині продуктів і матеріалів за допомогою живих організмів, культивованих клітин і біологічних процесів. Можливості біотехнології надзвичайно великі завдяки тому, що її методи вигідніше звичайних: вони використовуються при оптимальних умовах (температурі і тиску),
продуктивні, екологічно чисті і не вимагають хімічних реактивів, отруйних середу та ін. клітина, біологія, прокаріоти, еукаріоти, рослини, тварини, багатоклітинні, структура, людина, біосфера, екологія, вчені, бібліотека, статті, генетика, розмноження, еволюція, навчання, розвиток, життя, новини, здоров’я, організм, середа

Джерело: Біотехнологія

Також ви можете прочитати