Биотехнология

Содержание:

Введение

1. Общие понятия, основные вехи биотехнологии

2. Генная инженерия

3. Клонирование и биотехнология в животноводстве

4. Практическое значение  и перспективы генетической инженерии

5. Значение и задачи биотехнологии

Заключение

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Биотехнология, или технология биопроцессов - это производственное использование биологических агентов или их систем для получения ценных продуктов и осуществления целевых превращений. Биологические агенты в данном случае - микроорганизмы, растительные и животные клетки, клеточные компоненты: мембраны клеток, рибосомы, митохондрии, хлоропласты, а также биологические макромолекулы (ДНК, РНК, белки - чаще всего ферменты). Биотехнология использует также вирусную ДНК или РНК для переноса чужеродных генов в клетки.

Человек использовал биотехнологию  многие тысячи лет: люди пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, другие молочнокислые  продукты, используя различные микроорганизмы, при этом даже не подозревая об их существовании. Собственно сам термин появился в нашем языке не так давно, вместо него употреблялись слова «промышленная микробиология», «техническая биохимия» и др. В традиционном, классическом, понимании биотехнология - это наука о методах и технологиях производства различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов

Термин «новая» биотехнология  в противоположность «старой» биотехнологии  применяют для разделения биопроцессов, использующих методы генной инженерии, новую биопроцессорную технику, и более традиционные формы биопроцессов.

Биотехнология как наука  является важнейшим разделом современной  биологии, которая, как и физика, стала в конце XX в. одним из ведущих  приоритетов в мировой науке и экономике.

Всплеск исследований по биотехнологии  в мировой науке произошел  в 80-х годах, когда новые методологические и методические подходы обеспечили переход к эффективному их использованию в науке и практике и возникла реальная возможность извлечь из этого максимальный экономический эффект. По прогнозам, уже в начале 21 века биотехнологические товары будут составлять четверть всей мировой продукции.

Современная биотехнология - это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях  создания и использования генетически  трансформированных биологических  объектов для интенсификации производства или получения новых видов  продуктов различного назначения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Общие понятия, основные вехи биотехнологии

Биотехнология возникла на стыке микробиологии, биохимии и  биофизики, генетики и цитологии, биоорганической  химии и молекулярной биологии, иммунологии  и молекулярной генетики. Методы биотехнологии  могут применяться на следующих  уровнях: молекулярном (манипуляция  с отдельными частями гена), генном, хромосомном, уровне плазмид, клеточном, тканевом, организменном и популяционном.

Выдающиеся достижения биотехнологии  в конце ХХ в. привлекли к ней внимание не только широкого круга ученых, но и всей мировой общественности. Не случайно ХХI в. предложено считать веком биотехнологии.

Термин «биотехнология»  предложил венгерский инженер Карл Эреки (1917), когда описывал производство свинины (конечный продукт) с использованием сахарной свеклы (сырье) в качестве корма для свиней (биотрансформация).

Под биотехнологией К. Эреки понимал «все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты». Все последующие определения этого понятия - всего лишь вариации пионерской и классической формулировки К. Эреки.

Биотехнология - наука об использовании живых организмов, биологических процессов и систем в производстве, включая превращение  различных видов сырья в продукты.

К биотехнологии относится  трансплантация эмбрионов, получение  трансгенных организмов, клонирование.

Стэнли Коэн и Герберт  Бойер в 1973 г. разработали метод переноса гена из одного организма в другой. Коэн писал: «...есть надежда, что удастся ввести в Е. coli гены, ассоциированные с метаболическими или синтетическими функциями присущими другим биологическим видам, например, гены фотосинтеза или продукции антибиотиков». С их работы началась новая эра в молекулярной биотехнологии. Было разработано большое число методик, позволяющих 1) идентифицировать 2) выделять; 3) давать характеристику; 4) использовать гены.

В 1978 г. сотрудники фирмы  «Genetech» (США) впервые выделили последовательности ДНК, кодирующие инсулин человека, и перенесли их в клонирующие векторы, способные реплицироваться в клетках Escherichia coli. Этот препарат мог использоваться больными диабетом, у которых наблюдалась аллергическая реакция на инсулин свиньи.

В настоящее время молекулярная биотехнология дает возможность  получать огромное количество продуктов: инсулин, интерферон, «гормоны роста», вирусные антигены, огромное количество белков, лекарственных препаратов, низкомолекулярные вещества и макромолекулы.

Несомненные успехи в использовании  индуцированного мутагенеза и селекции для улучшения штаммов-продуцентов  при производстве антибиотиков и  т.д. стали еще более значимы  с использованием методов молекулярной биотехнологии.

В настоящее время в  мире существует более 3000 биотехнологических компаний. В 2004 г. в мире было произведено  биотехнологической продукции более чем на 40 млрд. долларов.

 

 

 

 

 

2. Генная инженерия 

Важной составной частью биотехнологии является генетическая инженерия. Родившись в начале 70-х  годов, она добилась сегодня больших  успехов. Методы генной инженерии преобразуют  клетки бактерий, дрожжей и млекопитающих  в «фабрики» для масштабного  производства любого белка. Это дает возможность детально анализировать  структуру и функции белков и  использовать их в качестве лекарственных  средств. В настоящее время кишечная палочка (E. coli) стала поставщиком таких важных гормонов как инсулин и соматотропин. Ранее инсулин получали из клеток поджелудочной железы животных, поэтому стоимость его была очень высока.5

Генная инженерия - раздел молекулярной биотехнологии, связанный  с осуществлением переноса генетического  материала (ДНК) из одного организма в другой. 6

Термин «генетическая  инженерия» появился в научной литературе в 1970 г., а генетическая инженерия  как самостоятельная дисциплина - в декабре 1972 г., когда П. Берг и  сотрудники Стенфордского университета (США) получили первую рекомбинантную ДНК, состоящую из ДНК вируса SV40 и бактериофага λdvgal.

Бурное развитие генетической инженерии связано с разработкой  новейших методов исследований, среди  которых необходимо выделить основные:

Расщепление ДНК (рестрикция) необходимо для выделения генов и манипуляций с ними;

гибридизация нуклеиновых  кислот, при которой, благодаря их способности связываться друг с  другом по принципу комплементарности, можно выявлять специфические последовательности ДНК и РНК, а также совмещать различные генетические элементы. Используется в полимеразной цепной реакции для амплификации ДНК in vitro;

клонирование ДНК - осуществляется путем введения фрагментов ДНК или  их групп в быстрореплицирующиеся генетические элементы (плазмиды или вирусы), что дает возможность размножать гены в клетках бактерий, дрожжей или эукариот;

определение нуклеотидных последовательностей (секвенирование) в клонируемом фрагменте ДНК. Позволяет определить структуру генов и аминокислотную последовательность кодируемых ими белков;

химико-ферментативный синтез полинуклеотидов - часто необходим для целенаправленной модификации генов и облегчения манипуляций с ними.

3. Клонирование  и биотехнология в животноводстве

Клонирование - совокупность методов, использующихся для получения  клонов. Клонирование многоклеточных организмов включает пересадку ядер соматических клеток в оплодотворенное  яйцо с удаленным пронуклеусом. Дж. Гердон (1980) впервые доказал возможность переноса ДНК путем микроинъекций в пронуклеус оплодотворенной яйцеклетки мыши. Затем Р. Бринстер и Др. (1981) получили трансгенных мышей, которые синтезировали большое количество тимидинкиназы NSV в клетках печени и почек. Это было достигнуто путем инъекции гена тимидинкиназы NSV под контролем промотора гена металлотионеина-I.

В 1997 г. Уилмут и др. клонировали овцу Долли методом переноса ядра от взрослой овцы. Они взяли от 6-летней овцематки породы финский дорсет эпителиальные клетки молочной железы. В культуре клеток или в яйцеводе с наложенной лигатурой их культивировали в течение 7 дней, а потом эмбрион в стадии бластоцисты имплантировали в «суррогатную» мать шотландской черноголовой породы. В эксперименте из 434 яйцеклеток была получена только одна овца Долли, которая была генетически идентичной донору породы финский дорсет.

Клонирование животных с  помощью переноса ядер из дифференцированных тотипотентных клеток иногда ведет к снижению жизнеспособности. Не всегда клонированные животные являются точной генетической копией донора из-за изменений наследственного материала и влияния условий среды. У генетических копий варьирует живая масса и бывает различный темперамент.

Открытия в области  структуры генома, сделанные в  середине прошлого века, дали мощный толчок к созданию принципиально новых  систем направленного изменения  генома живых существ. Были разработаны  методы, позволяющие конструировать и интегрировать в геном чужеродные генные конструкции. Одним из таких  направлений является интеграция в  геном животных генных конструкций, связанных с процессами регуляции  обмена веществ, что обеспечивает последующее  изменение и ряда биологических  и хозяйственно полезных признаков животных.

Животных, несущих в своем  геноме рекомбинантный (чужеродный) ген, принято называть трансгенными, а ген, интегрированный в геном реципиента, - трансгеном. Благодаря переносу генов у трансгенньгх животных возникают новые признаки, которые при селекции закрепляются в потомстве. Так создают трансгенные линии.

Одни из важнейших задач  сельскохозяйственной биотехнологии  -выведение трансгенных животных с улучшенной продуктивностью и более высоким качеством продукции, резистентностью к болезням, а также создание так называемых животных - биореакторов - продуцентов ценных биологически активных веществ.

Потери в животноводстве, вызванные различными болезнями, достаточно велики, поэтому все более важное значение приобретает селекция животных по резистентности к болезням, вызываемых микроорганизмами, вирусами, паразитами и токсинами. Ведутся исследования, направленные на получение трансгенных животных, резистентных к маститу за счет повышения содержания белка лактоферина в тканях молочной железы.

Очень важно использование  трансгенных животных в медицине и ветеринарии для получения биологически активных соединений за счет включения в клетки организма генов, вызывающих у них синтез новых белков.

4. Практическое  значение и перспективы генетической  инженерии

Промышленная микробиология - развитая отрасль промышленности, во многом определяющая сегодняшнее  лицо биотехнологии. И производство практически любого препарата, сырья  или вещества в этой отрасли сейчас так или иначе связано с генетической инженерией. Дело в том, что генетическая инженерия позволяет создавать микроорганизмы - сверхпродуценты того или иного продукта. С ее вмешательством это происходит быстрее и эффективнее, чем путем традиционной селекции и генетики: в результате экономятся время и деньги. Имея микроорганизм сверхпродуцент, можно получить больше продукции на том же оборудовании без расширения производства, без дополнительных Капитальных вложений. К тому же микроорганизмы растут в тысячу раз быстрее, чем растения или животные.

Особо широкие возможности  появляются у генетической инженерии  при производстве ферментов-белков - прямых продуктов работы гена. Увеличить  производство фермента клеткой можно, либо введя в нее несколько  генов этого фермента, либо улучшив  их работу путем установки перед  ними более сильного промотора.

С генетической инженерией связаны надежды на расширение ассортимента микробиологических удобрений и  средств защиты растений, увеличение производства метана из бытовых и  сельскохозяйственных отходов. Путем  выведения микроорганизмов, более  эффективно разлагающих различные  вредные вещества в воде и почве, можно существенно повысить эффективность  борьбы с загрязнением окружающей среды.

Рост народонаселения  на Земле, как и десятилетия назад, опережает прирост производства сельскохозяйственной продукции. Следствие  этого - хроническое недоедание, а  то а просто голод среди сотен миллионов людей. Производство удобрений, механизация, традиционная селекция животных и растений - все это составляло основу так называемой «зеленой революции», которая себя не совсем оправдала. В настоящее время изыскивают другие, нетрадиционные пути повышения эффективности сельскохозяйственного производства. Большие надежды в этом деле возлагаются на генетическую инженерию растений. Только с ее помощью можно радикальным образом расширить границы изменчивости растения в сторону каких-либо полезных свойств, передав ему гены от других (возможно, неродственных) растений и даже гены животного или бактерии. С помощью генетической инженерии можно определять присутствие вирусов в сельскохозяйственных растениях, предсказывать урожайность, получать растения, способные противостоять различным неблагоприятным факторам внешней среды. Генетическая инженерия может существенно помочь в решении этих вопросов.

5. Значение и задачи биотехнологии

В исследованиях по биотехнологии  разрабатываются методы изучения генома, идентификации генов и способы  переноса генетического материала. Одно из главных направлений биотехнологии - генетическая инженерия. Генно-инженерными  методами создаются микроорганизмы - продуценты биологически активных веществ, необходимых человеку. Выведены штаммы микроорганизмов, продуцирующих незаменимые  аминокислоты, которые необходимы для  оптимизации питания сельскохозяйственных животных.