Реферат: Биотехнология. Вклад в решение глобальных проблем человечества

                           Биотехнологии

Удивительными открытиями внауке и грандиозным научно-техническим прогрессом ознаменовался  XX век, однако  научно-техническийпрогресс в настоящем виде имеет негативные стороны: исчерпание ископаемыхресурсов загрязнение окружающей среды, исчезновение многих видов растений иживотных, глобальное изменение климата, появление озоновых дыр над полюсамиЗемли и т.д. Ясно, что такой путь ведёт в тупик. Нужно принципиальное изменениевектора развития. Биотехнология может внести решающий вклад в решениеглобальных проблем человечества.

Биотехнология — это использование живых организмов (или их составныхчастей) в практических целях.Когда говорят о современной биотехнологии, топодобное определение дополняют словами: набазе достижений молекулярной биологии. Если не сделать подобногодобавления, то под определение «биотехнология» попадут и традиционное с/х, животноводство имногие отрасли пищевой промышленности, использующие микроорганизмы. Далее мыостановимся на одном из видов биотехнологии, а именно на генной инженерии,которая открывает совершенно новые пути в медицине химии, в производствеЭнергии, новых материалов, в охране окружающей среды. Генная инженерия — это технология манипуляций с веществомнаследственности — ДНК.

Сегодня учёные могут впробирке разрезать молекулу ДНК в желательном месте, изолировать и очищатьотдельные её фрагменты, синтезировать их из двух дезоксирибонуклеотидов, могутсшивать такие фрагменты. Результатом таких манипуляций являются  «гибридные», или рекомбинантныемолекулы ДНК, которых до этого не было в природе.

Годом рождения геннойинженерии считается 1972 год, когда в лаборатории Пола Берга в США былаполучена в пробирке первая рекомбинантная реплицироваться, т.е. размножаться, вбактерии кишечной палочки E.сoli. Само появление генной инженерии сталовозможным благодаря фундаментальным открытиям в молекулярной биологии.

 В 60-е годы ученые расшифровали генетический код, т.е.установили, что каждаяаминокислота в белке кодируется триплетом нуклеотидов в ДНК. Особенно важно,что генетический код универсален длявсего живого мира. Это означает, что весь мир «разговаривает» наодном языке. Если передать в какую- либо клетку «чужеродную»  ДНК, то информация, в ней закодированная,будет правильно воспринята клеткой реципиентом.

Далее было установлено, что существуют специальные последовательностиДНК, определяющие начало и окончание транскрипции, трансляции, репликации.Практически все эти системы, в первом приближении, безразличны  к последовательностям ДНК, расположенныммежду данными сигналами. Надо сказать, что сами сигналы различаются в разныхорганизмах. Из всего сказанного следует, что если взять некий структурныйген(например человека) и in vitro снабдить его сигналами,  характерными для гена бактериальной клетки,то такая структура, помещённая в бактериальную клетку, будет способна к синтезучеловеческого белка.

  Принципиальная особенность генной — способность создавать структуры ДНК,которые никогда не образуются в живой природе. Генная инженерия преодолелабарьер, существующий в живом мире, где генетический обмен осуществляется тольков пределах одного вида или близкородственных видов организмов. Она  позволяет переносить гены из одного живогоорганизма в любой другой. Эта новая техника открыла безграничные перспективысоздания микроорганизмов, растений и животных с новыми полезными свойствами.

Конечно, нарушение барьеровживой  природы может таить потенциальнуюопасность. Вот почему во всех развитых странах мира правила работы, законы, регулирующиегенно-инженерную деятельность. Закон о «генно-инженернойдеятельности» принят и парламентом РФ в июле 1996 г.

Невозможно рассказать о всехаспектах применения техники генной инженерии в биотехнологии или научныхисследованиях. Приведём лишь несколько примеров, иллюстрирующих возможностиэтого метода.

Одно из наиболее важныхнаправлений генной инженерии — производстволекарств нового поколения, представляющих собой биологически активные белки человека. Следуетнапомнить, что в большинстве случаев белки человека (как и других животных)видоспецифичны, т.е. для лечения человека можно использовать только белкичеловека. Вследствие этого возникает проблема получения человеческих белков внужных количествах.

В связи со сказанным  интересна история получения интерферонов. В1957 г. английские ученые Иссаакс и Линдельман обнаружили, что мыши, болевшиегриппом, не подвержены инфекции другими, более опасными вирусами. Исследованиенаблюдаемого явления привело к выводу, клетки животных и человека в ответ навирусную инфекцию выделяют какое-то вещество, которое делает окружающиездоровые клетки устойчивыми к вирусной инфекции. Это вещество (или вещества)получило название интерферона.

В течение последующих 20 летвелись интенсивные исследования. Было установлено, что интерфероны — группыбелков, относящиеся к 3 классам — alpha,betta и gamma. Лейкоциты крови выделяют интерферон типа alpha, фибробласты типа betta и T- лейкоциты типа gamma.Интерфероны выделили, очистили и показали их эффект как противовирусныхлекарств. Кроме того, эти белки оказались эффективными при лечении рассеянногосклероза и некоторых видов рака. Единственным препятствием к использованиюинтерферонов была их малая доступность. Они синтезировались в очень малыхколичествах: источником их получения была или донорская кровь, или культураклеток человека. К сожалению, эти источники не позволяли получать интерфероны вколичестве, нужных медицине.

 В 1980 — 1985 гг. в нескольких лабораторияхмира, в том числе и в СССР, были выделены гены человека, определяющие синтезинтерферонов, и введены в бактерии. Такие бактерии стали способны синтезироватьчеловеческий интерферон. Очень важно, что они быстро растут, используют дешёвую питательную среду и синтезируютбольшое количество белка. Из 1 л бактериальной культуры можно выделить столькочеловеческого интерферона alpha, сколько из 10 тыс. л.  донорской крови. Полученный белок абсолютноидентичен интерферону, синтезируемому в организме человека. Конечно, пришлосьрешать сложную задачу очистки интерферона, полученного способом геннойинженерии, до гомогенного состояния.

Ещё 4 — 6 лет занялидоклинические и клинические испытания. Наконец в 1989 -1990 гг. появилось новоелекарство — человеческий интерферон alpha; в России он выпускается под названием  «реаферон». За эту работу группаученых удостоена Ленинской премии.

Сегодня это почтиединственный препарат, который эффективен против вирусных гепатитов как вострой, так и в хронических формах, против герпеса, простудных заболеваний.Интерферон применяется и в терапии некоторых видов рака. За рубежом с 1994 г.выпускаются препараты betta и gamma — интерферонов человека.

Из других препаратоврекомбинантных белков человека, получивших широкое медицинское применение,следует назвать инсулин, гормон роста, эритропоэтин. Свиной инсулин отличаетсяот человеческого всего одной аминокислотой. Применяется с 1926 г. для лечениялюдей при инсулинзависимом сахарном диабете. Для гормона роста и эритропоэтинаотмечается, как и для интерферонов, видоспецифичность белков. Генная инженерияоткрыла новую возможность использования этих белков в медицине. Гормон ростаприменяется не только для борьбы с карликовостью, но и широко используется какстимулятор для заживления ран, сращивания костей. Гормоны роста животных началииспользовать в с/х (увеличение на 15% удоя коров, ускорение роста рыб).Эритропоэтин — стимулятор кроветворения и используется при лечении различногорода анемий.

  В настоящее время в мире получили разрешениена применение более 30 препаратов, созданных методами генной инженерии,  и более 200 находятся на разных стадияхклинических исследований. Сейчас более 20% фармацевтического рынка лекарствсоставляют лекарства новой биотехнологии.

Использование рекомбинантныхбелков человека — принципиально новаятерапия. В  не вводится ничегочужого. Действительно, если в нём не хватает инсулина или гормона роста, ихдобавляют (заместительная терапия).  Свирусами организм сам борется с помощью интерферонов — человек просто помогаетему.

 

Значительные успехидостигнуты в генной инженерии растений.В основе этой техники лежат методы культивирования клеток и тканей растений впробирке и возможность регенерации целого растения из отдельных клеток.

В генной инженерии растенийесть свои проблемы. Одна из них состоит в том, что многие полезные свойстварастений кодируются не одним, а многими генами. Это делает трудным илиневозможным прямое генно-инженерное совершенствование свойств. Другоепрепятствие, которое постепенно преодолевается, — трудности культивирования ирегенерации клеток в целое растение среди некоторых видов, например злаков.Лучшие результаты получены в том случае, когда перенос одного гена можетпривести к появлению у растения полезного свойства.

 Несмотря на ограничения, получены впечатляющиерезультаты: созданы сорта хлопчатника, томатов, табака, риса, устойчивых к  насекомым-вредителям, вирусам, грибковымзаболеваниям. Пионер в области применения генно-инженерных растений в с/х — США. Здесь в 1996 году до 20% посевов хлопчатника произведено семенами,модифицированными методом генной инженерии.

 Создание генно-инженерных(их сейчас называют трансгенными) животных имеет те же принципиальные трудности, что и созданиетрансгенных растений, а именно: множественность генов, определяющиххозяйственно ценные признаки. Тем не менее, есть быстро развивающаяся область,связанная с созданием трансгенных животных — продуцентов биологически активныхбелков.

  В высших организмах конкретные гены кодируютпроизводство белков в определенных тканях. Хотя все гены содержатся в каждойклетке, в специализированных клетках работают только некоторые из них, этим иопределяется тканевая специфичность. Примером может служить производство белковмолока (козеин, лактальбумин) в молочных железах. Есть возможность подставитьнужный нам ген под регуляторные последовательности, например казеина, иполучить чужеродный белок в составе молока. Важно при этом, что животноечувствует себя нормально, так как чужой ген работает только в процесселактации.

В мире уже существуют сотнитрансгенных овец и коз, продуцирующих в молоке от десятков миллиграмм донескольких грамм биологически активных белков человека в 1л молока. Такой методпроизводства экономически выгоден и экологически чище, хотя и требует от ученыхбольших усилий и времени при создании трансгенных животных по сравнению ссозданием генно-инженерных микроорганизмов.

С молоком трансгенныхживотных можно получать не только лекарства. Известно, что для производствасыра высокого качества необходим фермент, створаживающий молоко, — реннин. Этот фермент добывают изжелудков молочных телят. Он  дорог и невсегда доступен. Наконец, генные инженеры сконструировали дрожжи, которые сталипроизводить этот ценный белок при микробиологическом синтезе.

Следующий этап геннойинженерии — создание трансгенных овец,которые синтезируют химозин вмолоке. Небольшое стадо наших овец в России находится на Ленинских Горках подМосквой. Эти овцы синтезируют до 300 мг/л фермента в молоке. Для процессасыроварения белок можно не выделять, а использовать просто в составе молока.

<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Возможна экспансия биотехнологии вобласти, которые сегодня целиком принадлежат химии. Это — биокатализ (вместо химического катализа) и новые материалы. Один изпроцессов биокатализа, успешно реализованного в промышленности, — получение акриламида из акрилонитрила.

<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US">

<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US">              

<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US">

<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US">                 CH2=CH–CN -> CH2=CH-C=0

<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US">                                     |

<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US">                                    NH2

Акриламид служит исходныммономером для получения полимеров и сополимеров, широко используемых приочистке воды и стоков, в горном деле, при осветлении соков и вин, приготовлениикрасок и т.п.

  До недавнего времени процесс гидролизанитрила вели при 105 С в присутствии серной кислоты. После окончания процессасерную кислоту нейтрализовали аммиаком. Большое количество сернокислогоаммония, в конечном счёте оказывался в реках. Были велики затраты энергии,быстро изнашивалось оборудование, и качество акриламида оставляло желатьлучшего.

В 1987 году ученые из института генетики и селекциипромышленных микроорганизмов совместно со своими коллегами из Саратовскогофилиала института приступили к поиску в природе микроорганизмов, которые моглибы превращать акрилонитрил в акриламид, Такие микроорганизмы были найдены.После ряда манипуляций получены микроорганизмы, синтезирующие в 10 тыс. разбольше фермента – нитрилгидратазы, ответственного за трансформациюакрилонитрила.

Достижения учёных реализованы на практике. На одномиз заводов, выпускающий антибиотики, налажен выпуск биокатализатора, т.е.нужных микроорганизмов, а ещё на 3 заводах осуществлён процессбиокаталитического получения акриламида. Процесс осуществляется при комнатномдавлении и температуре, следовательно, мало энергоёмок. Процесс практически неимеет отходов, экологически чист. Получаемый новым методом акриламид имеетвысокую чистоту, что важно, так как большая его часть далее полимеризуется вполиакриламид, а качество полимера сильно зависит от чистоты мономера.

Другой пример относится не к биокатализу, а к биоматериалам. Учёные давно обратили вниманиена очень ценные механические свойства материала, из которого пауки плетут сети.

Паутинка примерно в 100 раз тоньше человеческоговолоса, этот материал мягче хлопка, прочнее стали, обладает уникальнойэластичностью, практически не меняет свойств при изменении температуры,материал идеально подходит для многих практических целей: парашютного корда,бронежилетов и т.д. Вопрос, где взять большое количество паутины по исходнойцене?

На помощь пришла генная инженерия. Учёные выделилигены, ответственные за  синтез белковпаутины, и перенесли их в микроорганизмы. В 1995 г. появилось сообщениеамериканских исследователей, что в микроорганизмах действительно синтезируетсянужный белок. Таким образом открывается путь к промышленномумикробиологическому синтезу нового материала.

 Обычно дляроста микроорганизмов используются дешёвые крахмал, патока и другие с/хпродукты, т.е. возобновляемое сырьё.

Нужно отметить. Что бактерии синтезируют не нити, ааморфный белок так же, как и пауки. Нить образуется, когда паук выдавливаетбелок из сопла своих желёз. Технически возможно имитировать этот процесс,продавливая аморфный белок через очень тонкие отверстия. Первые нити измикробиологического белка уже получены. Есть реальная возможность улучшитьвеликолепные качества паутины, внеся некоторые изменения в аминокислотнуюпоследовательность белка.

Приведённые примеры далеко не охватывают всехпрактических аспектов применения генной инженерии. Мы не касались вопросовэнергетики, охраны среды, добычи полезных ископаемых, микробиологическойпромышленности, а также очень важного вопроса – роли генной инженерии вразвитии самой молекулярной биологии.

Новая «Зелёная революция», которая уже началась,даст растения, которые не будут нуждаться в пестицидах, а в будущем — и вазотных удобрениях. Прекращение использования

Химических пестицидов резко улучшит состояниеокружающей среды, сократит расходы нефти и газа на их производство (на 3%).Появятся новые материалы новые лекарства, высокопроизводительные животные,новые пищевые продукты.

По заключению экспертов конгресса США,«биотехнология в наибольшей степени изменит образ жизни людей в XXI веке».

  

       

еще рефераты
Еще работы по биологии