Реферат: Биотехнологии

Удивительнымиоткрытиями в науке и грандиозным научно-техническим прогрессом ознаменовался XXвек, однако научно-технический прогресс в настоящем виде имеет негативныестороны: исчерпание ископаемых ресурсов загрязнение окружающей среды,исчезновение многих видов растений и животных, глобальное изменение климата,появление озоновых дыр над полюсами Земли и т.д. Ясно, что такой путь ведёт втупик. Нужно принципиальное изменение вектора развития. Биотехнология можетвнести решающий вклад в решение глобальных проблем человечества.

Биотехнология- это использование живых организмов (или их составных частей) в практическихцелях. Когда говорят о современной биотехнологии, то подобное определениедополняют словами: на базе достижений молекулярной биологии. Если не сделатьподобного добавления, то под определение «биотехнология» попадут итрадиционное с/х, животноводство и многие отрасли пищевой промышленности,использующие микроорганизмы. Далее мы остановимся на одном из видовбиотехнологии, а именно на генной инженерии, которая открывает совершенно новыепути в медицине химии, в производстве Энергии, новых материалов, в охранеокружающей среды. Генная инженерия — это технология манипуляций с веществомнаследственности — ДНК.

Сегодняучёные могут в пробирке разрезать молекулу ДНК в желательном месте, изолироватьи очищать отдельные её фрагменты, синтезировать их из двухдезоксирибонуклеотидов, могут сшивать такие фрагменты. Результатом такихманипуляций являются «гибридные», или рекомбинантные молекулы ДНК,которых до этого не было в природе.

Годомрождения генной инженерии считается 1972 год, когда в лаборатории Пола Берга вСША была получена в пробирке первая рекомбинантная реплицироваться, т.е.размножаться, в бактерии кишечной палочки E.сoli. Само появление геннойинженерии стало возможным благодаря фундаментальным открытиям в молекулярнойбиологии.

В60-е годы ученые расшифровали генетический код, т.е. установили, что каждаяаминокислота в белке кодируется триплетом нуклеотидов в ДНК. Особенно важно,что генетический код универсален для всего живого мира. Это означает, что весьмир «разговаривает» на одном языке. Если передать в какую- либоклетку «чужеродную» ДНК, то информация, в ней закодированная, будетправильно воспринята клеткой реципиентом.

Далеебыло установлено, что существуют специальные последовательности ДНК,определяющие начало и окончание транскрипции, трансляции, репликации.Практически все эти системы, в первом приближении, безразличны к последовательностямДНК, расположенным между данными сигналами. Надо сказать, что сами сигналыразличаются в разных организмах. Из всего сказанного следует, что если взятьнекий структурный ген(например человека) и in vitro снабдить его сигналами,характерными для гена бактериальной клетки, то такая структура, помещённая вбактериальную клетку, будет способна к синтезу человеческого белка.

Принципиальнаяособенность генной — способность создавать структуры ДНК, которые никогда необразуются в живой природе. Генная инженерия преодолела барьер, существующий вживом мире, где генетический обмен осуществляется только в пределах одного видаили близкородственных видов организмов. Она позволяет переносить гены из одногоживого организма в любой другой. Эта новая техника открыла безграничныеперспективы создания микроорганизмов, растений и животных с новыми полезнымисвойствами.

Конечно,нарушение барьеров живой природы может таить потенциальную опасность. Вотпочему во всех развитых странах мира правила работы, законы, регулирующиегенно-инженерную деятельность. Закон о «генно-инженернойдеятельности» принят и парламентом РФ в июле 1996 г.

Невозможнорассказать о всех аспектах применения техники генной инженерии в биотехнологииили научных исследованиях. Приведём лишь несколько примеров, иллюстрирующихвозможности этого метода.

Одноиз наиболее важных направлений генной инженерии — производство лекарств новогопоколения, 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.

Всвязи со сказанным интересна история получения интерферонов. В 1957 г.английские ученые Иссаакс и Линдельман обнаружили, что мыши, болевшие гриппом,не подвержены инфекции другими, более опасными вирусами. Исследованиенаблюдаемого явления привело к выводу, клетки животных и человека в ответ на вируснуюинфекцию выделяют какое-то вещество, которое делает окружающие здоровые клеткиустойчивыми к вирусной инфекции. Это вещество (или вещества) получило названиеинтерферона.

Втечение последующих 20 лет велись интенсивные исследования. Было установлено,что интерфероны — группы белков, относящиеся к 3 классам — alpha, betta иgamma. Лейкоциты крови выделяют интерферон типа alpha, фибробласты типа bettaи T- лейкоциты типа gamma. Интерфероны выделили, очистили и показали их эффекткак противовирусных лекарств. Кроме того, эти белки оказались эффективными прилечении рассеянного склероза и некоторых видов рака. Единственным препятствиемк использованию интерферонов была их малая доступность. Они синтезировались вочень малых количествах: источником их получения была или донорская кровь, иликультура клеток человека. К сожалению, эти источники не позволяли получатьинтерфероны в количестве, нужных медицине.

В1980 — 1985 гг. в нескольких лабораториях мира, в том числе и в СССР, быливыделены гены человека, определяющие синтез интерферонов, и введены в бактерии.Такие бактерии стали способны синтезировать человеческий интерферон. Оченьважно, что они быстро растут, используют дешёвую питательную среду исинтезируют большое количество белка. Из 1 л бактериальной культуры можновыделить столько человеческого интерферона alpha, сколько из 10 тыс. л.донорской крови. Полученный белок абсолютно идентичен интерферону,синтезируемому в организме человека. Конечно, пришлось решать сложную задачуочистки интерферона, полученного способом генной инженерии, до гомогенногосостояния.

Ещё4 — 6 лет заняли доклинические и клинические испытания. Наконец в 1989 -1990гг. появилось новое лекарство — человеческий интерферон alpha; в России онвыпускается под названием «реаферон». За эту работу группа ученыхудостоена Ленинской премии.

Сегодняэто почти единственный препарат, который эффективен против вирусных гепатитовкак в острой, так и в хронических формах, против герпеса, простудныхзаболеваний. Интерферон применяется и в терапии некоторых видов рака. Зарубежом с 1994 г. выпускаются препараты betta и gamma — интерферонов человека.

Издругих препаратов рекомбинантных белков человека, получивших широкоемедицинское применение, следует назвать инсулин, гормон роста, эритропоэтин.Свиной инсулин отличается от человеческого всего одной аминокислотой.Применяется с 1926 г. для лечения людей при инсулинзависимом сахарном диабете.Для гормона роста и эритропоэтина отмечается, как и для интерферонов,видоспецифичность белков. Генная инженерия открыла новую возможностьиспользования этих белков в медицине. Гормон роста применяется не только дляборьбы с карликовостью, но и широко используется как стимулятор для заживленияран, сращивания костей. Гормоны роста животных начали использовать в с/х(увеличение на 15% удоя коров, ускорение роста рыб). Эритропоэтин — стимуляторкроветворения и используется при лечении различного рода анемий.

Внастоящее время в мире получили разрешение на 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.

Использованиерекомбинантных белков человека — принципиально новая терапия. В не вводитсяничего чужого. Действительно, если в нём не хватает инсулина или гормона роста,их добавляют (заместительная терапия). С вирусами организм сам борется спомощью интерферонов — человек просто помогает ему.

Значительныеуспехи достигнуты в генной инженерии растений. В основе этой техники лежатметоды культивирования клеток и тканей растений в пробирке и возможностьрегенерации целого растения из отдельных клеток.

Вгенной инженерии растений есть свои проблемы. Одна из них состоит в том, чтомногие полезные свойства растений кодируются не одним, а многими генами. Этоделает трудным или невозможным прямое генно-инженерное совершенствованиесвойств. Другое препятствие, которое постепенно преодолевается, — трудностикультивирования и регенерации клеток в целое растение среди некоторых видов,например злаков. Лучшие результаты получены в том случае, когда перенос одногогена может привести к появлению у растения полезного свойства.

Несмотряна ограничения, получены впечатляющие результаты: 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.

Созданиегенно-инженерных (их сейчас называют трансгенными) животных имеет те жепринципиальные трудности, что и создание трансгенных растений, а именно:множественность генов, определяющих хозяйственно ценные признаки. Тем не менее,есть быстро развивающаяся область, связанная с созданием трансгенных животных — продуцентов биологически активных белков.

Ввысших организмах конкретные гены кодируют производство белков в определенныхтканях. Хотя все гены содержатся в каждой клетке, в специализированных клеткахработают только некоторые из них, этим и определяется тканевая специфичность.Примером может служить производство белков молока (козеин, лактальбумин) вмолочных железах. Есть возможность подставить нужный нам ген под регуляторные последовательности,например казеина, и получить чужеродный белок в составе молока. Важно при этом,что животное чувствует себя нормально, так как чужой ген работает только впроцессе лактации.

Вмире уже существуют сотни трансгенных овец и коз, продуцирующих в молоке отдесятков миллиграмм до нескольких грамм биологически активных белков человека в1л молока. Такой метод производства экономически выгоден и экологически чище,хотя и требует от ученых больших усилий и времени при создании трансгенныхживотных по сравнению с созданием генно-инженерных микроорганизмов.

Смолоком трансгенных животных можно получать не только лекарства. Известно, чтодля производства сыра высокого качества необходим фермент, створаживающиймолоко, — реннин. Этот фермент добывают из желудков молочных телят. Он дорог ине всегда доступен. Наконец, генные инженеры сконструировали дрожжи, которыестали производить этот ценный белок при микробиологическом синтезе.

Следующийэтап генной инженерии — создание трансгенных овец, которые синтезируют химозинв молоке. 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.

Возможнаэкспансия биотехнологии в области, которые сегодня целиком принадлежат химии.Это — биокатализ (вместо химического катализа) и новые материалы. Один изпроцессов биокатализа, успешно реализованного в промышленности, — получениеакриламида из акрилонитрила.

CH2=CH–CN -> CH2=CH-C=0

|

NH2

Акриламидслужит исходным мономером для получения полимеров и сополимеров, широкоиспользуемых при очистке воды и стоков, в горном деле, при осветлении соков ивин, приготовлении красок и т.п.

Донедавнего времени процесс гидролиза нитрила вели при 105 С в присутствии сернойкислоты. После окончания процесса серную кислоту нейтрализовали аммиаком.Большое количество сернокислого аммония, в конечном счёте оказывался в реках.Были велики затраты энергии, быстро изнашивалось оборудование, и качествоакриламида оставляло желать лучшего.

В1987 году ученые из института генетики и селекции промышленных микроорганизмовсовместно со своими коллегами из Саратовского филиала института приступили кпоиску в природе микроорганизмов, которые могли бы превращать акрилонитрил вакриламид, Такие микроорганизмы были найдены. После ряда манипуляций полученымикроорганизмы, синтезирующие в 10 тыс. раз больше фермента – нитрилгидратазы,ответственного за трансформацию акрилонитрила.

Достиженияучёных реализованы на практике. На одном из заводов, выпускающий антибиотики,налажен выпуск биокатализатора, т.е. нужных микроорганизмов, а ещё на 3 заводахосуществлён процесс биокаталитического получения акриламида. Процессосуществляется при комнатном давлении и температуре, следовательно, малоэнергоёмок. Процесс практически не имеет отходов, экологически чист. Получаемыйновым методом акриламид имеет высокую чистоту, что важно, так как большая егочасть далее полимеризуется в полиакриламид, а качество полимера сильно зависитот чистоты мономера.

Другойпример относится не к биокатализу, а к биоматериалам. Учёные давно обратиливнимание на очень ценные механические свойства материала, из которого паукиплетут сети.

Паутинкапримерно в 100 раз тоньше человеческого волоса, этот материал мягче хлопка,прочнее стали, обладает уникальной эластичностью, практически не меняет свойствпри изменении температуры, материал идеально подходит для многих практическихцелей: парашютного корда, бронежилетов и т.д. Вопрос, где взять большоеколичество паутины по исходной цене?

Напомощь пришла генная инженерия. Учёные выделили гены, ответственные за синтезбелков паутины, 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.

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

Нужноотметить. Что бактерии синтезируют не нити, а аморфный белок так же, как ипауки. Нить образуется, когда паук выдавливает белок из сопла своих желёз.Технически возможно имитировать этот процесс, продавливая аморфный белок черезочень тонкие отверстия. Первые нити из микробиологического белка уже получены.Есть реальная возможность улучшить великолепные качества паутины, внесянекоторые изменения в аминокислотную последовательность белка.

Приведённыепримеры далеко не охватывают всех практических аспектов применения геннойинженерии. Мы не касались вопросов энергетики, охраны среды, добычи полезныхископаемых, микробиологической промышленности, а также очень важного вопроса –роли генной инженерии в развитии самой молекулярной биологии.

Новая«Зелёная революция», которая уже началась, даст растения, которые не будутнуждаться в пестицидах, а в будущем — и в азотных удобрениях. Прекращениеиспользования

Химическихпестицидов резко улучшит состояние окружающей среды, сократит расходы нефти игаза на их производство (на 3%). Появятся новые материалы новые лекарства,высокопроизводительные животные, новые пищевые продукты.

Позаключению экспертов конгресса США, «биотехнология в наибольшей степени изменитобраз жизни людей в XXI веке».

Список литературы

Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта www.study.online.ks.ua/

еще рефераты
Еще работы по биологии