Удивительными открытиями в науке и грандиозным научно-техническим прогрессом ознаменовался XX век, однако научно-технический прогресс в настоящем виде имеет негативные стороны: 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 в тупик. Нужно принципиальное изменение вектора развития. Биотехнология может внести решающий вклад в решение глобальных проблем человечества.
Биотехнология — это использование живых организмов (или их составных частей) в практических целях. Когда говорят о современной биотехнологии, то подобное определение дополняют словами: на базе достижений молекулярной биологии. Если не сделать подобного добавления, то под определение «биотехнология» попадут и традиционное с/х, животноводство и многие отрасли пищевой промышленности, использующие микроорганизмы. Далее мы остановимся на одном из видов биотехнологии, а именно на генной инженерии, которая открывает совершенно новые пути в медицине химии, в производстве Энергии, новых материалов, в охране окружающей среды. Генная инженерия — это технология манипуляций с веществом наследственности — ДНК.
Сегодня учёные могут в пробирке разрезать молекулу ДНК в желательном месте, изолировать и очищать отдельные её фрагменты, синтезировать их из двух дезоксирибонуклеотидов, могут сшивать такие фрагменты. Результатом таких манипуляций являются «гибридные», или рекомбинантные молекулы ДНК, которых до этого не было в природе.
Годом рождения генной инженерии считается 1972 год, когда в лаборатории Пола Берга в США была получена в пробирке первая рекомбинантная реплицироваться, т.е. размножаться, в бактерии кишечной палочки E.сoli. Само появление генной инженерии стало возможным благодаря фундаментальным открытиям в молекулярной биологии.
В 60-е годы ученые расшифровали генетический код, т.е. установили, что каждая аминокислота в белке кодируется триплетом нуклеотидов в ДНК. Особенно важно, что генетический код универсален для всего живого мира. Это означает, что весь мир «разговаривает» на одном 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 последовательности ДНК, определяющие начало и окончание транскрипции, трансляции, репликации. Практически все эти системы, в первом приближении, безразличны к последовательностям ДНК, расположенным между данными сигналами. Надо сказать, что сами сигналы различаются в разных организмах. Из всего сказанного следует, что если взять некий структурный ген(например человека) и in vitro снабдить его сигналами, характерными для гена бактериальной клетки, то такая структура, помещённая в бактериальную клетку, будет способна к синтезу человеческого белка.
Принципиальная особенность генной — способность создавать структуры ДНК, которые никогда не образуются в живой природе. Генная инженерия преодолела барьер, существующий в живом мире, где генетический обмен осуществляется только в пределах одного вида или близкородственных видов организмов. Она позволяет переносить гены из одного живого организма в любой другой. Эта новая техника открыла безграничные перспективы создания микроорганизмов, растений и животных с новыми полезными свойствами.
Конечно, нарушение барьеров живой природы может таить потенциальную опасность. Вот почему во всех развитых странах мира правила работы, законы, регулирующие генно-инженерную деятельность. Закон о «генно-инженерной деятельности» принят и парламентом РФ в июле 1996 г.
Невозможно рассказать о всех аспектах применения техники генной инженерии в биотехнологии или научных исследованиях. Приведём лишь несколько примеров, иллюстрирующих возможности этого метода.
Одно из наиболее важных направлений генной инженерии — производство лекарств нового поколения, представляющих собой биологически активные белки человека. Следует напомнить, что в большинстве случаев белки человека (как и других животных) видоспецифичны, т.е. для лечения человека можно использовать только белки человека. Вследствие этого возникает проблема получения человеческих белков в нужных количествах.
В связи 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. Исследование наблюдаемого явления привело к выводу, клетки животных и человека в ответ на вирусную инфекцию выделяют какое-то вещество, которое делает окружающие здоровые клетки устойчивыми к вирусной инфекции. Это вещество (или вещества) получило название интерферона.
В течение последующих 20 лет велись интенсивные исследования. Было установлено, что интерфероны — группы белков, 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 противовирусных лекарств. Кроме того, эти белки оказались эффективными при лечении рассеянного склероза и некоторых видов рака. Единственным препятствием к использованию интерферонов была их малая доступность. Они синтезировались в очень малых количествах: источником их получения была или донорская кровь, или культура клеток человека. К сожалению, эти источники не позволяли получать интерфероны в количестве, нужных медицине.
В 1980 — 1985 гг. в нескольких лабораториях мира, в том числе и в СССР, были выделены гены человека, определяющие синтез интерферонов, и введены в бактерии. Такие бактерии стали способны синтезировать человеческий интерферон. Очень важно, что они быстро растут, используют дешёвую питательную среду и синтезируют большое количество белка. Из 1 л бактериальной культуры можно выделить столько человеческого интерферона alpha, сколько из 10 тыс. л. донорской крови. Полученный белок абсолютно идентичен интерферону, синтезируемому в организме человека. Конечно, пришлось решать сложную задачу очистки интерферона, полученного способом генной инженерии, до гомогенного состояния.
Ещё 4 — 6 лет заняли доклинические и клинические испытания. Наконец в 1989 -1990 гг. появилось новое лекарство — человеческий интерферон alpha; в России он выпускается под названием «реаферон». За эту работу группа ученых удостоена Ленинской премии.
Сегодня это почти единственный препарат, который эффективен против вирусных гепатитов как в острой, 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 препаратов рекомбинантных белков человека, получивших широкое медицинское 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 возможность использования этих белков в медицине. Гормон роста применяется не только для борьбы с карликовостью, но и широко используется как стимулятор для заживления ран, сращивания костей. Гормоны роста животных начали использовать в с/х (увеличение на 15% удоя коров, ускорение роста рыб). Эритропоэтин — стимулятор кроветворения и используется при лечении различного рода анемий.
В настоящее время в мире получили разрешение на применение более 30 препаратов, созданных методами генной инженерии, и более 200 находятся на разных стадиях клинических исследований. Сейчас более 20% фармацевтического рынка лекарств составляют лекарства новой биотехнологии.
Использование рекомбинантных белков человека — принципиально новая терапия. В не вводится ничего чужого. Действительно, если в нём не хватает инсулина или гормона роста, их добавляют (заместительная терапия). С вирусами организм сам борется с помощью интерферонов — человек просто помогает ему.
Значительные успехи достигнуты в генной инженерии растений. В основе этой техники лежат методы культивирования клеток и тканей растений в пробирке и возможность регенерации целого растения из отдельных клеток.
В генной инженерии растений есть свои проблемы. Одна из них состоит в том, что многие полезные свойства растений кодируются не одним, а многими генами. Это делает трудным или невозможным прямое генно-инженерное совершенствование свойств. Другое препятствие, которое постепенно преодолевается, — трудности культивирования и регенерации клеток в целое растение среди некоторых видов, например злаков. Лучшие результаты получены в том случае, когда перенос одного гена может привести к появлению у растения полезного свойства.
Несмотря на ограничения, получены впечатляющие результаты: созданы сорта хлопчатника, томатов, табака, риса, устойчивых к насекомым-вредителям, вирусам, грибковым заболеваниям. 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 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.
В высших организмах конкретные гены кодируют производство белков в определенных тканях. Хотя все гены содержатся в каждой клетке, в специализированных клетках работают только некоторые из них, этим и определяется тканевая специфичность. Примером может служить производство белков молока (козеин, лактальбумин) в молочных 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 в процессе лактации.
В мире уже существуют сотни трансгенных овец и коз, продуцирующих в молоке от десятков миллиграмм до нескольких грамм биологически активных белков человека в 1л молока. Такой метод производства экономически выгоден и экологически чище, хотя и требует от ученых больших усилий и времени при создании трансгенных животных по сравнению с созданием генно-инженерных микроорганизмов.
С молоком трансгенных животных можно получать не только лекарства. Известно, что для производства сыра высокого качества необходим фермент, створаживающий молоко, — реннин. Этот фермент добывают из желудков молочных телят. Он дорог и не всегда доступен. Наконец, генные инженеры сконструировали дрожжи, которые стали производить этот ценный белок при микробиологическом синтезе.
Следующий этап генной инженерии — создание трансгенных овец, которые синтезируют химозин в молоке. Небольшое стадо наших овец в России находится на Ленинских Горках под Москвой. Эти овцы синтезируют до 300 мг/л фермента в молоке. Для процесса сыроварения белок можно не выделять, а использовать просто в составе молока.
Возможна экспансия биотехнологии в области, которые сегодня целиком принадлежат химии. Это — биокатализ (вместо химического катализа) и новые материалы. Один из процессов биокатализа, успешно реализованного в промышленности, — получение акриламида из акрилонитрила.
Ch3=CH–CN -> Ch3=CH-C=0
|
Nh3
Акриламид служит исходным мономером для получения полимеров и сополимеров, широко используемых при очистке воды и стоков, в горном деле, при осветлении соков и вин, приготовлении красок и т.п.
До недавнего времени процесс гидролиза нитрила вели при 105 С в присутствии серной кислоты. 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 качество акриламида оставляло желать лучшего.
В 1987 году ученые из института генетики и селекции промышленных микроорганизмов совместно со своими коллегами из Саратовского филиала института приступили к поиску в природе микроорганизмов, которые могли бы превращать акрилонитрил в акриламид, Такие микроорганизмы были найдены. После ряда манипуляций получены микроорганизмы, синтезирующие в 10 тыс. раз больше фермента – нитрилгидратазы, ответственного за трансформацию акрилонитрила.
Достижения учёных реализованы на практике. На одном из заводов, выпускающий антибиотики, налажен выпуск биокатализатора, т.е. нужных микроорганизмов, а ещё на 3 заводах осуществлён процесс биокаталитического получения акриламида. Процесс осуществляется при комнатном давлении и температуре, следовательно, мало энергоёмок. Процесс практически не имеет отходов, экологически чист. Получаемый новым методом акриламид имеет высокую чистоту, что важно, так как большая его часть далее полимеризуется в полиакриламид, а качество полимера сильно зависит от чистоты мономера.
Другой пример относится не к биокатализу, а к биоматериалам. Учёные давно обратили внимание на очень ценные механические свойства материала, из которого пауки плетут сети.
Паутинка примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса, этот материал мягче хлопка, прочнее стали, обладает уникальной эластичностью, 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 исходной цене?
На помощь пришла генная инженерия. Учёные выделили гены, ответственные за синтез белков паутины, и перенесли их в микроорганизмы. В 1995 г. появилось сообщение американских исследователей, что в микроорганизмах действительно синтезируется нужный белок. Таким образом открывается путь к промышленному микробиологическому синтезу нового материала.
Обычно для роста микроорганизмов используются дешёвые крахмал, патока и другие с/х продукты, т.е. возобновляемое сырьё.
Нужно отметить. Что бактерии синтезируют не нити, а аморфный белок так же, как и пауки. Нить образуется, когда паук выдавливает белок из сопла своих желёз. Технически возможно имитировать этот процесс, продавливая аморфный белок через очень тонкие отверстия. Первые нити из микробиологического белка уже получены. Есть реальная возможность улучшить великолепные качества паутины, внеся некоторые изменения в аминокислотную последовательность белка.
Приведённые примеры далеко не охватывают всех практических аспектов применения генной инженерии. Мы не касались вопросов энергетики, охраны среды, добычи полезных ископаемых, 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 будут нуждаться в пестицидах, а в будущем — и в азотных удобрениях. Прекращение использования
Химических пестицидов резко улучшит состояние окружающей 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».
www.ronl.ru
химическаябионика.
Бионика – это использование секретов живой природы с цельюсоздания более совершенных технических устройств. В широком смысле биотехнология– это использование живых организмов и биологических процессов в производстве,т.е. производство необходимых для человека веществ с использованием достижениймикробиологии, биохимии и технологии.
Вбиотехнологии используются бактерии, микроорганизмы и клетки различных тканей.На микробиологических заводах микроорганизмы выращиваются в огромныхколичествах в аппаратах «ферментерах» – цилиндр, сосуд из нержавеющейстали. В ферментер подаётся стерильная питательная среда, в которую вноситсякультура микроорганизма (например, дрожжей). Содержимое интенсивноперемешивается, в него подаётся кислород, поддерживается оптимальнаятемпература для роста клеток. Специальные датчики позволяют автоматам следитьза рН среды, содержанием химических веществ, температурой и т.д. Послеокончания процесса ферментации клетки отделяют от жидкости с помощью аппаратови используют их для выделения необходимых веществ.
Внастоящее время период развития биотехнологии можно охарактеризовать следующимичертами:
1) Всё чаще используются несами клетки микроорганизмов, а выделенные из них ферменты.
Например, дисахарид лактоза – молочный сахар –для большинства людей полезен, но некоторые взрослые люди вообще не могут питьмолоко из-за того, что содержащаяся в нём лактоза не расщепляется из-заотсутствия фермента b-галактозидазы.В Африке этим недугом страдают целые племена. Безлактозное молоко можнополучить с помощью фермента лактазы. Производство такого молока налажено,например, с Италии.
2) Вторая область – расширениедеятельности биотехнологии.
Сейчас биотехнологическими методами изготавливают нетолько пищевые продукты, но и витамины, антибиотики, гормоны, ряд другихлекарств, а также незаменимые аминокислоты. Человек, например, не можетсуществовать без триптофана, фенилаланина, лизина, треонина, валина,метионина, лейцина и изолейцина. Детям нужен и аргинин.
В последние годы появился новый источник пищи – белокодноклеточных, который получают из микроорганизмов. Его можно использовать накорм скоту вместо продуктов.
Биотехнология проникла в производство металлов. Внашей стране разработана технология бактериально-технического способаизвлечения золото и серебра из бедных этими металлами пород. Биометаллургияэкономически выгодна и исключает загрязнение окружающей среды.
Особое направление биотехнологии – медицина. Например,гормон роста секретируется передней долей гипофиза. При недостаткегормона – карликовость. Раньше этот гормон получали из гипофиза трупов, асейчас получают из кишечной палочки и по биологической активности этот гормонне уступает гормону гипофиза. Из несовершенных грибов получен препарат циклоспорин,который используется при трансплантации органов для подавления иммунных реакций(отторжение тканей).
3) Третья область – геннаяинженерия.
Нужные штаммы микроорганизмов получаются не толькоотбором случайно возникающих мутаций, но и вставкой плазмид с соответствующимигенами. Биотехнология позволила получать бактерии со свойствами прежде небывалыми. Одно из достижений генной инженерии – это перенос генов, кодирующихсинтез инсулина у человека, в клетки бактерий. Раньше этот гормонполучали из поджелудочной железы животных, чаще свиней. В настоящее времяполучен инсулин с помощью кишечной палочки –это 1-й генно-инженерный белок.
Также удалось перенести в клетки бактерий ген интерферона,который образуется в ответ на вирусную инфекцию. Возможно, что вместо бактерийможно использовать дрожжи.
С 30-х годов исследователи стали заниматься выделениемиз бактерий и грибов природных веществ с антибиотическими свойствами, т.е.способных либо подавлять рост, либо совсем убивать других микробов. Самыйбогатый источник антибиотиков – организмы, живущие в почве. Из грибовактиномицетов можно получить 1500 антибиотиков. Свыше 50 широко применяется впрактике. К их числу относятся стрептомицин, хлорамфеникол и антибиотикитетрациклинового ряда. В медицине используют метод гибридизации клеток –сливание разных клеток в одну. Например, раковые клетки и лимфоциты. Гибридспособен продуцировать антитела и быстро размножаться. Используют как сывороткув анализах и лечении.
Геннаяинженерия.
совокупностьметодов, позволяющих в пробирке переносить генетическую информацию из одногоорганизма в другой. Перенос генов даёт возможность преодолевать межвидовыебарьеры и передавать отдельные наследственные признаки одних организмовдругим. ЦЕЛЬ получение клеток, в промышленных масштабах нарабатывать некоторыебелки.
1.Плазмиды.
Наиболеераспространённым методом генной инженерии является метод получениярекомбинантных (содержащих чужеродный ген) плазмид, которые представляют собойкольцевые, двухцепочечные молекулы ДНК, состоящие из нескольких парнуклеотидов. Каждая бактерия помимо основной, не покидающей клетку молекулы ДНК(5*106 пар нуклеотидов), может содержать несколько различныхплазмид, которыми она обменивается с другими бактериями. Плазмидыявляются автономными генетическими элементами, реплицирующимися в бактериальнойклетке не в то же время, что основная молекула ДНК. Плазмиды несут важные длябактерии гены, как гены лекарственной устойчивости. Разные плазмиды содержатразные гены устойчивости к антибактериальным препаратам.
Большаячасть таких препаратов (антибиотиков) используется в качестве лекарств прилечении заболеваний человека и домашних животных. Бактерия, имеющая разныеплазмиды, приобретает устойчивость к антибиотикам, солям тяжёлых металлов. Придействии определённого антибиотика на бактериальные клетки плазмиды, придающиеустойчивость к нему, быстро распространяются среди бактерий, сохраняя им жизнь.
Мощнымэлементом генной инженерии являются открытые в 1974 ферменты – рестрикционныеэндонуклеазы, или рестриктазы (ограничение). Бактериальные клетки вырабатываютрестриктазы для разрушения инородной (фаговой) ДНК, что необходимо дляограничения вирусной инфекции. Рестриктазы узнают определённыепоследовательности нуклеотидов (сайты – участки узнавания) и вносятсимметричные, расположенные наискось друг от друга разрывы в цепях ДНК наравных расстояниях от центра сайта. В результате на концах каждого фрагментарестриктированной ДНК образуются короткие одноцепочечные «хвосты», которыеназывают липкими концами.
2.Методы генной инженерии.
Дляполучения рекомбинантной плазмиды ДНК одной из плазмид расщепляется выбраннойрестриктазой. Ген, который нужно ввести в бактериальную клетку, расщепляют изДНК хромосом человека с помощью рестриктазы, поэтому его «липкие» концыявляются комплементарными нуклеотидным последовательностям на концах плазмид.Ферментом лигазой «склеивают» оба куска ДНК в результате получаетсярукомбинантная кольцевоя плазмида, которую вводят в бактерию E. coli. Все потомки этой бактерии (клоны) содержат в плазмидах чужеродный ген. Весьэтот процесс называют клонированием.
www.ronl.ru
Содержание
биотехнология генный инженерия животное
Введение
. Общие понятия, основные вехи биотехнологии
. Генная инженерия
. Клонирование и биотехнология в животноводстве
. Практическое значение и перспективы генетической инженерии
. 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. Вероятно, древнейшим биотехнологическим процессом было сбраживание с помощью микроорганизмов. В пользу этого свидетельствует описание процесса приготовления пива, обнаруженное в 1981 г. при раскопках Вавилона на дощечке, которая датируется примерно 6-м тысячелетием до н. э. В 3-м тысячелетии до н. э. шумеры изготовляли до двух десятков видов пива. Не менее древними биотехнологическими процессами являются виноделие, хлебопечение, и получение молочнокислых продуктов. 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. Так, обычное производство спирта в процессе брожения - "старая" биотехнология, но использование в этом процессе дрожжей, улучшенных методами генной инженерии с целью увеличения выхода спирта - "новая" биотехнология.
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.
В нашей стране значительное расширение научно-исследовательских работ и внедрение их результатов в производство также было достигнуто в 80-е годы. В этот период в стране была разработана и активно осуществлялась первая общенациональная программа по биотехнологии, были созданы межведомственные биотехнологические центры, подготовлены квалифицированные кадры специалистов - биотехнологов, организованы биотехнологические лаборатории и кафедры в научно-исследовательских учреждениях и вузах.
Однако в дальнейшем внимание к проблемам биотехнологии в стране ослабло, а их финансирование сокращено. В результате развитие биотехнологических исследований и их практическое использование в России замедлилось, что привело к отставанию от мирового уровня, особенно в области генетической инженерии.
Что касается более современных биотехнологических процессов, то они основаны на методах рекомбинантных ДНК, а также на использовании иммобилизованных ферментов, клеток или клеточных органелл. 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.
Микробиологическая промышленность в настоящее время использует тысячи штаммов различных микроорганизмов. В большинстве случаев они улучшены путем индуцированного мутагенеза и последующей селекции. Это позволяет вести широкомасштабный синтез различных веществ.
Некоторые белки и вторичные метаболиты могут быть получены только путем культивирования клеток эукариот. Растительные клетки могут служить источником ряда соединений - атропин, никотин, алкалоиды, сапонины и др. Клетки животных и человека также продуцируют ряд биологически активным соединений. Например, клетки гипофиза - липотропин, стимулятор расщепления жиров, и соматотропин - гормон, регулирующий рост.
Созданы перевиваемые культуры клеток животных, продуцирующие моноклональные антитела, широко применяемые для диагностики заболеваний. В биохимии, микробиологии, цитологии несомненный интерес вызывают методы иммобилизации как ферментов, так и целых клеток микроорганизмов, растений и животных. В ветеринарии широко используются такие биотехнологические методы, как культура клеток и зародышей, овогенез in vitro, искусственное оплодотворение. Все это свидетельствует о том, что биотехнология станет источником не только новых продуктов питания и медицинских препаратов, но и получения энергии и новых химических веществ, а также организмов с заданными свойствами.
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.
По определению академика Ю.А. Овчинникова, биотехнология - комплексная, многопрофильная область научно - технического прогресса, включающая разнообразный микро - биологический синтез, генетическую и клеточную инженерную энзимологию, использование знаний, условий и последовательности действия белковых ферментов в организме растений, животных и человека, в промышленных реакторах.
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.
Основные вехи развития молекулярной биотехнологии представлены в таблице 1.
Таблица 1. История развития молекулярной биотехнологии (Глик, Пастернак, 2002)
ДатаСобытие1917Карл Эреки ввел термин "биотехнология"1943Произведен пенициллин в промышленном масштабе1944Эвери, Мак Леод и Мак Карти показали, что генетический материал представляет собой ДНК1953Уотсон и Крик определили структуру молекулы ДНК1961Учрежден журнал "Biotechnology and Bioengineering"1961-1966Расшифрован генетический код1970Выделена первая рестрицирующая эндонуклеаза1972Коран и др. синтезировали полноразмерный ген тРНК1973Бойер и Коэн положили начало технологии рекомбинантных ДНК1975Колер и Мильштейн описали получение моноклональных антител1976Изданы первые руководства, регламентирующие работы с рекомбинантными ДНК1976Разработаны методы определения нуклеотидной последовательности ДНК1978Фирма "Genetech" выпустила человеческий инсулин, полученный с помощью Е.coli1980Верховный суд США, слушая дело Даймонд против Чакрабарти, вынес вердикт, что микроорганизмы, полученные генно-инженерными методами, могут быть запатентованы1981Поступили в продажу первые автоматические синтезаторы ДНК1981Разрешен к применению в США первый диагностический набор моноклональных антител1982Разрешена к применению в Европе первая вакцина для животных, полученная по технологии рекомбинантных ДНК1983Для трансформации растений применены гибридные Ti -плазмиды1988Выдан патент США на линию мышей с повышенной частотой возникновения опухолей, полученную генно - инженерными методами1988Создан метод полимеразной цепной реакции (ПЦР)1990В США утвержден план испытаний генной терапии с использованием соматических клеток человека 1990Официально начаты работы над проектом "Геном человека"1994-1995Опубликованы подробные генетические и физические карты хромосом человека1996Ежегодный объем продаж первого рекомбинантного белка (эритропоэтина) превысил 1 млрд. долларов1996Определена нуклеотидная последовательность всех хромосом эукариотического микроорганизма1997Клонировано млекопитающее из дифференцированной соматической клетки
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.
Генная инженерия - раздел молекулярной биотехнологии, связанный с осуществлением переноса генетического материала (ДНК) из одного организма в другой.
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 ?dvgal. В нашей стране благодаря развитию молекулярной генетики и молекулярной биологии, а также правильной оценке тенденций развития современной биологии 4 мая 1972 г. в Научном центре биологических исследований Академии наук СССР в г. Пущино (под Москвой) состоялось первое рабочее совещание по генетической инженерии. С этого совещания и ведется отсчет всех этапов развития генетической инженерии в России.
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.
Б. Глик и Дж. Пастернак (2002) описали следующие 4 этапа экспериментов с рекомбинантной ДНК:
. Из организма-донора экстрагируют нативную ДНК (клонируемая ДНК, встраиваемая ДНК, ДНК-мишень, чужеродная ДНК), подвергают ее ферментативному гидролизу (расщепляют, разрезают) и соединяют (лигируют, сшивают) с другой ДНК (вектор для клонирования, клонирующий вектор) с образованием новой рекомбинантной молекулы (конструкция "клонирующий вектор - встроенная ДНК").
. Эту конструкцию вводят в клетку-хозяина (реципиента), где она реплицируется и передается потомкам. Этот процесс называется трансформацией.
. Идентифицируют и отбирают клетки, несущие рекомбинантную ДНК (трансформированные клетки).
. Получают специфический белковый продукт, синтезированный клетками, что является подтверждением клонирования искомого гена.
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.
С генетической точки зрения особый интерес представляют гены, кодирующие белки каскада гормона роста: непосредственно гормон роста и рилизинг-фактор гормона роста.
По данным Л.К. Эрнста, у трансгенных свиней с геном рилизинг-фактора гормона роста толщина шпика была на 24,3% ниже контроля. Существенные изменения отмечены по уровню липидов в длиннейшей мышце спины. Так, содержание общих липидов в этой мышце у трансгенных свинок было меньше на 25,4%, фосфолипидов - на 32,2, холестерина - на 27,7%.
Таким образом, трансгенные свиньи характеризуются повышенным уровнем ингибирования липогенеза, что представляет несомненный интерес для практики селекции в свиноводстве.
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.
. 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.
Например, с помощью генетической инженерии можно получить микроорганизм, синтезирующий витамин В2 (рибофлавин), используемый в качестве кормовой добавки в рационах животных. Его производство данным способом эквивалентно строительству 4-5 новых заводов по получению препарата обычным химическим синтезом.
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. Так, продукция фермента ?-амилазы в клетке была увеличена в 200 раз, а лигазы - в 500 раз.
В микробиологической промышленности кормовой белок получают обычно из углеводородов нефти и газа, древесных отходов. 1 т кормовых дрожжей дает дополнительно до 35 тыс., штук яиц и 1,5 т куриного мяса. В нашей стране производятся более 1 млн. т кормовых дрожжей в год. Намечается использовать ферментеры производительностью до 100 т/сут. Задача генетической инженерии в этой области - улучшение аминокислотного состава кормового белка, его питательности путем введения в дрожжи соответствующих генов. Ведутся работы и по улучшению качества дрожжей для пивоваренной промышленности.
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. Сюда относят устойчивость к гербицидам (средствам борьбы против сорняков), инсектицидам (средствам борьбы против насекомых-вредителей), устойчивость растений к засухе, к засолению почв, фиксации растениями атмосферного азота и т. п. В довольно длинном перечне свойств, которыми люди хотели бы наделить сельскохозяйственные культуры, не последнее место занимает устойчивость к веществам, применяемым против сорняков и вредных насекомых. К сожалению, эти необходимые средства пагубно влияют и на полезные растения. Генетическая инженерия может существенно помочь в решении этих вопросов.
Сложнее обстоит дело с повышением устойчивости растений к засухе и засоленности почв. Есть дикие растения, которые хорошо переносят и то и другое. Казалось бы, можно взять их гены, определяющие эти формы устойчивости, пересадить культурным растениям - и проблема решена. Но за эти признаки отвечают несколько генов, и пока не известно, какие именно.
Одна из самых волнующих проблем, которую пытается решить генетическая инженерия, - фиксация растениями атмосферного азота. Азотные удобрения - залог высокой урожайности, так как азот необходим растениям для полноценного развития. Ныне в мире производят более 50 млн. т азотных удобрений, расходуя при этом большое количество электроэнергии, нефти и газа. Но только половина этих удобрений усваивается растениями, остальная вымывается из почвы, отравляя окружающую среду. Есть группы растений (бобовые), которые обычно берут азот не из почвы. На корнях бобовых поселяются клубеньковые бактерии, которые усваивают азот прямо из воздуха.
Как и растения, дрожжи - эукариотический организм, и добиться в них работы генов азотфиксации было бы важным этапом на пути к намеченной цели. Но пока гены в дрожжах не заработали, причины этого интенсивно изучают.
Благодаря генетической инженерии неожиданно переплетаются интересы животноводства и медицины.
В случае пересадки корове гена интерферона (лекарственного препарата, очень эффективного в борьбе с гриппом и рядом других заболеваний), из 1 мл сыворотки можно выделить 10 млн. ед. интерферона. Аналогичным способом можно получить целый ряд биологически активных соединений. Таким образом, животноводческая ферма, производящая медицинские препараты, - явление не столь уж фантастическое.
С помощью метода генетической инженерии были получены микроорганизмы производящие гомосерин, триптофан, изолейцин, треонин, которых не хватает в белках растений, идущих на корм животным. Несбалансированное по аминокислотам кормление снижает их Продуктивность и ведет к перерасходу кормов. Таким образом, производство аминокислот - важная народнохозяйственная проблема. Новый сверхпродуцент треонина производит эту аминокислоту в 400-700 раз более эффективно, чем исходный микроорганизм
т лизина сбережет десятки тонн кормового зерна, а 1 т треонина - 100 т. Добавки треонина улучшают аппетит коров и повышают надои молока. Добавка смеси лизина с треонином к кормам в концентрации всего 0,1% позволяет экономить до 25% Кормов.
С помощью генетической инженерии можно осуществлять и мутационный биосинтез антибиотиков. Суть его сводится к тому, что в результате целенаправленных изменений в гене антибиотика получается не законченный продукт, а некий полуфабрикат. Подставляя к нему те или иные физиологически активные компоненты, можно получить целый набор новых антибиотиков. Ряд биотехнологических фирм Дании и СПIА уже выпускают генно-инженерные вакцины против поносов у сельскохозяйственных животных.
Уже производятся, проходят клинические испытания или активно разрабатываются следующие препараты: инсулин, гормон роста, интерферон, фактор VIII, целый ряд противовирусных вакцин, ферменты для борьбы с тромбами (урокиназа и тканевой активатор плазминогена), белки крови и иммунной системы организма. Изучаются молекулярно-генетические механизмы возникновения раковых заболеваний. Кроме того, разрабатываются методы диагностики наследственных заболеваний и пути их лечения, так называемая генотерапия. Так, например, ДНК-диагностика делает возможным раннее выявление наследственных дефектов и позволяет диагностировать не только носителей признака, но и гетерозиготных скрытых носителей, у которых фенотипически данные признаки не проявляются. В настоящее время уже разработана и широко применяется генная диагностика дефицита лейкоцитарной адгезии и дефицит уридинмонофосфатсинтезы у крупного рогатого скота.
Следует обратить внимание на то, что все методы изменения наследственности таят в себе и элемент непредсказуемости. Многое зависит от того, с какими целями проводятся такие исследования. Этика науки требует, чтобы основу эксперимента по направленному преобразованию наследственных структур составляло безусловное стремление сохранить и упрочить наследственное достояние полезных видов живых существ. При конструировании генетически новых органических форм должна быть поставлена цель улучшения продуктивности и резистентности животных, растений и микроорганизмов, являющихся объектами сельского хозяйства. Результаты должны содействовать укреплению биологических связей в биосфере, оздоровлению внешней среды.
. 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.
Решается задача по созданию штамма - продуцента гормона роста животных, прежде всего крупного рогатого скота. Применение такого гормона в скотоводстве позволяет увеличить скорость роста молодняка на 10-15%, а удой коров до 40% при его ежедневном введении (или через 2-3 дня) в дозе 44 мг, не изменяя при этом состава молока. В США в результате применения этого гормона предполагается получать около 52% всего прироста продуктивности и довести удой в среднем до 9200 кг. Проводятся работы и по введению гена гормона роста крупному рогатому скоту (Эрнст, 1989, 2004).
В то же время была запрещена к производству аминокислота триптофан, получаемая от генетически трансформированных бактерий. Было установлено, что пациенты с синдромом эозинофилии-миалгии (СЭМ) употребляли триптофан в качестве пищевой добавки. Это заболевание сопровождается тяжелыми изнурительными мышечными болями и может привести к смерти. Этот пример свидетельствует о необходимости тщательных исследований на токсичность всех продуктов, полученных генно-инженерными методами.
Известна огромная роль симбиоза высших животных с микроорганизмами в желудочно-кишечном тракте. Приступают к разработке подходов к контролю и управлению экосистемой рубца жвачных животных путем использования генетически измененной микрофлоры. Таким образом определяется один из путей, который подводит к оптимизации и стабилизации питания, ликвидации дефицита в ряде незаменимых факторов питания сельскохозяйственных животных. Это в конечном итоге будет способствовать реализации генетического потенциала животных по признакам продуктивности. Особый интерес представляет создание форм симбионтов - продуцентов незаменимых аминокислот и целлюлозолитических микроорганизмов с повышенной активностью (Эрнст и др. 1989).
Методы биотехнологии используются и для изучения макроорганизмов и болезнетворных микроорганизмов. Выявлены четкие различия нуклеотидных последовательностей ДНК типичных коринебактерий и ДНК коринеморфных микроорганизмов.
С привлечением методов физико-химической биологии получена потенциально иммуногенная фракция микобактерий, в экспериментах исследуются ее протективные свойства.
Изучается структура генома парвовируса свиней. Предполагается разработать препараты для диагностики и профилактики массового заболевания свиней, вызываемого этим вирусом. Проводятся работы по изучению аденовирусов крупного рогатого скота и птицы. Планируется создание методом генной инженерии эффективных противовирусных вакцин.
Все традиционные приемы, связанные с повышением продуктивности животных (селекционно-племенное дело, рационализация кормления и т. д.), прямо или косвенно направлены на активизацию процессов синтеза белков. Эти воздействия реализуются на организменном или популяционном уровнях. Известно, что коэффициент трансформации белка из корма животными относительно невысок. Поэтому повышение эффективности синтеза белка в животноводстве представляет важную народнохозяйственную задачу.
Важно развернуть исследования внутриклеточного синтеза белка у сельскохозяйственных животных, и, прежде всего, изучить эти процессы в мышечной ткани и молочной железе. Именно здесь сконцентрированы процессы синтеза белка, который составляет более 90% всего белка продукции животноводства. Установлено, что скорость синтеза белка в культурах клеток почти в 10 раз выше, чем в организме сельскохозяйственных животных. Поэтому оптимизация процессов ассимиляции и диссимиляции белка у животных на основе изучения тонких внутриклеточных механизмов синтеза может найти широкое применение в практике животноводства (Эрнст, 1989, 2004).
Многие тесты молекулярной биологии могут быть перенесены в селекционно-племенную работу для более точной генетической и фенотипической оценки животных. Намечаются и другие прикладные выходы всего комплекса биотехнологии в практику сельскохозяйственного производства.
Использование в ветеринарной науке современных методов аналитической препаративной иммунохимии позволило получить иммунохимически чистые иммуноглобулины разных классов у овец и свиней. Подготовлены моноспецифические антисыворотки для точного количественного определения иммуноглобулинов в различных биологических жидкостях животных.
Можно производить вакцины не из целого возбудителя, а из его иммуногенной части (субъединичные вакцины). В США создана субъединичная вакцина против ящура крупного рогатого скота, колибактериоза телят и поросят и др.
Одним из направлений биотехнологии может стать использование сельскохозяйственных животных, измененных путем генно-инженерных манипуляций, в качестве живых объектов по производству ценнейших биологических препаратов.
Весьма перспективна задача введения в геном животных генов, отвечающих за синтез определенных веществ (гормоны, ферменты, антитела и др.) с тем, чтобы насыщать ими путем биосинтеза продукты животноводства. Наиболее подходит для этого молочный скот, который способен синтезировать и выводить из организма с молоком огромное количество синтезированных продуктов.
Зигота - благоприятный объект для введения любого клонированного гена в генетическую структуру млекопитающих. Прямое микроинъецирование фрагментов ДНК в мужской пронуклеус мышей показало, что специфические клонированные гены функционируют нормально, продуцируя специфические белки и изменяя фенотип. Введение гормона роста крысы в оплодотворенную яйцеклетку мыши привело к более быстрому росту мышей.
Селекционеры с использованием традиционных методов (оценка, отбор, подбор) добились выдающихся успехов в создании сотен пород в пределах многих видов животных. Средний удой молока в некоторых странах достиг 10500 кг. Получены кроссы кур с высокой яйценоскостью, лошади с высокой резвостью и т.д. Эти методы во многих случаях дали возможность приблизиться к биологическому плато. Однако далеко не решена проблема повышения устойчивости животных к болезням, эффективности конверсии корма, оптимального белкового состава молока и т.д. Использование трансгенной технологии может существенно увеличить возможность совершенствования животных.
В настоящее время все больше и больше производится генетически модифицированных продуктов питания и пищевых добавок. Но до сих пор идут дискуссии об их влиянии на здоровье человека. Некоторые ученые считают, что действие чужеродного гена в новой генотипической среде Непредсказуемо. Не всегда всесторонне исследуются генетически модифицированные продукты.
Получены сорта кукурузы и хлопка с геном Baccillust huringensis (Вt), кодирующим белок, являющийся токсином для насекомых-вредителей этих культур. Получен трансгенный рапс, у которого изменен состав масла, содержащего до 45% 12-членной лауриновой жирной кислоты. Она используется при производстве шампуней, косметики, стиральных порошков.
Созданы растения риса, в эндосперме которого повышено содержание провитамина А. Испытаны трансгенные растения табака, в которых уровень никотина в десятки раз меньше. В 2004 г. под трансгенными культурами был занят 81 млн., га, в то время как в 1996 г они высевались на площади в 1,7 млн. га.
Достигнуты заметные успехи в использовании растений для продукции белков человека: картофель - лактоферрин, рис - ?1-антитряпсин, и ? -интерферон, табак - эритропоэтин. В 1989 г. А. Хиаггг с соавторами создали трансгенный табак, производящий моноклональные антитела Ig G1. Ведутся работы по созданию трансгенных растений, которые могут быть использованы в качестве "съедобных вакцин" для производства протективных антигенных белков инфекционных агентов.
Таким образом, в будущем возможен перенос в геном сельскохозяйственных животных генов, обусловливающих повышение оплаты корма, его использования и переваривания, скорости роста, молочной продуктивности, настрига шерсти, резистентности к болезням, эмбриональной жизнеспособности, плодовитости и т. д.
Перспективно использование биотехнологии в эмбриогенетике сельскохозяйственных животных. Все более широко используются в стране методы трансплантации ранних эмбрионов, совершенствуются методы стимуляции репродуктивных функций маток.
По мнению Б. Глика и Дж. Пастернака (2002), молекулярная биотехнология в будущем позволит человеку достичь успехов в самых разных направлениях:
. Точно диагностировать, профилактировать и лечить многие инфекционные и генетические заболевания.
. Увеличить урожайность сельскохозяйственных культур путем создания сортов растений, устойчивых к вредителям, грибковым и вирусным инфекциям и вредным воздействиям факторов окружающей среды.
. Создать микроорганизмы, продуцирующие различные химические соединения, антибиотики, полимеры, ферменты.
. Вывести высокопродуктивные породы животных, устойчивые к болезням с наследственной предрасположенностью, с низким генетическим грузом.
. Перерабатывать отходы, загрязняющие окружающую среду.
В то же время авторы обращают внимание на ряд проблем и вопросов, которые необходимо решить:
. Будут ли организмы, полученные методами генной инженерии, оказывать вредное воздействие на человека и другие живые организмы и окружающую среду?
. Приведет ли создание и широкое использование модифицированных организмов к уменьшению генетического разнообразия?
. Имеем ли мы право изменять генетическую природу человека, используя генно-инженерные методы?
. Следует ли патентовать животных, полученных генноинженерными методами?
. Не нанесет ли использование молекулярной биотехнологии ущерб традиционному сельскому хозяйству?
. Не приведет ли стремление к максимальной прибыли к тому, что преимуществами молекулярной технологии буду пользоваться только состоятельные люди?
. Будут ли нарушены права человека на неприкосновенность частной жизни при использовании новых диагностических методов?
Эти и другие проблемы возникают при широком использовании результатов биотехнологии. Тем не менее, оптимизм в среде ученых и населения постоянно растет, поэтому еще в отчете Отдела по оценкам новых технологий США за 1987 г. сказано: "Молекулярная биотехнология ознаменовала собой еще одну революцию в науке, которая могла бы изменить жизнь и будущее ... людей так же радикально, как это сделала промышленная революция два века назад и компьютерная революция в наши дни. Возможность целенаправленного манипулирования генетическим материалом обещает великие перемены в нашей жизни".
Заключение
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.
Биотехнология - наука об использовании живых организмов, биологических процессов и систем в производстве, включая превращение различных видов сырья в продукты.
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.
Развитие биотехнологии связано с усовершенствованием техники научных исследований. Сложные современные приборы позволили установить строение нуклеиновых кислот, вскрыть их значение в явлениях наследственности и расшифровать генетический код, выявить этапы биосинтеза белка. Без учета этих достижений в настоящее время немыслима полноценная деятельность человека во многих сферах науки и производства: в биологии, медицине, сельском хозяйстве.
Обнаружение связей между строением генов и белков привело к созданию молекулярной генетики. Интенсивно развивается иммуногенетика, изучающая генетические основы иммунных реакций организма. Выявлена генетическая основа многих заболеваний человека или предрасположенности к ним. Такие сведения помогают специалистам в области медицинской генетики установить точную причину заболевания и разработать меры профилактики и лечения людей.
Список литературы
1)А.А. Жученко, Ю.Л. Гужов, В.А. Пухальский, "Генетика", Москва, "КолосС" 2003
2)В.Л. Петухов, О.С. Короткевич, С.Ж. Стамбеков, "Генетика" Новосибирск, 2007 год.
)А.В. Бакай, И.И. Кочиш, Г.Г. Скрипниченко, "Генетика", Москва "КолосС", 2006 год.
)Е.П. Карманова, А.Е. Болгов, "Практикум по генетике", Петрозаводск 2004
5)В.А. Пухальский "Введение в генетику", Москва "КолосС" 2007
)Е.К. Меркурьева, З.В. Абрамова, А.В. Бакай, И.И. Кочиш, "Генетика" 1991
7)Б.В. Захаров, С.Г. Мамонтов, Н.И. Сонин, "Общая биология" 10-11 класс, Москва 2004 год.
diplomba.ru
Вот как объясняет ставшее за последнее время очень популярным словом “технология” “Словарь иностранных слов”: “Технология (от греческого techne — искусство, ремесло, наука — logos — понятие, учение) — совокупность знаний о способах и средствах проведения производственных процессов...” Слову “биотехнология” немногим за десять лет. Оно настолько молодо, что определение его не попало пока ни в один из словарей. Но факультеты биотехнологии в институтах уже появились.
Биотехнология — многоотраслевая наука. Но, пожалуй, наиболее почетное место в ней занимает, помимо генной инженерии, наука об искусственном культивировании изолированных клеток и тканей и о ростовых либо ингибирующих веществах.
Оторванная от коллектива себе подобных клетка в пробирке сохраняет “память” — генетическую информацию, заложенную родителями. Но специальность (специализацию) она утрачивает и образует при делении нечто аморфное, напоминающее по форме морскую губку — каллус (в переводе с латинского “мозоль” ). Это ткань, которая возникает не только в пробирке, но и в естественных условиях при ранении растения. Помимо утраты узкой специализации клетка порой начинает вести себя, словно пациент сумасшедшего дома. Например, активные гены вдруг застопориваются, а “спавшие” ни с того ни с сего начинают интенсивно работать. Клетка в “клетке”, то есть в пробирке, может резко изменить соотношение ферментных и структурных белков. В ней увеличивается число молекул РНК, синтезирующих в обилии те белки, к производству которых клетка ранее относилась с прохладцей.
Однако стоит предоставить “узнице” определенные условия, как она вновь приобретает какую-то специализацию, причем не обязательно “старую”: взятая из корня или листа клетка образует целое растение. Регенерации полноценных растений из каллуса добиваются в принципе двумя путями: дифференциацией побегов и корней посредством изменения соотношения гормонов цитокинина и ауксина или образованием эмбриоидов. Этот соматический (асексуальный) эмбриогенез впервые был прослежен к 1959 году у моркови; со временем его стали применять при производстве жизнеспособных растений у разных видов.
Небезынтересно, что в лабораториях обнаружили способность изолированных клеток некоторых видов растений закаляться. Так, если клетки без закалки еле переносят температуру —20° С, то с закалкой способны выдержать и минус 35° С, а клетки сибирской яблони с закалкой терпят мороз ниже 50° С. Вот только клетки теплолюбивого лимона никаким закалкам не поддаются. Появилась возможность отбора клеток с большой морозостойкостью из каллуса пшеницы и ели.
Изолированные клетки сохраняют способность синтезировать вещества, присущие ей invivo, то есть в теле живого организма, — витамины, гормоны, алкалоиды, кумарины, стеронды и так далее. Это заинтересовало биологов с точки зрения утилизации этих веществ для промышленности.
В лабораториях обнаружена еще одна способность клеток: отдели одну от других или посади ее на питательную среду поодаль от сородичей, и она наотрез откажется делиться и размножаться. Экспериментаторы, естественно, предполагают, что “телепатия” клеток имеет химическую природу, однако выделить и рассмотреть “в лицо” виновника “телепатии” до сих пор не удалось. Прямо не вещество, а привидение — очень уж мала его концентрация. Киевскому соратнику Р. Г. Бутенко — Ю. Ю. Глебе все же удалось заставить клетку, “страдающую” от одиночества, делиться в мельчайшей капельке питательной среды.
Чем дольше занималась лаборатория Р. Г. Бутенко культурой клеток, тем больше интересных явлений открывалось перед ее сотрудниками. Ну хотя бы то, что клетки каллуса, имеющие единственного предка — одну прапрапра… (и так далее) клетку, оказываются через несколько поколений генетически различными. Может быть, изучив это явление, мы обнаружим, что предком обезьяны и человека был прозаический кольчатый червь.
Изменения, наблюдаемые в изолированной культуре, могут возникать вследствие мутаций специфических генов и хромосомных перестроек. Частота, тип и стабильность изменчивости зависят от генотипа исходного растения и физиолого-биохимического состояния (“настроения” ) клетки. Высказано предположение, что условия изолированной культуры приводят к глубокой клеточной дестабилизации. Широкий спектр вариантов, образующихся из культивируемого материала, является отражением дестабилизации, за которой следуют действие отбора и вторичные наследственные изменения в популяции клеток.
Наблюдаемая изменчивость имеет большое значение при применении культуры клеток и тканей для улучшения сельскохозяйственных культур.
Воздействие мутагенами — веществами или радиацией, вызывающими наследственные изменения, увеличивает частоту измененных клеток, а использование селективных условий (например, повышенного инфекционного фона) создает предпосылки для размножения только измененных в нужном человеку направлении клеток. Однако многие исследователи, памятуя, вероятно, строки стихотворения Федора Тютчева (“Природа — сфинкс. И тем она верней своим искусом губит человека...” ), отказываются от использования мутагенов, чтобы избежать добавочных нежелательных мутаций. Тем более, что мутантных клеточных линий возникает вполне достаточно и без их вмешательства.
В клетках каллуса часто меняется и число хромосом. Каллус растения гаплопаппус, например, через два года оказался состоящим на 95 процентов из полиплоидных (содержащих в ядре более двух геномов) клеток с числом наборов основного (базисного) числа хромосом, равным восьми и более. В США получены полиплоидные формы табака из клеток каллуса, культивируемых вне организма, отличающиеся рядом хозяйственно ценных признаков. Выход полиплоидных форм оказался настолько значительным, что этот метод рекомендован для экспериментального получения полиплоидов. Такие же результаты получены у лимона и клевера ползучего.
Да и вообще регенерировавшиеся из каллуса растения часто отличаются от своих родителей числом хромосом. Генетически идентичное воспроизведение генотипов через дифференциацию в культуре каллуса в настоящее время можно осуществить у сравнительно немногих видов.
Для селекции генетическая изменчивость клеток каллуса может представить определенный интерес. На основе регенерации в культуре тканей и органов растений получены высокопродуктивные формы подсолнечника. К сожалению, у таких важнейших сельскохозяйственных культур, как зерновые и бобовые, активировать морфогенез на питательных средах пока удается редко, но есть успехи при работе и с этими “непокорными” культурами.
На питательных средах при высокой интенсивности освещения ныне выращивают растения-гаплоиды из пыльцевых зерен. У них вдвое меньше хромосом, чем в обычных соматических клетках стеблей, листвы и корня родительского растения. Из них при удвоении хромосом путем обработки колхицином или закисью азота под давлением (есть и иные пути удвоения) получают дигаплоиды (или, допустим, тетрагаплоиды, если основной набор учетверен). Они гомозиготны, то есть обеспечивают проявление свойственных им признаков устойчиво на протяжении многих поколений. У них, как говорят генетики, не выщепляются новые признаки, если, конечно, не появляются мутации — внезапные новые наследственные признаки. Гомозиготные линии нередко используют в селекции на гетерозис — достоверное повышение продуктивности, качества или иного показателя против родительских форм, вовлеченных в гибридизацию.
Используют гаплоиды и иначе. В Китае с помощью культуры пыльников выведены короткостебельные, скороспелые и высокоурожайные сорта риса. Применение в этой стране питательных сред, включающих картофельный экстракт, привело к ранее недостижимому — получению гаплоидов у ржи, что открыло новые возможности в селекции этой перекрестноопыляющейся культуры. Получены интересные результаты у ячменя, перца, мака, люцерны, винограда, тополя, яблони и масличного рапса. У последней культуры, проведенной через культуру пыльников, несколько уменьшили и надеются уменьшить еще более содержание вредных гликозидных соединений. Всего в Китае к 1984 году из пыльцевых зерен выращено около 40 видов растений. Изучение популяций пшеницы, риса, кукурузы и табака из пыльников показало, что около 90 процентов удвоенных гаплоидов является генетически однородными, хотя у 10 процентов все же отмечена нестабильность числа хромосом и их структуры.
В нашей стране эффективный способ получения пшеницы из пыльцы в культуре пыльников разработан саратовскими учеными В. М. Сухановым, В. С. Тырновым и Н. Н. Салтыковой.
Самое интересное, что иногда и гибридизацию удается провести в чашках Петри, пробирках, вообще в каких-либо сосудах, в которые помещают изолированную от растения семяпочку. На нее наносят пыльцу, преодолевая таким образом самонесовместимость — отказ растения дать семена, если его пытаются оплодотворить собственной пыльцой.
В пробирке случается порой преодолеть несовместимость довольно отдаленных видов, и даже родов растений. Однако бывает и так, что скрестить растения, относящиеся к двум разным видам или родам, удается, но полученные от гибридизации семена не желают прорастать — сказывается несовместимость, допустим, зародыша с эндоспермом. Это обычное явление при скрещивании пшеницы и ржи (есть, однако, и другие факторы, препятствующие прорастанию). В таких случаях с успехом прибегают к отделению зародыша от эндосперма на ранних этапах развития зерновки и помещению зародыша на искусственную питательную среду, состоящую из многих компонентов.
При выращивании молодых эмбрионов добились завязывания жезнеспособных семян у межродовых гибридов — ячмень X рожь, элимус X пшеница, трнпсакум X кукуруза; томат культурный X томат перуанский, чина пурпурная X чина членистая, лядвенец тонкий X лядвенец топяной, донник желтый X донник белый, фасоль обыкновенная X фасоль остролистная (тепарн), клевер сходный X клевер гибридный (розовый), слива североамериканская X слива персидская. М. Ф. Терновский с сотрудниками получил межвидовой гибрид табака с новыми свойствами устойчивости благодаря культуре на искусственной питательной среде каллусов из неспособных к прорастанию гибридных семян. Таким же путем получены нормальные гибриды первого поколения от скрещивания днплоидных и тетраплоидных форм райграса.
И наконец, еще одно важное достоинство использования питательных сред. В пробирке удается слить воедино соматические клетки разных видов. Для этого, правда, их приходится беззастенчиво “раздевать” — освобождать от оболочки с помощью специальных ферментов. После этой процедуры мы имеем дело уже не с клеткой, а с протопластом. Протопласты двух видов кидают в один протопласт — гетерокариот, который через некоторое время обзаводится новой “одежкой”. Так удается объединять даже животные клетки с растительными, например, клетку табака с обнаженной клеткой дрозофилы. Надо сказать, что такие клетки, хотя и пытаются делиться, но впустую. К делению способны пока лишь слитые клетки видов в пределах одного рода, изредка — различных родов и семейств. Но как знать! Со временем будет преодолена и эта несовместимость, и селекционеры получат гибриды, которые им и во сне не снились.
К настоящему времени удалось совместить протопласты и получить соматические гибриды картофеля и томата, правда, с мизерным урожаем плодов и клубней. А вот соматическая гибридизация устойчивых к болезням и вредителям диких диплоидных видов картофеля (2х) с культурными диплоидными {2х) может представить практический интерес: 2х + 2х = 4х — это как раз оптимальный уровень плоидности у картофеля.
Неожиданны результаты канадца К. Н. Као, который получил гетерокариотическне (с совмещенными ядрами) клетки из слившихся протопластов сон и табака сизого (табачного дерева), способные к делению, и линии клеток сои и табака с синхронным делением хромосом.
При использовании культуры клеток и тканей удается быстро размножить новый сорт, если культуру в производстве размножают вегетативно, или линию для производства гибридных семян у овощных, декоративных и других возделываемых растении. Чаще всего размножают (клонируют) верхушки побегов (такое размножение не совсем точно называют культурой меристемы — ведь, кроме последней, в процесс включаются и другие элементы) и латеральную (боковую) меристему — образовательную, интенсивно делящуюся ткань. Возрастает использование культур тканей для клонирования соцветий, цветков, боковых почек, листьев и корней, культуры каллуса и в отдельных случаях культуры клеток. У спаржи для размножения наиболее пригодны верхушки побегов, у пасленовых и краснокочанной капусты — кусочки (экспланты) листа, у цветной капусты и нарцисса — частички соцветий, у лилейных, ирисовых (касатиковых) и амариллисовых — экспланты из луковиц, клубней, ризомов (коротких мясистых корневищ), листьев, соцветий и семяпочек, у птицемлечника — экспланты из стебля, листьев, завязи, чашелистиков и даже луковичной чешуи, у глоксинии — высечки из листьев и цветоножек, у лука порея — кусочки луковицы, у герани при получении диплоидных растений — экспланты пыльников.
Наиболее экономически выгодно размножение в культуре тканей селекционных сортов цветов: орхидей, агав, бегоний, хризантем, цикламена, драцены, ириса, лилий, нарцисса, флокса и других.
Новой областью применения клонирования в стерильной среде верхушек побегов и других эксплантов стало размножение пород кустарников, плодовых культур и ананаса.
Из каллуса от зубчиков чеснока получили безвирусные растения. Экономически оправдано размножение методом стерильной культуры гетерозисных гибридных семян овощных и декоративных культур.
Культура тканей растении, главным образом верхушек побегов (меристем), играет очень важную роль в освобождении семенного материала от вирусов. Цветоводы первыми обнаружили, что растения, выращенные не из клубней или луковиц, а из делящихся клеток, помещенных в питательную среду, вирусными болезнями, как правило, не поражены и дают здоровое вегетативное потомство клубней и луковиц. Этот прием взяли на вооружение и картофелеводы-семеноводы.
Получение свободных или, вернее, почти свободных от вирусов растений — обычный прием первичного семеноводства некоторых сельскохозяйственных культур: картофеля, клевера, люцерны и хмеля, овощных (хрена, ревеня, шампиньона, цветной капусты), плодовых культур (малины, красной и черной смородины, яблони, сливы), а также декоративных растений (хризантемы, гвоздики, пеларгонии, фрезии, цимбидиума, гортензии, нарцисса, лилии, гиацинта, ириса, тюльпана, гладиолуса) Некоторых физиологов задолго до того, как они осознали себя в роли биотехнологов, заинтересовали биорегуляторы растений и ранее всего стимуляторы роста.
В начале второй мировой войны был открыт ауксин. Сначала его получали из верхушки колеоптиля (бесцветного чехла, защищающего первый молодой лист) кукурузы. Но это был поистине каторжный труд: за 10 дней восемь лаборанток немецкого биохимика-фанатика Ф. Кегля переработали 100 тысяч проростков и получили в результате количество активного вещества, достаточное лишь для установления кислой природы ауксина. Для того чтобы таким путем добыть из колеоптилей кукурузы 250 миллиграммов ауксина, лаборанткам пришлось бы проработать, не прерываясь на сон и еду, по крайней мере, 400 лет.
К счастью, вскоре был найден обильный и доступный источник ауксина. Им оказалась человеческая моча. Как установили дотошные химики, в среднем каждый житель планеты ежедневно может давать для нужд биохимии, физиологии и сельского хозяйства примерно 1—2 миллиграмма ауксина.
Под названием ауксин объединен целый ряд веществ — регуляторов роста. Важнейшее из них получило наименование гетероаукснна и представляет собой бета-индолил-уксусную кислоту, или ИУК. ИУК в изобилии образуется микроорганизмами — дрожжами, грибами и бактериями.
ИУК эффективно используют для ускорения образования корней у черенков плодово-ягодных и других растений. В настоящее время синтезирован целый ряд ауксинов, среди которых особенно большой активностью обладает бета-нафтил-уксусная кислота (НУК).
Близко к группе гетероауксинов стоят гербициды, представляющие собой производные фенокси-уксусной кислоты. В культуре клеток, тканей и органов чаще всего применяют 2,4-дихлорфенокси-уксусную кислоту (2,4-Д), 2,4,6-трихлорфенокси-уксусную кислоту и 2-метил-4-хлорфенокси-уксусную кислоту. Обладают активностью и используются как свободные кислоты, так и растворимые в воде натриевые и аммонийные соли этих кислот, а также их эфиры. Кроме того, идут в дело еще и этаноламиновые соли. Эти гербициды были открыты одновременно в начале второй мировой войны в США и Великобритании.
2,4-Д может заменить (гетероауксин в культуре тканей, причем он в 10 с лишним раз активнее последнего вызывает образование корней, распад крахмала, усиливает дыхание. Очень слабые концентрации гербицида действуют благоприятно на прорастание семян и на развитие микроорганизмов.
В Японии некогда приметили интересное заболевание молодых растении риса, вызываемое грибом Gibbcrcllafujukuroi. Наряду с гибелью растений у некоторых экземпляров, оставшихся в живых, можно было наблюдать энергичный рост стеблей и листьев. Как выяснилось, ускорение роста вызывается соединениями, являющимися продуктами обмена веществ гриба. Эти вещества (терпеноиды), выделенные в чистом виде получили название гиббереллинов.
Гиббереллины способны стимулировать не только рост, но и цветение. Их применяют в основном для ускорения прорастания ячменя при изготовлении солода и для повышения урожайности винограда.
Позднее был открыт ряд соединений, оказывающих сильное стимулирующее действие на деление растительных клеток — цитокининов. Из них наиболее активен кинетин. Очень активным соединением явилась дифенилмочевина, выделенная из кокосового молока.
Для выявления эффекта действия ростовых веществ необходимы поразительно малые их концентрации. Одного грамма гетероауксина, например, достаточно для 10(в13 степени) растений. Чтобы рассадить эти растения, предоставив каждому площадь питания в квадратный сантиметр, потребовалась бы пашня площадью более 900 квадратных километров. Чтобы развести грамм гетероауксина до недеятельной концентрации, необходимо 200 миллиардов литров, для доставки которых потребовалось бы 400 тысяч железнодорожных составов.
Активность ростовых веществ растений на единицу массы по активности не уступает активности животных гормонов. Так, активность ауксина для овса превосходит активность эстрона для мышей в 10 раз, тороксина для человека — в 100 и андростерона для каплунов — в 1000 раз.
К активным веществам, играющим существенную роль в культуре тканей, принадлежат и витамины. Так, тиамин (анейрин, витамин В1) участвует в процессе роста корней. Многократные пассажи (посевы клеток) кончиков корней без него невозможны. Для роста корней, помимо питательных веществ и тиамина, необходимы и другие витамины. Например, горох и редис нуждаются еще в никотиновой кислоте, на томаты благоприятно действует витамин B6 (еще лучше с никотиновой кислотой). А вот лен может обойтись одним тиамином.
В зернах злаков тиамин находится в алейроновом слое и, следовательно, не может присутствовать в полированном рисе. Поэтому преимущественное употребление его в пищу населением Восточной Азии приводило к вспышкам бери-бери.
При автоклавировании (автоклавы — герметичные аппараты для выполнения работ при повышенной температуре и давлении для стерилизации) тиамин расщепляется на пиримидин и тиазол. Для роста корней томата, оказывается, достаточно одного тиазола, а для некоторых фитопатогенных грибов — только пиримидина (при необходимости организм сам синтезирует второй компонент тиамина). Возможно, это имеет какое-то значение при симбиозе (например, у лишайников или микротрофных растений), а также паразитизме.
Аскорбиновая кислота (витамин С) важна для роста побегов. Введение аскорбиновой кислоты ускоряет укоренение черенков и стимулирует прорастание пыльцы. Предполагают, что она имеет отношение к обмену ростовых веществ у растений.
Действие аскорбиновой кислоты основано на ее окислительно-восстановнтельных свойствах: в окислительной форме аскорбиновая кислота превращается в вещество, тормозящее рост. Не исключено, что она вызывает актизирование ростового вещества из его неактивной формы.
Культивируемые штаммы дрожжей нуждаются для своего развития в веществах биоса — комплексе витаминов. К биосу принадлежит мезоинозит, бнотин (некогда скоропалительно названный витамином Н, а ныне зачисленный в группу витамина В) и пантотеновая кислота. Впрочем, пантотеновая кислота может быть заменена бета-аланином, при помощи которого дрожжи, вероятно, сами синтезируют пантотеновую кислоту. Дрожжи нуждаются и в тиамине.
Все эти вещества природные штаммы дрожжей синтезируют сами, а вот культурные дрожжи такую способность утратили — у них наблюдают постепенно усиливающуюся гетеротрофность — склонность к питанию готовыми органическими веществами и потерю способности к синтезу одного или нескольких активных веществ биоса.
В никотиновой кислоте нуждаются корни некоторых растений. Она встречается постоянно у высших и низших растений. Предполагается, что никотиновая кислота — универсальное активное вещество.
Пиридоксин усиливает рост корней, например, у томатов и моркови. Под влиянием женского полового гормона млекопитающих животных — эстрона (фолликулярного гормона) усиливается вегетативное развитие растений.
Паста с эстроном, нанесенная на цветочные почки дремы, задерживает развитие тычинок и усиливает развитие завязей. А вот тестостерон — мужской половой гормон работает прямо противоположно эстрону.
В росте листьев участвуют производные пурина: мочевая кислота и аденин. Более или менее заметным образом реагирует живая плазма на действие Н+ или ОН-ионов. Движение плазмы стимулирует гистидин.
Биорегуляторы используют и в растениеводстве и в животноводстве. В растениеводстве они, кстати, зачастую помогают сохранить в культуре старые сорта. Например, виноделы Франции не стремятся к внедрению новых сортов винограда. Французы любят свои вина, заслужившие за столетия мировую известность.
То же можно сказать и об обыкновенном картофеле. И в Европе, и в Америке старые “проверенные” временем сорта удерживаются в производстве десятилетиями. Никакая реклама новейших сортов население не соблазняет — привычка решает выбор.
Сорт картофеля Ранняя Роза (Эрли Роуз), выведенный в США в 1861 году, до сих пор встречается если не на полях, то в огородной культуре на Американском и Европейском континентах. Еще более стар сорт Гарнет Чили — прадед большинства американских сортов и ряда европейских; его и по сей день высаживают близ Сан-Франциско. Столетний юбилей “справил” сорт Айрнш Коблер; полустолетний возраст у американских сортов Катадин и Чиппева.
Кстати, и пищевой промышленности, перерабатывающей картофель в хлопья, чипсы, гарни, гранулы, в замороженный и жареный “французский картофель”, также приходится придерживаться десятилетиями “стандартных” сортов, отвечающих условиям переработки, ибо сортов картофеля, пригодных для выработки некоторых продуктов, крайне мало. После освоения процесса и техники переработки одного-двух сортов заводам экономически невыгодно “настраиваться” (перестраивать технологию и обновлять технику) на новые сорта картофеля. Тем более что даже такое “простое” требование пищевой промышленности к селекционерам, как непременная устойчивость сортов к механическим повреждениям, повергает последних в глубокое уныние (а подобных требований к перерабатываемому сорту десятки).
Вот почему биотехнологи стремятся как-то помочь старым апробированным сортам — улучшить их продуктивность, качество или товарный вид. Привередливые американцы, например, предпочитают апельсины ярко-оранжевой окраски. Химики предложили для удовлетворения вкуса потребителей обрабатывать апельсины веществом с малоудобоваримым названием: (2-пара-диэтиламиноэтоксибензаль) — пара-метоксиацетонфенон.
За десять дней обработки этим биорегулятором количество каротиноидов возросло в 16 раз. И окраска стала много живее, и полезного провитамина А значительно прибавилось.
Правда, химики с этим препаратом несколько “перехимичили”: после обработки в корке нередко образовывались красные каротиноиды, придававшие цитрусовым зловещий бордовый цвет, что несколько настораживало непосвященных. Поэтому прибегли к другим биорегуляторам — диэтилоктиламину и диэтилнониламину. Содержание каротиноидов увеличивалось всего в два — пять раз, и ярко-оранжевые плоды пошли нарасхват. И мякоть стала по цвету ярко-оранжевой, и сок гляделся попраздничнее.
Нашли также вещества, которые не только глаз тешат, но и аромат цитрусовых усиливают. Пройдешь мимо магазина в задумчивости, но невольно вздохнешь полной грудью и вернешься, вспомнив, что забыл к чаю лимон купить.
Все известные биорегуляторы либо “подстегивают”, либо депрессируют гены (сдерживают их на туго натянутых вожжах), либо вообще “выключают”. Например, упоминавшийся выше биорегулятор с названием, требующим недюжинной памяти, приостанавливал последующие превращения гамма-каротина, что благоприятствовало окраске плодов. В будущем подобным способом надеются повысить содержание действующих веществ в лекарственных растениях.
Искусственному дозариванию зеленых плодов томата помогает обработка их регуляторами роста: зарубежным препаратом этрел, отечественными — гидрелом, дигидрелом или декстрелом (они равноценны по физиологической активности). За 7—10 дней хранения при температуре 18—20° С обработанные этими препаратами плоды созревают на 90 процентов. Искусственно дозаренные плоды по питательной ценности ничуть не уступают естественно дозревшим.
У люцерны обнаружен природный регулятор роста триаконтанол — соединение спиртовой природы, включающее 30 атомов углерода. Он концентрируется главным образом в кутикуле — надкожице, покрывающей поверхность листьев. В концентрации 1 микрограмм на литр трнаконтанол повышает урожай картофеля на 20 процентов. Обработка им семян овощных культур усиливает рост растений и повышает урожайность на 17—25 процентов. Полагают, что триаконтанол активирует некоторые ферменты или влияет на мембраны, интенсифицируя процессы метаболизма — обмена веществ.
В начале 20-х годов медики обнаружили, что если крысам вводить экстракты из гипофиза — мозгового придатка, расположенного у основания мозга, то они начинают расти заметно охотнее и достигают размеров хорошо откормленного кота. Действующим веществом оказался вырабатываемый гипофизом гормон роста, получивший название соматотропина, или соматотропного гормона (СТГ). При избытке этого гормона в организме вырастают крупные животные — гиганты в пределах своей популяции; недостаток же обусловливает карликовый рост и всевозможные уродства — непропорциональное увеличение отдельных частей тела.
В конце 60-х годов биохимики-медики выделили соматотропин в чистом виде, изучили его состав и структуру. Выяснилось, что это белок, состоящий из 191 аминокислотного остатка. Но ученых ждало разочарование. Хотя соматотропины животных и были близки человеческому по своей структуре, но, как оказалось, имели несколько иной аминокислотный состав, иную последовательность аминокислот в полипептидной цепи и даже иные размеры молекул. Кроме того, в отличие от других гормонов они обладали видовой специфичностью — гормон животного не действовал на человека. В общем-то соматотропные гормоны вполне удовлетворили бы животноводов, если бы не одна трудность: получать их из такого сырья, как гипофизы убойных животных, экономически нецелесообразно. Ныне разрабатывают приемы синтеза соматотропных гормонов (СТГ) методами генной инженерии. В лабораторных условиях Института биоорганической химии имени М. М. Шемякина и Института молекулярной биологии синтезированные гормоны уже “работают”.
Биохимиков-“животноводов”, включившихся в соревнование с химиками от медицины в 40—50-х годах, при первых же, казалось бы, блестящих успехах (были синтезированы гормоны роста животных — синтетические эстрогены) осадили “коварные” медики, которые приписали новым препаратам некоторые побочные явления.
Но химики-“животноводы” не успокоились. Они решили обратиться к природным эстрогенам, таким как эстрадиол, эстрон, эстриол. Последние быстро включаются в обмен и быстро выводятся; кроме того, легко разрушаются при варке и жарений мяса. И действие их весьма эффективно: при однократном введении под кожу (так используют и другие гормоны) 50 миллиграммов валерианата эстраднола среднесуточный прирост массы бычков увеличивается на 17—20 процентов. Производные андрогенов — анаболические стероиды в тех же условиях при дозе 150—200 миллиграммов тоже повысили прирост массы животных на 15—20 процентов.
Микоэстраген — зеранол, получаемый из плесени кукурузы, по данным исследователей нескольких стран, после однократного введения обеспечивает в течение 120 дней прирост массы бычков на 10 процентов.
www.ronl.ru
Удивительными открытиями в науке и грандиозным научно-техническим прогрессом ознаменовался XX век, однако научно-технический прогресс в настоящем виде имеет негативные стороны: 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 в тупик. Нужно принципиальное изменение вектора развития. Биотехнология может внести решающий вклад в решение глобальных проблем человечества.
Биотехнология — это использование живых организмов (или их составных частей) в практических целях. Когда говорят о современной биотехнологии, то подобное определение дополняют словами: на базе достижений молекулярной биологии. Если не сделать подобного добавления, то под определение «биотехнология» попадут и традиционное с/х, животноводство и многие отрасли пищевой промышленности, использующие микроорганизмы. Далее мы остановимся на одном из видов биотехнологии, а именно на генной инженерии, которая открывает совершенно новые пути в медицине химии, в производстве Энергии, новых материалов, в охране окружающей среды. Генная инженерия — это технология манипуляций с веществом наследственности — ДНК.
Сегодня учёные могут в пробирке разрезать молекулу ДНК в желательном месте, изолировать и очищать отдельные её фрагменты, синтезировать их из двух дезоксирибонуклеотидов, могут сшивать такие фрагменты. Результатом таких манипуляций являются «гибридные», или рекомбинантные молекулы ДНК, которых до этого не было в природе.
Годом рождения генной инженерии считается 1972 год, когда в лаборатории Пола Берга в США была получена в пробирке первая рекомбинантная реплицироваться, т.е. размножаться, в бактерии кишечной палочки E.сoli. Само появление генной инженерии стало возможным благодаря фундаментальным открытиям в молекулярной биологии.
В 60-е годы ученые расшифровали генетический код, т.е. установили, что каждая аминокислота в белке кодируется триплетом нуклеотидов в ДНК. Особенно важно, что генетический код универсален для всего живого мира. Это означает, что весь мир «разговаривает» на одном 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 последовательности ДНК, определяющие начало и окончание транскрипции, трансляции, репликации. Практически все эти системы, в первом приближении, безразличны к последовательностям ДНК, расположенным между данными сигналами. Надо сказать, что сами сигналы различаются в разных организмах. Из всего сказанного следует, что если взять некий структурный ген(например человека) и in vitro снабдить его сигналами, характерными для гена бактериальной клетки, то такая структура, помещённая в бактериальную клетку, будет способна к синтезу человеческого белка.
Принципиальная особенность генной — способность создавать структуры ДНК, которые никогда не образуются в живой природе. Генная инженерия преодолела барьер, существующий в живом мире, где генетический обмен осуществляется только в пределах одного вида или близкородственных видов организмов. Она позволяет переносить гены из одного живого организма в любой другой. Эта новая техника открыла безграничные перспективы создания микроорганизмов, растений и животных с новыми полезными свойствами.
Конечно, нарушение барьеров живой природы может таить потенциальную опасность. Вот почему во всех развитых странах мира правила работы, законы, регулирующие генно-инженерную деятельность. Закон о «генно-инженерной деятельности» принят и парламентом РФ в июле 1996 г.
Невозможно рассказать о всех аспектах применения техники генной инженерии в биотехнологии или научных исследованиях. Приведём лишь несколько примеров, иллюстрирующих возможности этого метода.
Одно из наиболее важных направлений генной инженерии — производство лекарств нового поколения, представляющих собой биологически активные белки человека. Следует напомнить, что в большинстве случаев белки человека (как и других животных) видоспецифичны, т.е. для лечения человека можно использовать только белки человека. Вследствие этого возникает проблема получения человеческих белков в нужных количествах.
В связи 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. Исследование наблюдаемого явления привело к выводу, клетки животных и человека в ответ на вирусную инфекцию выделяют какое-то вещество, которое делает окружающие здоровые клетки устойчивыми к вирусной инфекции. Это вещество (или вещества) получило название интерферона.
В течение последующих 20 лет велись интенсивные исследования. Было установлено, что интерфероны — группы белков, 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 противовирусных лекарств. Кроме того, эти белки оказались эффективными при лечении рассеянного склероза и некоторых видов рака. Единственным препятствием к использованию интерферонов была их малая доступность. Они синтезировались в очень малых количествах: источником их получения была или донорская кровь, или культура клеток человека. К сожалению, эти источники не позволяли получать интерфероны в количестве, нужных медицине.
В 1980 — 1985 гг. в нескольких лабораториях мира, в том числе и в СССР, были выделены гены человека, определяющие синтез интерферонов, и введены в бактерии. Такие бактерии стали способны синтезировать человеческий интерферон. Очень важно, что они быстро растут, используют дешёвую питательную среду и синтезируют большое количество белка. Из 1 л бактериальной культуры можно выделить столько человеческого интерферона alpha, сколько из 10 тыс. л. донорской крови. Полученный белок абсолютно идентичен интерферону, синтезируемому в организме человека. Конечно, пришлось решать сложную задачу очистки интерферона, полученного способом генной инженерии, до гомогенного состояния.
Ещё 4 — 6 лет заняли доклинические и клинические испытания. Наконец в 1989 -1990 гг. появилось новое лекарство — человеческий интерферон alpha; в России он выпускается под названием «реаферон». За эту работу группа ученых удостоена Ленинской премии.
Сегодня это почти единственный препарат, который эффективен против вирусных гепатитов как в острой, 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 препаратов рекомбинантных белков человека, получивших широкое медицинское 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 возможность использования этих белков в медицине. Гормон роста применяется не только для борьбы с карликовостью, но и широко используется как стимулятор для заживления ран, сращивания костей. Гормоны роста животных начали использовать в с/х (увеличение на 15% удоя коров, ускорение роста рыб). Эритропоэтин — стимулятор кроветворения и используется при лечении различного рода анемий.
В настоящее время в мире получили разрешение на применение более 30 препаратов, созданных методами генной инженерии, и более 200 находятся на разных стадиях клинических исследований. Сейчас более 20% фармацевтического рынка лекарств составляют лекарства новой биотехнологии.
Использование рекомбинантных белков человека — принципиально новая терапия. В не вводится ничего чужого. Действительно, если в нём не хватает инсулина или гормона роста, их добавляют (заместительная терапия). С вирусами организм сам борется с помощью интерферонов — человек просто помогает ему.
Значительные успехи достигнуты в генной инженерии растений. В основе этой техники лежат методы культивирования клеток и тканей растений в пробирке и возможность регенерации целого растения из отдельных клеток.
В генной инженерии растений есть свои проблемы. Одна из них состоит в том, что многие полезные свойства растений кодируются не одним, а многими генами. Это делает трудным или невозможным прямое генно-инженерное совершенствование свойств. Другое препятствие, которое постепенно преодолевается, — трудности культивирования и регенерации клеток в целое растение среди некоторых видов, например злаков. Лучшие результаты получены в том случае, когда перенос одного гена может привести к появлению у растения полезного свойства.
Несмотря на ограничения, получены впечатляющие результаты: созданы сорта хлопчатника, томатов, табака, риса, устойчивых к насекомым-вредителям, вирусам, грибковым заболеваниям. 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 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.
В высших организмах конкретные гены кодируют производство белков в определенных тканях. Хотя все гены содержатся в каждой клетке, в специализированных клетках работают только некоторые из них, этим и определяется тканевая специфичность. Примером может служить производство белков молока (козеин, лактальбумин) в молочных 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 в процессе лактации.
В мире уже существуют сотни трансгенных овец и коз, продуцирующих в молоке от десятков миллиграмм до нескольких грамм биологически активных белков человека в 1л молока. Такой метод производства экономически выгоден и экологически чище, хотя и требует от ученых больших усилий и времени при создании трансгенных животных по сравнению с созданием генно-инженерных микроорганизмов.
С молоком трансгенных животных можно получать не только лекарства. Известно, что для производства сыра высокого качества необходим фермент, створаживающий молоко, — реннин. Этот фермент добывают из желудков молочных телят. Он дорог и не всегда доступен. Наконец, генные инженеры сконструировали дрожжи, которые стали производить этот ценный белок при микробиологическом синтезе.
Следующий этап генной инженерии — создание трансгенных овец, которые синтезируют химозин в молоке. Небольшое стадо наших овец в России находится на Ленинских Горках под Москвой. Эти овцы синтезируют до 300 мг/л фермента в молоке. Для процесса сыроварения белок можно не выделять, а использовать просто в составе молока.
Возможна экспансия биотехнологии в области, которые сегодня целиком принадлежат химии. Это — биокатализ (вместо химического катализа) и новые материалы. Один из процессов биокатализа, успешно реализованного в промышленности, — получение акриламида из акрилонитрила.
Ch3=CH–CN -> Ch3=CH-C=0
|
Nh3
Акриламид служит исходным мономером для получения полимеров и сополимеров, широко используемых при очистке воды и стоков, в горном деле, при осветлении соков и вин, приготовлении красок и т.п.
До недавнего времени процесс гидролиза нитрила вели при 105 С в присутствии серной кислоты. 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 качество акриламида оставляло желать лучшего.
В 1987 году ученые из института генетики и селекции промышленных микроорганизмов совместно со своими коллегами из Саратовского филиала института приступили к поиску в природе микроорганизмов, которые могли бы превращать акрилонитрил в акриламид, Такие микроорганизмы были найдены. После ряда манипуляций получены микроорганизмы, синтезирующие в 10 тыс. раз больше фермента – нитрилгидратазы, ответственного за трансформацию акрилонитрила.
Достижения учёных реализованы на практике. На одном из заводов, выпускающий антибиотики, налажен выпуск биокатализатора, т.е. нужных микроорганизмов, а ещё на 3 заводах осуществлён процесс биокаталитического получения акриламида. Процесс осуществляется при комнатном давлении и температуре, следовательно, мало энергоёмок. Процесс практически не имеет отходов, экологически чист. Получаемый новым методом акриламид имеет высокую чистоту, что важно, так как большая его часть далее полимеризуется в полиакриламид, а качество полимера сильно зависит от чистоты мономера.
Другой пример относится не к биокатализу, а к биоматериалам. Учёные давно обратили внимание на очень ценные механические свойства материала, из которого пауки плетут сети.
Паутинка примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса, этот материал мягче хлопка, прочнее стали, обладает уникальной эластичностью, 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 исходной цене?
На помощь пришла генная инженерия. Учёные выделили гены, ответственные за синтез белков паутины, и перенесли их в микроорганизмы. В 1995 г. появилось сообщение американских исследователей, что в микроорганизмах действительно синтезируется нужный белок. Таким образом открывается путь к промышленному микробиологическому синтезу нового материала.
Обычно для роста микроорганизмов используются дешёвые крахмал, патока и другие с/х продукты, т.е. возобновляемое сырьё.
Нужно отметить. Что бактерии синтезируют не нити, а аморфный белок так же, как и пауки. Нить образуется, когда паук выдавливает белок из сопла своих желёз. Технически возможно имитировать этот процесс, продавливая аморфный белок через очень тонкие отверстия. Первые нити из микробиологического белка уже получены. Есть реальная возможность улучшить великолепные качества паутины, внеся некоторые изменения в аминокислотную последовательность белка.
Приведённые примеры далеко не охватывают всех практических аспектов применения генной инженерии. Мы не касались вопросов энергетики, охраны среды, добычи полезных ископаемых, 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 будут нуждаться в пестицидах, а в будущем — и в азотных удобрениях. Прекращение использования
Химических пестицидов резко улучшит состояние окружающей 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».
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта www.study.online.ks.ua/
www.ronl.ru
Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
ФГОУ ВПО Рязанский Государственный Агротехнологический Унивепситет имени П.А. Костычева
Кафедра Товароведения
Контрольная работа по биотехнологии
Биотехнологии и пищевая промышленность
Вариант 1
Выполнила
студентка 5 курса технологического факультета
Дяченко Екатерина
Проверила: Шашурина Е.А.
Рязань, 2010
1. Биотехнология на службе пищевой промышленности
Статистические данные ООН по вопросам продовольствия и сельского хозяйства свидетельствуют о том, что проблема обеспечения населения нашей планеты продуктами питания внушает серьезные опасения. По этим данным, более половины населения Земли не обеспечено достаточным количеством продуктов питания, примерно 500 млн. людей голодают, а около 2 млрд. питаются недостаточно или неправильно. К концу XX в. население нашей планеты с учетом контроля рождаемости составило 7,5 млрд. человек. Следовательно, тяжелое уже сейчас положение с продуктами питания может принять в недалеком будущем для некоторых народов угрожающие масштабы.
Пища должна быть разнообразной и содержать белки, жиры, углеводы и витамины. Источники энергии — жиры и углеводы в определенных пределах взаимозаменяемы, причем их можно заменить и белками, но белки нельзя заменить ничем. Проблема питания людей в конечном счете заключается в дефиците белка. Там, где сегодня люди голодают, не хватает прежде всего белка. Установлено, что ежегодный дефицит белка в мире, по самым скромным подсчетам, оценивается в 15 млн. т. Наибольшую популярность как источники белка приобрели семена масличных культур — сои, семян подсолнечника, арахиса и других, которые содержат до 30 процентов высококачественного белка. По содержанию некоторых незаменимых аминокислот он приближается к белку рыбы и куриных яиц и перекрывает белок пшеницы. Белок из сои широко уже используется в США, Англии и других странах как ценный пищевой материал.
Эффективным источником белка могут служить водоросли. Увеличить количество пищевого белка можно и за счет микробиологического синтеза, который в последние годы привлекает к себе особое внимание. Микроорганизмы чрезвычайно богаты белком — он составляет 70—80 процентов их веса. Скорость его синтеза огромна. Микроорганизмы примерно в 10—100 тысяч раз быстрее синтезируют белок, чем животные. Здесь уместно привести классический пример: 400-килограммовая корова производит в день 400 граммов белка, а 400 килограммов бактерий — 40 тысяч тонн. Естественно, на получение 1 кг белка микробиологическим синтезом при соответствующей промышленной технологии потребуется средств меньше, чем на получение 1 кг белка животного. Да к тому же технологический процесс куда менее трудоемок, чем сельскохозяйственное производство, не говоря уже об исключении сезонных влияний погоды — заморозков, дождей, суховеев, засух, освещенности, солнечной радиации и т. д.
Применяя обычные технологические линии по производству синтетических волокон, можно получать из искусственных белков длинные нити, которые после пропитки их формообразующимн веществами, придания им соответствующего вкуса, цвета и запаха могут имитировать любой белковый продукт. Таким способом уже получены искусственное мясо (говядина, свинина, различные виды птиц), молоко, сыры и другие продукты. Они уже прошли широкую биологическую апробацию на животных и людях и вышли из лабораторий на прилавки магазинов США, Англии, Индии, стран Азии и Африки. Только в одной Англии их производство достигает примерно 1500 тонн в год. Интересно, что белковую часть школьных обедов в США уже разрешено на 30 процентов заменять искусственным мясом, созданным на основе соевого белка.
Используемое в питании больных Ричмондского госпиталя (США) искусственное мясо получило высокую оценку главного диетолога. Правда, когда больным давали антрекот из искусственного мяса, они жаловались на его тестоватость, хотя и не знали и даже не догадывались о том, что получали не естественный продукт. А когда мясо подавалось в виде мелко нарезанных кусочков, нареканий не было. Обслуживающий персонал также употреблял искусственное мясо, не догадываясь о подделке. Они воспринимали его как натуральную говядину. Врачи госпиталя отмечали также положительное влияние рациона на здоровье пациентов и особенно больных атеросклерозом. В состав такого мяса обязательно включают специально обработанный искусственный белок, небольшое количество яичного альбумина, жиры, витамины, минеральные соли, природные красители, ароматизаторы и прочее, что дает возможность «лепить» изделие с заданными свойствами, учитывая при этом физиологические особенности организма, для которого продукт предназначен. Это особенно важно в диете детей и людей пожилого возраста, больных и выздоравливающих, когда необходимо лимитировать питание по целому ряду пищевых компонентов, что весьма трудно сделать, используя традиционные продукты. Такое мясо можно резать, замораживать, консервировать, сушить или прямо использовать для приготовления различных блюд.
Из 20 аминокислот, входящих в состав белков, 8 аминокислот люди не могут синтезировать, и их относят к незаменимым. Это изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, валин, фенилаланин. Аминокислоты — это не только питательные вещества, но также ароматические и вкусовые агенты, и потому они широко используются в пищевой промышленности.
Как питательную добавку в пищу чаще всего вносят лизин и метионин. Глутамат натрия и глицин употребляют как ароматические вещества для усиления и улучшения вкуса пищи. У глицина освежающий, сладкий вкус. Его вводят в сладкие напитки, и кроме того, он проявляет там бактериостатическое действие. Цистеин предотвращает подгорание пищи, улучшает пекарские процессы и качество хлеба. Благодаря некоторым бактериям удается получать около 100 г/л глутаминовой аминокислоты. Ежегодно в мире производят микробиологическим способом 270 000 т этой аминокислоты, основная часть которой идет в пищевую промышленность. По объему продукции второе место после глутаминовой кислоты занимает лизин — 180 000 т в год. Другие аминокислоты производят в гораздо меньших количествах.
Аминокислоты в большом количестве применяют как добавку к растительным кормам, которые дефицитны по метионину, треонину, триптофану и особенно по лизину. Если в животных белках содержится 7—9 % лизина, то в белках пшеницы — только около 3 %. Внесение в корма лизина до содержания 0,3 % позволяет сократить их расход больше чем на 20 %. За последние 8 лет количество аминокислот, добавляемых в корма, выросло в 14 раз. Во многих странах метионин добавляют к соевой муке — белковой добавке кормов. Главная область практического применения аминокислот — обогащение кормов. Около 66 % общего количества аминокислот, получаемых в промышленности, используют в кормах, 31 % — в пище и 4 % — в медицине, косметике и как химические реактивы. На основе аминокислот готовят искусственный подсластитель — метиловый эфир L-аспартил-L-фенилаланина, который в 150 раз слаще, чем глюкоза.
2. Пути обмена веществ у микроорганизмов
При сравнительно бедных морфологических признаках микроорганизмы отличаются большим разнообразием осуществляемых ими в природе превращений веществ. Микроорганизмы в совокупности с другими группами микроорганизмов выполняют колоссальную химическую работу. При их участии происходит разложение сложных органических веществ — растительных и животных остатков — до простых минеральных соединений: углекислоты, аммиака, нитратов, сульфатов и др., — которые вновь ассимилируются растениями, а затем поступают в организм животного. Таким образом, на Земле осуществляется в колоссальном масштабе круговорот жизненно необходимых элементов: углерода, азота, серы, фосфора, железа и др., и микроорганизмы являются важнейшим звеном в этом процессе.
Превращая различные соединения, микроорганизмы получают необходимую для их жизнедеятельности энергию и питательные вещества. Процессы обмена веществ, способы добывания энергии и потребности в материалах для построения веществ своего тела у бактерий чрезвычайно разнообразны.
Одни из бактерий нуждаются в готовых органических веществах — аминокислотах, углеводах, витаминах, — которые должны присутствовать в среде, так как сами не могут их синтезировать. Такие микроорганизмы называются гетеротрофами. Другие микроорганизмы все потребности в углероде, необходимом для синтеза органических веществ тела, удовлетворяют исключительно за счет углекислоты. Они называются автотрофами.
По своим потребностям гетеротрофы очень разнообразны: некоторые из них нуждаются в большом наборе аминокислот, витаминов, углеводов и т. д.; другие требуют наличия в среде лишь небольшого числа готовых аминокислот, потребности в витаминах у них могут быть ограничены. Есть и такие формы, которые могут сами синтезировать все вещества: белки, сахара, жиры и т. д., если в среде, где происходит их развитие, присутствует всего одно или несколько простых органических соединений. Такие гетеротрофные организмы ближе стоят к автотрофам.
Каждый организм для поддержания жизни и осуществления процессов, совокупность которых составляет обмен веществ, нуждается в постоянном и непрерывном притоке энергии. Гетеротрофные микроорганизмы получают энергию при окислении органических веществ кислородом или при сбраживании (без участия кислорода).
Типы окислительных процессов в мире бактерий исключительно разнообразны. Эти микроорганизмы могут окислять любые имеющиеся в природе органические вещества. Если бы в природе существовало какое-либо органическое вещество (продукт животного или растительного происхождения), которое не могло бы быть окислено каким-либо микробом, то оно неизбежно накапливалось бы на поверхности Земли, а этого не происходит. Только в недрах, изолированных от кислорода, могут сохраняться органические вещества — нефть, уголь. Против микробного окисления не могут устоять даже искусственно полученные синтетические вещества, отсутствующие в природе. Но не каждый вид бактерий может разлагать все органические вещества.
Есть формы, приспособленные к использованию лишь небольшого числа веществ, есть и более универсальные.
Более того, микроорганизмы способны окислять не только органические, но и неорганические соединения. Окисление бактериями неорганических веществ — серы, аммиака, нитратов, соединений железа, водорода и др., в процессе которого происходит синтез органических веществ из углекислоты, называется хемосинтезом, а микроорганизмы, осуществляющие этот процесс, — хемосинтетиками.
Различные вещества могут окисляться не только кислородом воздуха, но и соединениями, богатыми кислородом: нитратами, сульфатами и карбонатами. Денитрифицирующие и такие специализированные микроорганизмы, как десульфатирующие и метановые, в анаэробных условиях могут окислять органические, а также неорганические вещества при помощи этих соединений, которые при этом восстанавливаются соответственно до азота, аммиака, водорода и метана.
Особенностью окисления органических веществ бактериями, как и другими микробами, является то, что оно не обязательно идет до конца как дыхание, т. е. до образования углекислого газа и воды, и в среде остаются продукты неполного окисления.
Механизмы окислительных процессов у микроорганизмов часто включают те или иные стадии дыхания. Огромное разнообразие окисляемых веществ предполагает существование разных механизмов окисления.
3. Основные направления применения биотехнологических процессов в пивоварении
Получение напитков путем спиртового брожения — одно из древнейших бродильных производств. Первыми из таких напитков были, видимо, вино и пиво. До появления работ Пастера в конце XIX в. о сути протекающих при брожении процессов и их механизмах было известно очень мало. Пастер показал, что брожение без доступа воздуха осуществляется живыми клетками дрожжей, при этом сахар превращается в спирт и углекислый газ. Тогда же было показано, что брожение осуществляется под действием каких-то веществ, находящихся внутри дрожжевых клеток.
Одно из главных нововведений в области микробиологии брожения было предложено Хансеном, работавшим в исследовательском центре Карлсберг в Копенгагене с дрожжами дикого типа. При производстве пива эти дрожжи доставляли массу неудобств. Хансен выделил чистые культуры дрожжей и использовал их в пивоварении; тем самым он стал пионером применения таких культур при производстве пива.
Алкогольные напитки получают путем сбраживания сахарсодержащего сырья, в результате которого образуются спирт и углекислый газ. Сбраживание осуществляется дрожжами рода Saccharomyces. В одних случаях используется природный сахар (например, содержащийся в винограде, из которого делают вино), в других сахара получают из крахмала (например, при переработке зерновых культур в пивоварении). Наличие свободных сахаров обязательно для спиртового брожения при участии Saccharomyces, так как эти виды дрожжей не могут гидролизовать полисахариды. В производстве спиртных напитков применяют штаммы дрожжей Saccharomyces cerevisiae или S. carlsbergensis. Различие между ними заключается в том, что S. carlsbergensis могут полностью сбраживать раффинозу, a S. cerevisiae к этому не способны.
Для осуществления спиртового брожения при пивоварении прежде всего необходимо, чтобы в пивоваренном сырье образовался сахар. Традиционным источником нужных для этого полисахаридов всегда был ячмень, но в качестве дополнительных используются и другие виды углевод-содержащего сырья. И сегодня ячменный солод составляет основу пива.
Ячменный солод и другие компоненты измельчают и смешивают с водой при температуре до 67 °С. В ходе перемешивания природные ферменты ячменного солода разрушают углеводы зерна. На заключительной стадии раствор, называемый суслом, отделяют от нерастворимых остатков. Добавив хмель, его кипятят в медных котлах. Для производства пива с определенным содержанием алкоголя сусло после кипячения доводят до нужной плотности. Удельная плотность сусла определяется содержанием экстрагированных сахаров, подлежащих сбраживанию. По истечении определенного времени брожение заканчивается, дрожжи отделяют от пива и выдерживают его некоторое время для созревания. После фильтрации и других необходимых процедур пиво готово.
Начатое по инициативе Хансена использование индивидуальных штаммов дрожжей в пивоварении сегодня стало нормой: это культуры S. cerevisiae и S. carlsbergensis. Первые представляют собой дрожжи поверхностного и глубинного брожения: они применяются в производстве эля. Вторые — дрожжи глубинного брожения, их используют в производстве легкого пива. Хотя генетика дрожжей развивается уже в течение многих лет, мы лишь недавно научились осуществлять селекцию дрожжей, используемых в производстве пива. По мере углубления наших знаний о свойствах дрожжей и тех качествах, которые они придают конечному продукту, все успешнее идет работа по выведению новых штаммов пивных дрожжей. В конечном счете мы сможем создать штамм, позволяющий получить идеальный пивной продукт. Требования к таким идеальным дрожжам будут, естественно, зависеть от способа сбраживания и желаемых качеств пива.
К числу наиболее важных свойств дрожжей относятся продуктивность, способность формировать осадок, сбраживать мальтотриозу и т. д. Принимаются во внимание и вкусовые качества получающегося пива, т. е. образование веществ, ответственных за их формирование. Ранее основным способом получения штаммов, дающих продукт нужного качества, был их отбор из существующих пивных дрожжей. Вести отбор было выгоднее, чем заниматься гибридизацией, отчасти из-за малой способности пивных дрожжей к спорообразованию и низкой жизнеспособности аскоспор. В каждом аске образуется от одной до четырех спор, но не все они освобождаются при созревании. Дрожжи из рода Sacharomyces размножаются в основном вегетативно. При этом за счет множественного латерального почкования формируются сферические, эллипсоидные или реже цилиндрические дочерние клетки.
Поскольку для развития технологии пивоварения могут понадобиться штаммы дрожжей, отличающиеся по свойствам от обычно используемых, придется прибегнуть к гибридизации. Основным вкладом биотехнологии в пивоваренную промышленность будет создание штаммов дрожжей, способных давать пиво с желаемыми свойствами.
Список используемой литературы
1. «Сельскохозяйственная биотехнология» по ред. В.С. Шевелухи, Москва: Высшая школа, 2003
2. «Основы биотехнологии», Дроздова Т.Е., Иванова Е.П., Москва: МГОУ, 2001
3. «Биотехнология», Т.Г. Волова, Новосибирск: Изд-во Сибирского отделения Российской Академии наук, 1999
www.ronl.ru
