Біотехнології

Биотехнологии

Удивительными відкриттями у науці й грандіозним науково-технічний прогрес ознаменувався XX століття, проте науково-технічний прогрес у вигляді має негативні боку: вичерпання копалин ресурсів забрудненню довкілля, зникнення багатьох видів рослин та тварин, глобальне зміна клімату, поява озонових дір над полюсами Землі тощо. Зрозуміло, що така шлях веде в глухий кут. Потрібно принципову зміну вектора розвитку. Біотехнологія може внести вирішальний внесок у розв’язання глобальних проблем человечества.

Биотехнология — це використання живих організмів (чи його складових частин) в практичних цілях. Коли говорять про сучасної біотехнології, подібна визначення доповнюють словами: з урахуванням досягнень молекулярної біології. Не зробити подібного додавання, то під визначення «біотехнологія «потраплять і традиційне с/г, тваринництво і з галузі харчової промисловості, використовують мікроорганізми. Далі ми зупинимося одному з видів біотехнології, саме на генної інженерії, яка відкриває цілком нові шляху до медицині хімії, у виробництві Енергії, нових матеріалів, в охороні довкілля. Генна інженерія — це технологія маніпулювання речовиною спадковості - ДНК.

Сегодня вчені можуть у пробірці розрізати молекулу ДНК в бажаному місці, ізолювати і очищати окремі її фрагменти, синтезувати їх із двох дезоксирибонуклеотидов, можуть зшивати такі фрагменти. Результатом таких маніпуляцій є «гібридні «, чи рекомбинантные молекули ДНК, до цього був у природе.

Годом народження генної інженерії вважається 1972 рік, як у лабораторії Пола Берга США була отримана у пробірці перша рекомбінантна реплицироваться, тобто. розмножуватися, в бактерії кишкової палички E.сoli. Саме поява генної інженерії стало можливим фундаментальним відкриттям у молекулярній биологии.

В 60-ті роки вчені розшифрували генетичного коду, тобто. встановили, кожна амінокислота в білці кодується триплетом нуклеотидів в ДНК. Особливо важливим є, що генетичного коду універсальний для живого світу. Це означає, що все світ «розмовляє «однією мовою. Якщо передати у якуабо клітину «чужорідну «ДНК, то інформація, у ній закодована, буде правильно сприйнята клітиною реципиентом.

Далее було встановлено, що є спеціальні послідовності ДНК, що визначають початок і закінчення транскрипції, трансляції, реплікації. Практично всі ці системи, у першому наближенні, байдужі до послідовностям ДНК, розташованим між даними сигналами. Треба сказати, які самі сигнали різняться у різних організмах. З усього сказаного слід, що й взяти якийсь структурний ген (например людини) і in vitro забезпечити його сигналами, притаманними гена бактеріальної клітини, така структура, помещённая в бактеріальну клітину, зможе до синтезу людського белка.

Принципиальная особливість генної - здатність створювати структури ДНК, що ніколи не утворюються у живої природи. Генна інженерія подолала бар'єр, що у живому світі, де генетичний обмін відбувається лише у межах виду чи близькоспоріднених видів організмів. Вона дозволяє переносити гени вже з живого організму будь-якій іншій. Ця нова техніка відкрила безмежні перспективи створення мікроорганізмів, рослин та тварин з новими корисними свойствами.

Конечно, порушення бар'єрів живої природи може таїти би потенційно небезпечним. Ось чому в всіх розвинених країн світу правила роботи, закони, регулюючі генно-инженерную діяльність. Закон про «генно-інженерної діяльності «діє і парламентом РФ у липні 1996 г.

Невозможно розповісти про всі аспекти застосування техніки генної інженерії у біотехнології чи наукові дослідження. Наведемо лише кілька прикладів, ілюстрували можливості цього метода.

Одно з найважливіших напрямів генної інженерії - виробництво ліків нового покоління, що становлять біологічні активні білки людини. Слід нагадати, що у вона найчастіше білки людини (як та інших тварин) видоспецифичны, тобто. на лікування людини, можна використовувати лише білки людини. У результаті виникають проблеми отримання людських білків в потрібних количествах.

В зв’язку з сказаним цікава історія отримання інтерферонів. У 1957 р. англійські вчені Иссаакс і Линдельман виявили, що миші, хворіли грипом, не піддаються інфекції іншими, небезпечнішими вірусами. Дослідження спостережуваного явища дійшли висновку, клітини тварин і людини у відповідь вірусну інфекцію виділяють якесь речовина, що робить оточуючі здорові клітини стійкими до вірусної інфекції. Це речовина (чи речовини) одержало назву интерферона.

В протягом наступних 20 років велися інтенсивні дослідження. Встановлено, що інтерферони — групи білків, які стосуються 3 класам — alpha, betta і gamma. Лейкоцити крові виділяють інтерферон типу alpha, фибробласты типу betta і Tлейкоцити типу gamma. Інтерферони виділили, очистили й виявили їх ефект як противірусних ліків. З іншого боку, ці білки виявилися ефективними при лікуванні розсіяного склерозу та деякі видів раку. Єдиним перешкодою для використання інтерферонів була її мала доступність. Вони синтезувалися в дуже малих кількостях: джерелом їх отримання була чи донорська кров, чи культура клітин людини. На жаль, ці джерела собі не дозволяли отримувати інтерферони у кількості, потрібних медицине.

В 1980 — 1985 рр. у кількох лабораторіях світу, зокрема та СРСР, виділили гени людини, що визначають синтез інтерферонів, та в бактерії. Такі бактерії стали здатні синтезувати людський інтерферон. Дуже важливо було, що вони швидко ростуть, використовують дешеву сприятливе середовище і синтезують велике кількість білка. З 1 л бактеріальної культури можна назвати стільки людського інтерферону alpha, як з 10 тис. л. донорської крові. Отриманий білок абсолютно ідентичний інтерферону, синтезируемому в організмі людини. Звісно, довелося розв’язувати складне завдання очищення інтерферону, отриманого способом генної інженерії, до гомогенного состояния.

Ещё 4 — 6 років зайняли доклінічні і клінічних досліджень. Нарешті 1989 -1990 рр. з’явилися нові ліки — людський інтерферон alpha; у Росії він випускається під назвою «реаферон ». За роботу група учених визнана гідною Ленінської премии.

Сегодня це майже єдиний препарат, який ефективний проти вірусним гепатитам як і гострої, і у хронічних формах, проти герпесу, простудних захворювань. Інтерферон застосовується й в терапії деяких видів раку. У світі з 1994 р. випускаються препарати betta і gamma — інтерферонів человека.

Из інших препаратів рекомбінантних білків людини, отримали широке медичне застосування, слід назвати інсулін, гормон зростання, еритропоетин. Свинячої інсулін відрізняється від людського всього однією амінокислотою. Застосовується з 1926 р. на лікування у инсулинзависимом цукровому діабеті. Для гормону розвитку і эритропоэтина відзначається, як й у інтерферонів, видоспецифичность білків. Генна інженерія відкрила нову зокрема можливість використання цих білків в медицині. Гормон зростання застосовується як для боротьби з карликовостью, а й широко використовують як стимулятор для загоєння ран, зрощування кісток. Гормони зростання тварин почали залучити до с/г (збільшення на 15% удою корів, прискорення зростання риб). Еритропоетин — стимулятор кровотворення і використовується під час лікування різноманітних анемий.

В справжнє час у світі одержали дозвіл застосування понад 34 препаратів, створених методами генної інженерії, і більше 200 перебувають у різних стадіях клінічних досліджень. Нині 20% фармацевтичного ринку ліків становлять ліки нової биотехнологии.

Использование рекомбінантних білків людини — принципово нова терапія. Не вводиться нічого чужого. Справді, тоді як ньому бракує інсуліну чи гормону зростання, їх додають (замісна терапія). З вірусами організм сам з допомогою інтерферонів — людина просто допомагає ему.

Значительные успіхи були досягнуті у генної інженерії рослин. У основі цієї техніки лежать методи культивування клітин та тканин рослин, у пробірці і можливість регенерації цілого рослини із окремих клеток.

В генної інженерії рослин є свої проблеми. Один із них у тому, що чимало корисні властивості рослин кодуються не одним, а багатьма генами. Це важким чи неможливим пряме генно-инженерное вдосконалення властивостей. Інше перешкода, яке поступово долається, — труднощі культивування і регенерації клітин на ціле рослина серед деяких видів, наприклад злаків. Найкращі результати отримано у разі, коли перенесення одного гена можуть призвести до появи у рослини корисного свойства.

Несмотря на обмеження, отримані вражаючі результати: створено сорти бавовнику, томатів, тютюну, рису, стійких до комах-шкідників, вірусам, грибкових захворювань. Піонер у сфері застосування генно-інженерних рослин, у с/г — США. Тут у 1996 року до 20% посівів бавовнику вироблено насінням, модифікованими методом генної инженерии.

Создание генно-інженерних (їх нині називають трансгенними) тварин має самі принципові труднощі, як і створення трансгенних рослин, саме: множинність генів, визначальних господарським цінні ознаки. Проте, є швидко розвиваючись область, що з створенням трансгенних тварин — продуцентів біологічно активних белков.

В вищих організмах конкретні гени кодують виробництво білків у певних тканинах. Хоча усі гени зберігають у кожній клітині, спеціалізованими клітинах працюють тільки з них, цим правилом і визначається тканинна специфічність. Прикладом може бути виробництво білків молока (козеин, лактальбумин) у молочних кайданах. Є можливість підставити потрібний нам ген під регуляторні послідовності, наприклад казеїну, й одержати чужорідний білок у складі молока. Важливо у своїй, що тварина почувається нормально, оскільки чужій ген працює лише у процесі лактации.

В світі, вже існують сотні трансгенних овець та кіз, які продукують в молоці від десятків міліграм за кілька грам біологічно активних білків людини у 1 л молока. Такий метод виробництва економічно вигідний і екологічно чистіше, хоча і жадає від учених великих зусиль і часу під час створення трансгенних тварин проти створенням генно-інженерних микроорганизмов.

С молоком трансгенних тварин можна одержувати як ліки. Відомо, що з виробництва сиру високої якості необхідний фермент, створаживающий молоко, — реннин. Цей фермент видобувають з шлунків молочних телят. Він шляхів та який завжди доступний. Нарешті, генні інженери сконструювали дріжджі, котрі почали виробляти цей цінний білок при микробиологическом синтезе.

Следующий етап генної інженерії - створення трансгенних овець, які синтезують химозин в молоці. Невеликий стадо наших овець у Росії перебуває в Ленінських Горках під Москвою. Ці вівці синтезують до 300 мг/л ферменту в молоці. Для процесу сироваріння білок годі й виділяти, а використовувати просто складі молока.

Возможна експансія біотехнології у сфері, що сьогодні повністю належать хімії. Це — биокатализ (замість хімічного каталізу) й побудувати нові матеріали. Одне з процесів биокатализа, успішно реалізованого у промисловості, — отримання акриламида з акрилонитрила.

CH2=CH-CN -> CH2=CH-C=0.

|.

NH2.

Акриламид служить вихідним мономером щоб одержати полімерів і сополимеров, широко використовуваних при очищенні води та стоків, у справі, при осветлении соків і вин, приготуванні фарб та т.п.

До недавнього часу процес гідролізу нитрила вели при 105 З у присутності сірчаної кислоти. Після закінчення процесу сірчану кислоту нейтралізували аміаком. Велике кількість сірчанокислого амонію, врешті-решт опинявся у річках. Були великі витрати енергії, швидко зношувалося устаткування, і якість акриламида залишало бажати лучшего.

В 1987 року вчені з інституту генетики і селекції промислових мікроорганізмів спільно із своїми колегами з Саратовського філії Інституту почали шукати в природі мікроорганізмів, які б перетворювати акрилонитрил в акриламід, Такі мікроорганізми знайшли. Після низки маніпуляцій отримані мікроорганізми, синтезирующие 10 тис. разів більше ферменту — нитрилгидратазы, відповідального за трансформацію акрилонитрила.

Достижения вчених реалізовані практично. В одному заводи, випускаючий антибіотики, налагоджений випуск биокатализатора, тобто. потрібних мікроорганізмів, а ще на 3 заводах здійснено процес биокаталитического отримання акриламида. Процес здійснюється за кімнатному тиску і температурі, отже, мало энергоёмок. Процес практично немає ніякого відходів, екологічно чистий. Одержуваний новим методом акриламід має високий чистоту, це важливо, оскільки більша частина далі полимеризуется в полиакриламид, а якість полімеру дуже залежить від чистоти мономера.

Другой приклад належить немає биокатализу, а до биоматериалам. Вчені давно звернув увагу на дуже цінні механічні властивості матеріалу, з яких павуки плетуть сети.

Паутинка приблизно 100 раз тонше за людську волосину, цей матеріал м’якше бавовни, міцніше стали, має унікальної еластичність, мало змінює властивостей за зміни температури, матеріал є ідеальним багатьом практичних цілей: парашутного корду, бронежилетів тощо. Питання, де взяти грошей велике кількість павутиння по вихідної цене?

На допомогу прийшла генна інженерія. Вчені виділили гени, відповідальні синтез білків павутиння, і перенесли в мікроорганізми. У 1995р. з’явилося повідомлення американських дослідників, що у мікроорганізмах справді синтезується потрібний білок. Отже відкривається шлях до промисловому микробиологическому синтезу нового материала.

Обычно для зростання мікроорганізмів використовуються дешеві крохмаль, патока та інші с/г продукти, тобто. поновлюване сырьё.

Нужно відзначити. Що бактерії синтезують не нитки, а аморфний білок як і, як і павуки. Нитка утворюється, коли павук видавлює білок з сопла своїх желёз. Технічно можливо імітувати той процес, протискаючи аморфний білок через дуже тонкі отвори. Перші нитки з мікробіологічного білка вже отримані. Є реальна можливість поліпшити чудові якості павутиння, внісши деякі зміни у аминокислотную послідовність белка.

Приведённые приклади далеко ще не охоплюють всіх практичних аспектів застосування генної інженерії. Не стосувалися питань енергетики, охорони середовища, видобутку корисних копалин, мікробіологічної промисловості, і навіть дуже важливого питання — ролі генної інженерії у розвитку самої молекулярної биологии.

Новая «Зелена революція», що вже почалася, дасть рослини, які потребуватимуть пестициди, а майбутньому — й у азотних добривах. Припинення использования Химических пестицидів різко поліпшить стан довкілля, скоротить витрати нафти і газу з їхньої виробництво (на 3%). З’являться нові матеріали нові ліки, високопродуктивні тварини, нові харчові продукты.

По висновку експертів конгресу США, «біотехнологія найбільше змінить образ життя людей XXI веке».

Список литературы

Для підготовки даної праці були використані матеріали із російського сайту internet.