Современное состояние и перспективы биотехнологии

Биотехнология — это наука о методах и технологиях производства различных ценных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов (микроорганизмов, растительных и животных клеток), частей клеток (клеточных мембран, рибосом, митохондрий, хлоропластов) и процессов.

Корни биотехнологии уходят в далёкое прошлое и связаны с хлебопечением, виноделием и другими способами приготовления пищи, известными человеку ещё в древности.

Наукой биотехнология стала благодаря исследованиям и работам французского учёного, основоположника современной микробиологии и иммунологии Луи Пастера.

В конце XIX в. благодаря его трудам было установлено, что процессы брожения осуществляют микроорганизмы.

В 20-е годы был создан метод бактериального производства молочной кислоты, крайне необходимой для ослабленных и рахитичных детей.

В 70-е годы появился и активно развивался биоинженеринг, представленный двумя основными направлениями: генной и клеточной инженерией.    

Генная инженерия — это целенаправленный перенос нужных генов (рекомбинантных ДНК) от одного вида живых организмов в другой, часто очень далёких по своему происхождению.

Генная инженерия направлена на конструирование новых, не существующих в природе сочетаний генов.

После проведения определённых манипуляций с этими генами осуществляется их введение в другие организмы (бактерии и дрожжи, например), которые, получив новый ген (гены), будут способны синтезировать конечные продукты с изменёнными в нужном человеку направлении свойствами. Иными словами, генная инженерия позволяет получать заданные (желаемые) качества изменяемых или генетически модифицированных организмов или так называемых трансгенных ― генетически измененных, растений и животных.

В наши дни при помощи методов генной-инженерии учёные создают: растения-вакцины, растения-биореакторы для производства промышленных продуктов, растения — фабрики лекарств и т.д.

Введение генов, отвечающих за выработку антител, в генотипы сельскохозяйственных растений позволит человеку в будущем обойтись без лекарств. Использование таких организмов в пищу позволит снабжать организм антителами, что создаст надёжную защиту от инфекций. 

Генно-модифицированные растения являются дешёвым и безопасным источником для получения полностью функциональных лекарственных белков (антител, вакцин, ферментов и др.) как для человека, так и для животных.

Генно-инженерные работы в животноводстве имеют другую задачу. Вполне достижимой целью при современном уровне технологии является создание трансгенных животных с определённым целевым геном. Например, ген какого-нибудь ценного гормона животного (например, гормон инсулин) искусственно внедряется в бактерию, которая начинает продуцировать его в больших количествах.

Ранее инсулин получали из клеток поджелудочной железы животных. Например, для получения 100 г кристаллического инсулина требуется 800─1000 кг поджелудочной железы, а одна железа коровы весит 200─250 грамм. Это делало инсулин дорогим и труднодоступным для широкого круга диабетиков. В 1978 году исследователи из фармацевтической компании "Генентек" впервые получили инсулин в специально сконструированном штамме кишечной палочки.

Из 1000 литров культуральной жидкости можно получать до 200 грамм гормона, что эквивалентно количеству инсулина, выделяемого из 1600 кг поджелудочной железы свиньи или коровы.

Получение трансгенных животных осуществляется с помощью переноса клонированных генов (ДНК) в ядра оплодотворённых яйцеклеток (зигот). Затем в репродуктивные органы реципиентной самки пересаживают модифицированные зиготы или яйцеклетки, у которых собственное ядро заменено на модифицированное ядро эмбриональных клеток.

Клеточная инженерия основана на культивировании отдельных клеток или тканей на искусственных питательных средах.

Такие клеточные культуры используются для синтеза ценных веществ, необходимых человеку, например лекарств, а также для получения клеточных гибридов.

Предпосылкой к развитию клеточной инженерии стала клеточная технология. Её методы позволяют выращивать отдельные соматические клетки (то есть не половые клетки) на питательных средах.

Любой биотехнологический процесс включает ряд этапов:

подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование полученных продуктов.

Микроклональное размножение растений (вегетативное размножение растений) проводится в стерильных условиях.

Кусочек растения (стебля, корня, листа) помещают на питательную среду.

Питательная среда представляет собой субстрат желатиноподобной структуры, который содержит все вещества, необходимые для удовлетворения пищевых и энергетических потребностей культивируемых микроорганизмов и других биологических объектов.

Далее чашки с растительными кусочками помещают в специальные условия с необходимым световым и температурным режимом. Через несколько дней на месте среза образуется тканевой наплыв, называемый каллусом. Кусочек такой ткани можно перенести на свежую питательную среду, где сформируется растение.

В основе этого метода лежит уникальная способность растительной клетки путём деления дать начало любому клеточному типу организма.

Таким образом, вегетативное размножение на искусственных питательных средах позволяет почти бесконечно размножать одно растение из маленьких кусочков вегетативных органов. Такой метод размножения применяется для овощных, плодовых и декоративных культур.

Также при помощи этого метода можно получать сорта и виды растений, которые трудно размножаются обычным способом. В результате сохраняется генофонд и создаётся коллекция в условиях инвитро (то есть в пробирке).

Несколько клеток (эксплант) помещают на питательную среду, на которой в результате митотического деления клеток образуется однородная неспециализированная клеточная маса. При ее разделении и добавлении необходимых растительных гормонов обеспечивается дифференцировка клеток и рост, так получают растение идентичное родительскому.

Затем культуральный сосуд с растительными эксплантами помещают в термостат, где созданы определённые температурные условия.

После выведения растения в стерильных условиях его переносят для адаптации в нестерильные условия, где растение постепенно привыкает к естественным природным условиям.

Таким образом, при помощи клеточной инженерии можно получать безвирусные, оздоровлённые, генетически идентичные исходному материалу посадочные материалы, которые не только внешне похожи на исходный материал, но и имеют абсолютно одинаковую генетическую информацию.

При помощи данных методов можно в больших количествах выращивать растения, которые растут только в определённых климатических условиях. Например, женьшень — многолетнее лекарственное растение, которое растёт очень медленно, причём только в особых условиях. Прирост корня составляет всего несколько граммов в год. На фармацевтических заводах в специальных сосудах за 21 день получают до 100 г биомассы женьшеня на литр питательной среды.

Сборщики женьшеня ежегодно заготавливают около 250 кг корней, а микробиологическая промышленность вырабатывает свыше 5 т массы клеток.

Биотехнологические методы применяют также и в экологии. Установлено, что микроорганизмы способны к биодеградации (разрушению) углеводородов. Тем самым они очищают почву и воду от загрязнения нефтепродуктами. 

В колбе слева вы видите слой нефти на поверхности воды. В колбе справа находятся бактерии, которые уже начали разрушать нефть.

Бактерий также используют для очистки городских водоёмов, сточных вод.

Биотехнология позволяет получать экологически чистые виды топлива путём биопереработки отходов промышленного и сельскохозяйственного производств. Например, созданы установки, в которых используются бактерии для переработки навоза и других органических отходов в биогаз. Из 1 т навоза получают до 500 м3 биогаза, что эквивалентно 350 л бензина, при этом качество навоза как удобрения улучшается.

Учёные обнаружили, что бактерии, помещённые в специальные условия, во время очистки ила начинают генерировать электричество.

В колбе объёмом 10 миллилитров бактерии генерируют 0,7 вольт. То есть бактерии способны не только к очищению, но и к выделению электричества.

Главным объектом биотехнологического процесса является клетка. В ней ежеминутно синтезируются сотни сложнейших соединений.

Основа современного биотехнологического производства — это синтез различных веществ с помощью клеток микроорганизмов (бактерий, водорослей, дрожжей).  

Клетки высших растений и животных ещё не нашли широкого применения ввиду их высокой требовательности к условиям культивирования.

Микробиологическая технология основана на культивировании специально выведенных штаммов бактерий и грибов для промышленного получения антибиотиков, гормонов, витаминов, ферментов, кормовых белков.

В производстве кормового белка используются особые штаммы грибов-дрожжей. В специальных аппаратах-биореакторах — они сбраживают растительное сырье, главным образом солому, являющуюся отходом растениеводства.

С 1 кубометра биореактора за сутки получают 30 кг белка, что эквивалентно суточному приросту биомассы стада из 100 коров.

Этот белок затем используется как ценная питательная добавка в корма с/х животных.

Так, 1 т кормовых дрожжей позволяет сэкономить 5─7 т зерна. Это имеет большое значение, поскольку 80 % площадей сельскохозяйственных угодий в мире отводятся для производства корма скоту и птице.

Учёными были выведены дрожжи, способные синтезировать белок из углеводородов нефти, что позволяет их использовать для биологической очистки водоёмов от промышленного загрязнения мазутом и бензином.

Особенностью биотехнологии является то, что она сочетает в себе самые передовые достижения научно-технического прогресса с накопленным опытом прошлого, который выражается в использовании природных источников для создания полезных для человека продуктов.

Биотехнология изучает возможность использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии.