Генетика как научный фундамент биотехнологии

 Генетика  как научный фундамент  биотехнологии  

 1. Основы  биотехнологии. Задачи биотехнологии.  Структура современной биотехнологии

 2. Клеточная  инженерия: достижения и перспективы

 3. Генная  инженерия: достижения и перспективы

 4. Генетические  основы высоких технологий  

 1. Основы биотехнологии.  Задачи биотехнологии.  Структура современной  биотехнологии  

 Биотехнология – это область  человеческой деятельности, которая характеризуется  широким использованием биологических систем всех уровней в  самых разнообразных  отраслях науки, промышленного  производства, медицины, сельского хозяйства  и других сферах.

 Биотехнология отличается от технологий сельского  хозяйства, в первую очередь, широким  использованием микроорганизмов: прокариот (бактерий, актиномицетов), грибов и водорослей. Это связано с тем, что микроорганизмы способны осуществлять самые разнообразные биохимические реакции.  

 Традиционные  биотехнологии, существующие уже тысячи лет, используют существующие в природе микроорганизмы…

 – для производства продуктов питания (хлебопечение, производство молочнокислых продуктов);

 – для производства алкогольных напитков (пивоварение, виноделие);

 – для производства промышленных товаров (кожевенное, текстильное  производство);

 – для повышения  плодородия почв (использование органических и зеленых удобрений).

 Традиционные  биотехнологии сложились на основании  эмпирического опыта многих поколений  людей, они характеризуются консерватизмом и сравнительно низкой эффективностью. Однако в течение XIX–XX столетий на основе традиционных биотехнологий начали формироваться технологии более высокого уровня: технологии повышения плодородия почв, технологии биологической очистки сточных вод, технологии производства биотоплива.  

 Использование микроорганизмов  для повышения  плодородия почв. Микроорганизмы издавна используются при производстве органических удобрений (компостов) путем переработки биологических отходов. Особую группу составляют азотфиксирующие микроорганизмы: свободноживущие и симбиотические. Например, культуры симбиотических бактерий рода Ризобиум в виде бактериальных удобрений (нитрагина и ризоторфина) вносятся в почву при посеве бобовых растений (люцерны, клевера, люпина). В дальнейшем бактерии в составе клубеньков обеспечивают фиксацию атмосферного азота и его накопление в почве. Сконструированные штаммы микроорганизмов неконкурентоспособны по отношению к своим «диким» родичам, поэтому их нужно разводить в искусственных условиях и ежегодно вносить в почву.

 Биологическая очистка сточных  вод. С начала ХХ в. микроорганизмы в сочетании с химическими методами используются для биологической очистки сточных вод. Интенсивную очистку производят в особых ёмкостях: аэротенках, метантенках. Различают две технологии минерализации (очистки вод от органических загрязнителей): аэробную и анаэробную. При аэробной минерализации в аэротенках используется активный ил, содержащий бактерий и одноклеточных гетеротрофных эукариот. В результате такой очистки происходит полное окисление органических веществ. При анаэробной минерализации вметантенках происходит сбраживание органических веществ с образованием метана, который в дальнейшем используется как топливо (биогаз). Для разложения синтетических органических веществ (например, моющих средств) используют бактерий, полученных путем искусственного мутагенеза. Некоторые микроорганизмы используются для избирательного накопления отдельных химических элементов: диатомовые водоросли для накопления кремния, железобактерии для накопления железа и т.д. Эти же микроорганизмы используются для обогащения металлургического сырья.

 Производство  биотоплива. К биологическому топливу относятся углеводороды и спирты, полученные путем переработки различных органических отходов с помощью микроорганизмов. Например, отходы крахмального и сахарного производства, текстильной  и деревообрабатывающей промышленности служат сырьем для производства спирта и биогаза – дешевого топлива для автомобильных двигателей и других силовых установок. Отметим, что спирты и биогаз относятся к экологически чистым видам топлива – при их сжигании образуются полностью окисленные соединения.  

 Структура современной биотехнологии

 Современная биотехнология включает ряд высоких  технологий, которые базируются на последних достижениях экологии, генетики, микробиологии, цитологии, молекулярной биологии. В современной биотехнологии  используются биологические системы  всех уровней: от молекулярно-генетического до биогеоценотического (биосферного); при этом создаются принципиально новые биологические системы, не встречающиеся в природе. Биологические системы, используемые в биотехнологии, вместе с небиологическими компонентами (технологическое оборудование, материалы, системы энергоснабжения, контроля и управления) удобно называть рабочими системами.

 К основным разделам современной биотехнологии относятся: микробиологический синтез, клеточная инженерия и генная инженерия.

 Современная биотехнология призвана решить следующие  задачи:

 – Промышленное производство продуктов питания, в  первую очередь, белков и незаменимых  аминокислот.

 – Повышение  плодородия почв, производство биологически активных веществ для нужд сельского хозяйства.

 – Производство лекарственных препаратов и биологически активных веществ, повышающих качество жизни людей.

 – Использование  биологических систем для производства и обработки промышленного сырья.

 – Производство дешевых и эффективных энергоносителей (биотоплива).

 – Использование  биологических систем для утилизации отходов различного характера, биологической  очистки сточных вод.

 – Создание организмов с заданными свойствами.   

 Генетическая  безопасность

 Используя методы генной и клеточной инженерии, современная биотехнология осуществляет широкое конструирование генетически модифицированных организмов (ГМО), в том числе микроорганизмов, растений и животных.

 Целый ряд  ГМО используется в неконтролируемых условиях (в сельском хозяйстве, рыбоводстве, для биологической борьбы с вредителями  сельского и лесного хозяйства  и т.д.).

 Однако перед  генной инженерией стоит ряд этических  и технологических проблем. Например, при выпуске ГМО в окружающую среду они могут взаимодействовать  с разнообразными организмами, сообществами и экосистемами конкретных территорий. При этом процесс и исход таких  взаимодействий не всегда поддается прогнозированию.

 В результате возникает проблема генетической безопасности как отдельных популяций человека, растений и животных, так и экосистем  в целом. В частности, существует опасность внедрения трансгенов («искусственных генов») в геном неконтролируемых организмов в результате скрещивания и/или рекомбинации ГМО и «диких» форм.

 Многие ученые и организации возражают против создания генетически модифицированных организмов (ГМО), поскольку при этом возможны непредсказуемые последствия. Поэтому развитые страны должны принять нормативные акты, регулирующие создание, испытание и использование ГМО, включающее выпуск в окружающую среду.   

 Микробиологический  синтез (МБС)

 Микробиологическим  синтезом называется синтез самых разнообразных  веществ с помощью микроорганизмов.

 Становление современного МБС связано с открытием антибиотиков и разработкой способов их промышленного производства с помощью актиномицетов и грибов. В настоящее время микроорганизмы используются в различных высоких технологиях:  для производства антибиотиков, кормового белка и аминокислот, биологически активных соединений (витаминов, гормонов, ферментов, стимуляторов роста) и т.д. Превращение одних веществ в другие с помощью микроорганизмов называется биоконверсия. При микробиологическом синтезе исходным сырьем служат разнообразные источники углерода (природные углеводороды, органические отходы), минеральные соли и атмосферный азот. В качестве микроорганизмов используются прокариоты (бактерии, актиномицеты) и грибы. Обычно микробиологический синтез проводят по следующей технологии. Чистые культуры микроорганизмов предварительно размножают на питательной среде. Затем их вносят в специальные ёмкости–ферментаторы с подготовленным и простерилизованным сырьем. Обработка сырья – ферментация – протекает при определенной температуре, определенной кислотности, в аэробных или анаэробных условиях. Процесс ферментации обычно продолжается 5...6 дней. После этого производится очистка требуемого продукта от примесей (например, при производстве лекарственных препаратов). В ряде случаев полученный продукт подвергают дополнительной обработке. Например, антибиотики, полученные с помощью микроорганизмов, модифицируют химическими методами, что усиливает их терапевтическое действие (полусинтетические пенициллины и тетрациклины). Разновидностью микробиологического синтеза является ферментативный синтез. При этом используются не сами микроорганизмы, а выделенные из них ферменты. Ферментативный синтез уменьшает вероятность побочных реакций, устраняет опасность бактериального загрязнения окружающей среды, снижает количество биологически активных отходов, облегчает очистку продуктов. Для увеличения продолжительности службы ферментов их подвергают иммобилизации, соединяя с полимерными матрицами. Иммобилизации могут подвергаться и живые клетки. Иммобилизованные ферменты и клетки позволяют осуществлять непрерывный процесс ферментации.  

 2. Клеточная инженерия:  достижения и перспективы  

 Клеточная инженерия – это  один из основных разделов современной биотехнологии, основанный на выделении  и культивировании  тканей и клеток высших многоклеточных организмов.

 Культивирование тканей и клеток происходит вне организма  – in vitro («в пробирке, в колбе, в стеклянной посуде»), в специально подобранных условиях.   

 Клеточно-тканевые культуры растений. Основным типом культивируемой растительной клетки является каллусная – это наименее дифференцированная ткань, которая в обычных условиях возникает при повреждениях и функционирует непродолжительное время. Каллус получают из паренхимы корнеплодов, стеблей, листьев, а также из гаплоидных тканей пыльников. Культивирование клеток растений производят или поверхностным способом, или в жидкой питательной среде. В любом случае необходимо подобрать определенное соотношение компонентов питательной среды. В состав питательной среды обязательно входят: углеводы (сахароза или глюкоза), минеральные соли, витамины, регуляторы роста и развития (определенные фитогормоны); иногда добавляют дрожжевой экстракт или растительные экстракты. Поддерживается определенная температуры, кислотность, газовый состав.  

 Клеточно-тканевые культуры животных. Основным типом культивируемой животной клетки являются опухолевые клетки миеломы или саркомы (раковые клетки). В то же время, культивированию поддаются и другие типы клеток: клетки селезенки, фибробласты соединительной ткани, гепатоциты печени, лимфоциты и т.д. Культуры опухолевых клеток практически бессмертны, они переносят неограниченное количество пассажей (пересевов на свежую питательную среду); длительность существования культур других тканей ограничена. Простейшей питательной средой для животных клеток служит сыворотка крови, но в ряде случаев используются полусинтетические и синтетические среды.   

 Соматическая  гибридизация. Гибридомы. Методы клеточной инженерии позволяют объединять различные типы клеток. Слияние клеток, принадлежащих к разным биологическим видам, называется соматической гибридизацией. Сущность соматической гибридизации заключается в получении синтетических культур путем слияния протопластов различных видов организмов. Для слияния клеток используют различные физические и химические методы. После слияния протопластов образуются многоядерные гетерокариотические клетки. В дальнейшем при слиянии ядер образуются синкариотические клетки, содержащие в ядрах хромосомные наборы разных организмов. При слиянии антителообразующих клеток (например, В–лимфоцитов человека) и раковых клеток (например, клеток миеломы мышей) образуются гибридомы. Это клеточные гибриды, сохраняющие свойства лимфоцитов (способность к образованию строго определенных антител) и свойства раковых клеток (способность к неограниченному числу делений). Гибридомы вырабатывают однородные антитела, взаимодействующие со строго определенными возбудителями заболеваний или другими антигенами. Такие антитела называют моноклональными.