Биотехнология - это сознательное производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью живых организмов и биологических процессов .
С незапамятных времен биотехнология применялась преимущественно в пищевой и легкой промышленности: в виноделии, хлебопечении, сбраживании молочных продуктов, при обработке льна и кож, основанных на применении микроорганизмов. В последние десятилетия возможности биотехнологии необычайно расширились. Это связано с тем, что ее методы выгоднее обычных по той простой причине, что в живых организмах биохимические реакции, катализируемые ферментами, идут при оптимальных условиях (температуре и давлении), более производительны, экологически чисты и не требуют химических реактивов, отравляющих среду.
Объектами биотехнологии
являются многочисленные представители групп живых организмов - микроорганизмы (вирусы, бактерии, простейшие, дрожжевые грибы), растения, животные, а также изолированные из них клетки и субклеточные компоненты (органеллы) и даже ферменты. Биотехнология базируется на протекающих в живых системах физиолого-биохимических процессах, в результате которых осуществляются выделение энергии, синтез и расщепление продуктов метаболизма, формирование химических и структурных компонентов клетки.
Главным направлением биотехнологии является производство с помощью микроорганизмов и культивируемых эукариотических клеток биологически активных соединений (ферменты, витамины, гормоны), лекарственных препаратов (антибиотики, вакцины, сыворотки, высокоспецифичные антитела и др.), а также ценных соединений (кормовые добавки, например, незаменимые аминокислоты, кормовые белки и т. д.).
Методы генетической инженерии позволили осуществить синтез в промышленных количествах таких гормонов, как инсулин и соматотропин (гормон роста), которые необходимы для лечения генетических болезней человека.
Одним из важнейших направлений современной биотехнологии является также использование биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка сточных вод, загрязненной почвы и т. п.).
Так, для извлечения металлов из сточных вод могут широко использоваться штаммы бактерий, способные накапливать уран, медь, кобальт. Другие бактерии родов Rhodococcus и Nocardia с успехом применяют для эмульгирования и сорбции углеводородов нефти из водной среды. Они способны разделять водную и нефтяную фазы, концентрировать нефть, очищать сточные воды от примесей нефти. Ассимилируя углеводороды нефти, такие микроорганизмы преобразуют их в белки, витамины из группы В и каротины.
Некоторые из штаммов галобактерий с успехом применяют для удаления мазута с песчаных пляжей. Получены также генно-инженерные штаммы, способные расщеплять октан, камфару, нафталин, ксилол, эффективно утилизировать сырую нефть.
Большое значение имеет использование методов биотехнологии для защиты растений от вредителей и болезней.
Биотехнология проникает в тяжелую промышленность, где микроорганизмы используются для добычи, превращения и переработки природных ископаемых. Уже в древности первые металлурги получали железо из болотных руд, производимых железобактериями, которые способны концентрировать железо. Теперь разработаны способы бактериальной концентрации ряда других ценных металлов: марганца, цинка, меди, хрома и др. Эти методы используются для разработки отвалов старых рудников и бедных месторождений, где традиционные методы добычи экономически невыгодны.
Биотехнология решает не только конкретные задачи науки и производства. У нее есть более глобальная методологическая задача - она расширяет и ускоряет масштабы воздействия человека на живую природу и способствует адаптации живых систем к условиям существования человека, т. е. к ноосфере. Биотехнология, таким образом, выступает в роли мощного фактора антропогенной адаптивной эволюции.
У биотехнологии, генетической и клеточной инженерии многообещающие перспективы. При появлении все новых и новых векторов человек с их помощью будет внедрять нужные гены в клетки растений, животных и человека. Это позволит постепенно избавиться от многих наследственных болезней человека, заставить клетки синтезировать необходимые лекарства и биологически активные соединения, а затем - непосредственно белки и незаменимые аминокислоты, употребляемые в пищу. Используя методы, уже освоенные природой, биотехнологи надеются получать с помощью фотосинтеза водород - самое экологически чистое топливо будущего, электроэнергию, превращать в аммиак атмосферный азот при обычных условиях.
Вопрос 1. Что такое биотехнология?
Биотехнология — это использование ор-ганизмов, биологических систем или биологи-ческих процессов в промышленном производ-стве. К отраслям биотехнологии относятся генная, хромосомная и клеточная инженерия, клонирование сельскохозяйственных расте-ний и животных, использование микроорга-низмов в хлебопечении, виноделии, производ-стве лекарств и др.
Вопрос 2. Какие проблемы решает генная ин-женерия? С какими трудностями связаны исследования в этой области?
Методы генной инженерии позволяют ввес-ти в генотип одних организмов (например,бактерий) гены других организмов (напри-мер, человека). Генная инженерия позволила решить проблемы промышленного синтеза микроорганизмами различных человеческих гормонов, например инсулина и гормона рос-та. Путем создания генетически модифициро-ванных растений она обеспечила появление сортов, устойчивых к холодам, заболеваниям и вредителям. Основной трудностью для ген-ной инженерии является наблюдение и конт-роль за деятельностью привнесенной извне ДНК. Важно знать, способны ли трансгенные организмы выдерживать «нагрузку» чужерод-ных генов. Существует также опасность само-произвольного переноса (миграции) чужерод-ных генов в другие организмы, в результате чего они могут приобрести нежелательные для человека и природы свойства. Не на последнем месте стоит и этическая проблема: а имеем ли мы право переделывать живые организмы ра-ди собственного блага?
Вопрос 3. Как вы думаете, почему селекция микроорганизмов приобретает в настоящее время первостепенное значение?
Существует несколько причин повышения интереса к селекции микроорганизмов:
- легкость селекции (по сравнению с рас-тениями и животными), которая обусловлена большой скоростью размножения и простотой культивирования бактерий;
- огромный биохимический потенциал (разнообразие осуществляемых бактериями реакций — от синтеза антибиотиков и витами нов до выделения из руд редких химических элементов);
- простота генно-инженерных манипу-ляций; важно также то, что встроенный в ДНК бактерии ген автоматически начинает рабо-тать, поскольку (в отличие от эукариотических организмов) все гены прокариотов активны.
В результате на сегодняшний день сущест-вует огромное число примеров использования новых штаммов бактерий на практике: произ-водство продуктов питания, гормонов человека, переработка отходов, очистка сточных вод и др.
Вопрос 4. Приведите примеры промышленно-го получения и использования продуктов жизнеде-ятельности микроорганизмов.
С давних времен кисломолочные бактерии обеспечивают приготовление простокваши и сыра; бактерии, для которых характерно спиртовое брожение, — синтез этилового спир-та; дрожжи используют в хлебопечении и ви-ноделии.
С 1982 г. в промышленных масштабах по-лучают инсулин, синтезируемый кишечной палочкой. Это стало возможным после того, как при помощи методов генной инженерии ген инсулина человека был встроен в ДНК бак-терии. В настоящее время налажен синтез трансгенного гормона роста, который исполь-зуется для лечения карликовости у детей.
Микроорганизмы участвуют также в биотех-нологических процессах по очистке сточных мод, переработке отходов, удалению нефтяных разливов в водоемах, получению топлива.
Вопрос 5. Какие организмы называют транс-генными?
Трансгенными (генетически модифициро-ванными) называют организмы, содержащие искусственные дополнения в геноме. Приме-ром (помимо упомянутой выше кишечной па-лочки) могут служить растения, в ДНК кото-рых встроен фрагмент бактериальной хро-мосомы, ответственный за синтез токсина, отпугивающего вредных насекомых. В резуль-тате получены сорта кукурузы, риса, картофе-ля, устойчивые к вредителям и не требующие использования пестицидов. Интересен при-мер лосося, ДНК которого дополнили геном, активирующим выработку гормона роста. В результате лосось рос в несколько раз быст-рее, и вес рыб оказался гораздо больше нормы.
Вопрос 6. В чем преимущество клонирования по сравнению с традиционными методами селекции?
Клонирование направлено на получение точных копий организма с уже известными характеристиками. Оно позволяет добиваться лучших результатов в более короткие сроки, чем традиционные методы селекции. Материал с сайта
Клонирование дает возможность работать с отдельными клетками или небольшими заро-дышами. Например, при разведении крупного рогатого скота зародыш теленка на стадии не-дифференцированных клеток разделяют на фрагменты и помещают их в суррогатных матерей. В результате развиваются несколько идентичных телят с необходимыми признаками и свойствами.
При необходимости можно использовать и клонирование растений. В этом случае селек-ция происходит в клеточной культуре (на ис-кусственно культивируемых изолированных клетках). И лишь затем из клеток, обладаю-щих необходимыми свойствами, выращивают полноценные растения.
Наиболее известный пример клонирова-ния — пересадка ядра соматической клетки в развивающуюся яйцеклетку. Эта технология в будущем позволит создать генетического двойника любого организма (или, что более актуально, его тканей и органов).
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском
На этой странице материал по темам:
- презентация на тему биотехнология достижения и перспективы развития
- биотехнологии клонирование с видео
- как вы думаете почему селекция микроорганизмов приобретает в настоящее время
- в чем приимущество клонирования по сравнению с традиционными методами селекции?
- почему селекция микроорганизмов приобретает в наше время
Посетители конференции Startup Village, прошедшей на минувшей неделе в Сколково, имели уникальную возможность заглянуть в то недалекое будущее, когда человечество, вынужденное пересмотреть рацион питания, начнет получать значительную долю белков за счет насекомых
На одном из стендов на выставке стартапов расположились производители кормового протеина из личинок мух, представляющие липецкую компанию «Новые Биотехнологии». Пока корм предназначен для животных, но в будущем блюда из насекомых, как следует из многочисленных прогнозов, перестанут быть экзотикой и в человеческом меню. Попробовать продукт с исключительными питательными свойствами на Startup Village отважились пятеро смельчаков. Корреспондент сайт не рискнул последовать их примеру, но зато подробно расспросил дегустаторов, каков он, вкус еды будущего, а заодно узнал, что окруженные теплом и заботой селекционеров мухи из Липецка становятся гораздо плодовитее своих сородичей.
Алексей Истомин с продукцией "Новых Биотехнологий" на Startup Village. Фото: сайт
«Новые Биотехнологии» специализируются на производстве высокобелкового корма из высушенных и измельченных личинок зеленых мясных мух по аналогии с тем механизмом, над выработкой которого природа трудилась миллионы лет. «Животные, рыбы, птицы размножаются, питаются, оставляют после себя навоз и помет, умирают, а природа все это неустанно перерабатывает.. - Мухи откладывают на отходах яйца, из них появляются личинки, которые выделяют ферменты, ускоряющие процесс разложения и минерализации отходов. При этом личинки сами становятся кормом для животных, рыб и птиц. А оставшийся субстрат под воздействием дождей и солнца в виде органического удобрения попадает в почву и способствует бурному росту фитомассы, которая также является кормом для всего живого. Иными словами, происходит рециркуляция питательных веществ, причем безо всяких пестицидов и ядов. Только органика».
Этот природный процесс и заимствовали в компании «Новые Биотехнологии». Получившаяся в результате применения технологии биомасса, личинки мух, обладают высоким содержанием питательных веществ. На 50-70% биомасса состоит из сырого протеина, 20-30% приходятся на сырой жир, 5-7% - это сырая клетчатка.
При описании положительного эффекта применения кормового белка (коммерческое название - «Зоопротеин») в разных отраслях сельского хозяйства Алексей Истомин был весьма убедителен. «В свиноводстве применение в микродозах белково-липидного концентрата в качестве добавки в рацион поросят, свиней, хряков позволяет повысить усвояемость пищи и естественную резистентность организма болезням и вирусам, увеличить привес, активность и приплод, - перечисляет преимущества корма из личинок мух г-н Истомин. - Это происходит за счет содержания в «Зоопротеине» большого количества ферментов, хитина, меланина, иммуномодуляторов. В птицеводстве включение нашего кормового белка в состав рациона для цыплят-бройлеров, индеек, уток и другой птицы позволяет повысить ежедневный привес и снизить кормовой коэффициент. У кур-несушек наблюдается повышение яйценоскости, возрастает резистентность организма к болезням и вирусам, снижается смертность». В звероводстве добавление «Зоопротеина» в корм норок, песцов, лисиц приводит к улучшению качества меха и снижению процента брака. Животные имеют большую длину тела и обхват груди, следовательно, из них можно получить большее количество шкурок.
Слева направо: готовый корм, высушенные и живые личинки. Фото: сайт
Появление корма из мух обрадует и владельцев домашних питомцев. По словам Алексея Истомина, «у кошек и собак легче проходит течка и линька, повышается мышечный тонус и активность, шерсть становится более плотной; животные меньше болеют». Здоровее при добавлении белка из личинок мух в корм становятся и домашние птицы, их окрас становится ярче. Мальки аквариумных рыбок развиваются в два раза быстрее, причем выживаемость мальков приближается к 100%.
Чудодейственная технология возникла не на пустом месте - ее теоретические основы были заложены еще полвека назад во Всесоюзном научно-исследовательском институте животноводства, а также в Новосибирском государственном сельскохозяйственном институте. Там в лабораторных условиях всесторонне изучали кормовые добавки из личинок мух. Сейчас работы в этом направлении продолжаются Новосибирском государственном аграрном университете, ВНИИЖ им. Л.К. Эрнста, Институте проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова. По словам Алексея Истомина, эффективность использования белкового корма, полученного в результате переработки отходов личинками мух, по сравнению с другими животными белками (рыбная и мясо-костная мука) подтверждена исследованиями, проведенными во Всероссийском научно-исследовательском институте животноводства и Всероссийском научно-исследовательском и технологическом институт птицеводства. Примечательно, что со временем актуальность этой технологии лишь растет, ведь мир столкнулся с острым дефицитом белков животного происхождения.
«То, что нам мешает, плохо пахнет и требует больших затрат, может помочь и работать на благо отечественного сельского хозяйства, принося дополнительную прибыль и снижая нагрузку на окружающую среду»
В компании «Новые Биотехнологии» его оценивают в 25 млн тонн; в России аналогичный показатель - 1 млн тонн. С 1961 года население Земли выросло более чем в два раза, а мировое потребление мяса - в 4 раза. По прогнозам, до 2030 года глобальное потребление животного белка увеличится на 50%. Пока в сельском хозяйстве его основными источниками являются рыба (рыбная мука) и мясо-костная мука. «Самая качественная рыбная мука производится в Марокко, Мавритании и Чили, и ее стоимость увеличивается пропорционально издержкам на логистику. Цена рыбной муки за последние 15 лет выросла в 8 раз, - делится статистикой Алексей Истомин. - Многие производители сельскохозяйственной продукции отказываются от качественной импортной рыбной муки в пользу более дешевых и менее качественных аналогов, а также переходят на мясо-костную муку или растительные белки, в частности, сою. Использование растительных белков не позволяет достичь желаемого результата - такой протеин требует большого количества земельных ресурсов и не может в полной мере заменить животный белок по составу».
Проект "Новых Биотехнологий" вызвал интерес у вице-премьера Аркадия Дворковича и губернатора Ростовской области Василия Голубева. Фото: сайт
Кроме экономических, есть и экологические предпосылки смены кормовой парадигмы. Так, для изготовления 1 тонны муки требуется выловить 5 тонн промысловой рыбы. Учитывая, что потребность в животных белках велика, вылов рыбы достиг значительных показателей (170 млн тонн в 2015-м году). Экосистема не успевает воспроизвести рыбные запасы в морях. При изготовлении одной тонны рыбной муки в атмосферу выделяется почти 11 тонн углекислого газа. Дополнительные расходы на экологию в этом случае оценивается в 3,5 тысячи долларов. При производстве одной тонны муки из личинок мух в атмосферу попадает в 5 раз меньше СО2. То есть каждая произведенная тонна белка из личинок мух сохраняет 5 тонн рыбы в море.
«Вкус необычный, не похож ни на что. Зато этот белок укрепляет иммунитет и способствует росту мышечной массы»
Задумавшись об альтернативных источниках животного белка, исследователи обратили внимание на насекомых. На планете - более 90 тысяч видов мух, и каждый из них питается определенными отходами: растительными, навозом/пометом, пищевые отходы и т.д. «То, что нам мешает, плохо пахнет и требует больших затрат, - экологических, финансовых, энергетических - может помочь и работать на благо отечественного сельского хозяйства, принося дополнительную прибыль и снижая нагрузку на окружающую среду», - говорит Алексей Истомин. По крайне мере, опытное производство компании «Новые Биотехнологии» в Липецке доказывает перспективность использования технологии в промышленных условиях.
Фарш из Люси
Известные многим металлически-зелёные яркие мухи Lucilia caesar (в компании этот вид насекомым ласково именуют Люсей) на производстве в Липецке содержатся в специальных инсектариях. Там живет несколько десятков миллионов мух. Это во многом уникальные насекомые. Чтобы улучшить их репродукционные способности, ученые более двух лет вели кропотливую селекционную работу, по определенной методике скрещивая насекомых. Если в природе одна муха делает кладку в 60 яиц, то у липецких насекомых кладка (и, следовательно, количество личинок и получившегося из них корма) - в среднем в три раза больше. Никаких генетических манипуляций над мухами специалисты «Новых Биотехнологий» не производят, речь идет о «традиционной» селекции, уверяет г-н Истомин.Показывая на затянутую мелкой сеткой клетку-садок с роящимися насекомыми на стенде, он продолжает: «Еще вчера здесь было всего 6 мух; всего за сутки их количество достигло несколько сотен. Это стало возможным благодаря правильному подбору цикла развития кукол, называемых еще пупариями. Мы подгадали цикл таким образом, чтобы сегодня их стало намного больше. Завтра их количество еще подрастет». Отчасти этот процесс сдерживался не слишком подходящей погодой: оптимальная температура для превращения куколки в муху - около 30-ти градусов. Несмотря на то, что на Startup Village по ночам насекомых заносили в помещение, температура там была ниже.
На производстве в Липецке мухам - полное раздолье. Фото: "Новые Биотехнологии".
На производстве в Липецке мухам - полное раздолье, там их оберегают и от неблагоприятных условий, и от стресса. Мухи содержатся в специальных клетках-садках, в которых есть вода, сахар, сухое молоко и боксы с мясным фаршем, где мухи делают кладки яиц. Кладки вынимают ежесуточно. Контроль качества и чистоты популяции осуществляет главный технолог. Для этого отбирают личинки, которые в специальных условиях окукливаются и в виде куколок хранятся в холодильной камере. При необходимости куколки помещают в клетки инсектария, и через некоторое время из них появляются мухи.
Как только из яиц появились личинки, их перемещают в выростной цех. В специальных лотках на подстилке из опилок размещают кормовой субстрат и кладки яиц. Личинки очень прожорливы и быстро растут, увеличиваясь в размере до 350 раз за сутки. Период откармливания и активного роста составляет 3-4 суток. Затем выросшие личинки оказываются на выгонке. Так называют процесс отделения личинок от органического субстрата. После биомассу высушивают и отправляют на хранение.
Мухи растут на мясе с птицефабрики, которая находится недалеко от опытного производства компании «Новые биотехнологии». Личинки, выращенные на мясе птицы, обладают более высокими показателями содержания питательных веществ, чем те, которые культивировались на навозе и помёте. При этом запасов мяса должно быть много - чтобы произвести 1 кг «Зоопротеина», необходимо вырастить 3,5 кг живых личинок, для чего требуется 10 кг мясных отходов.
С 1961 года население Земли выросло более чем в два раза, а мировое потребление мяса - в 4 раза. По прогнозам, до 2030 года глобальное потребление животного белка увеличится на 50%
«Среднестатистический падеж на птицефабриках составляет 5% от общего поголовья. Такой вид отходов доставляет большое количество хлопот птицеводческим хозяйствам. Это и экологические вопросы (надо утилизировать), и финансовые (за утилизацию надо платить), и организационные (собирать, хранить, доставлять, учитывать). Поэтому применение нашего метода наиболее эффективно непосредственно на птицефабрике, что позволяет делать производство птицы безотходным, - пояснил Алексей Истомин. - В целом, рост объемов сельскохозяйственного производства неминуемо влечёт за собой увеличение негативного влияния на окружающую среду. По данным Минсельхоза, в России общая площадь земель, загрязненных сельскохозяйственными отходами, превышает 2,4 млн гектаров. В 2015-м году суммарное количество таких отходов превысило 380 млн тонн. В стране практически отсутствует культура переработки отходов сельского хозяйства. Счет таким производствам идет на единицы».
Опытное производство в Липецке. Фото: "Новые Биотехнологии"
Сложность промышленного внедрения технологии обусловлена, прежде всего, административными и экологическими факторами. «За границей, в частности, в Китае и Индонезии используется бассейновый («открытый») метод, поясняет Истомин. - Он неприемлем в наших условиях, поскольку личинки в процессе жизнедеятельности вырабатывают большое количество аммиака. В нашем проекте предложен «закрытый» метод с использованием выростных шкафов для мух, оборудованных локальной вытяжной вентиляцией, микробиологическим фильтром для очистки воздуха, особыми системами приготовления сырья, инфракрасной сушки. Все это позволяет максимально выполнить требования, предъявляемые к экологической безопасности».
Личинки очень прожорливы и быстро растут, увеличиваясь в размере до 350 раз за сутки. Фото: "Новые Биотехнологии"
Сейчас компания «Новые Биотехнологии» находится в процессе получения статуса резидента «Сколково». Команда рассчитывает на помощь Фонда главным образом в сертификации продукции. В России отсутствует нормативная база, связанная с регламентацией использования технологии переработки отходов личинками мух, поэтому, рассказывает Алексей Истомин, «приходится изощряться». При этом контролирующие инстанции констатируют безопасность продукции: «Липецкая облветлаборатория» производит исследования живой биомассы на наличие сальмонелл, генома возбудителей орнитоза и гриппа у птиц, яиц и личинок гельминтов. У высушенной биомассы личинок мух определяется массовая доля сырого протеина, массовая доля сырого жира, влажность и токсичность. «Тульская межобластная ветеринарная лаборатория» проводит исследования органического удобрения зоогумуса на наличие патогенной флоры. Результаты каждого исследования оформлены протоколом».
Собеседник сайт убежден: в обозримом будущем со вкусом белка из насекомых познакомятся на только животные, но и люди. Эту точку зрения разделяет все больше специалистов. Так, три года назад Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН выпустила исследование, в котором говорилось, что в рационе 2 миллиардов человек в той или иной степени насекомые присутствуют уже сейчас. Чтобы справиться с голодом и загрязнением окружающей среды, человечеству следует есть больше насекомых, призвали составители отчета.
Тем более что, как свидетельствует личный опыт Алексея Истомина, это не так страшно. Вот уже несколько месяцев он добавляет столовую ложку белка из насекомых в утренний шейк из молока, банана и прочих традиционных ингредиентов. «Вкус необычный, не похож ни на что. Зато укрепляет иммунитет и способствует росту мышечной массы», - рассказывает Алексей.
Baklanov Mikhail and 8 others like this" data-format="people who like this" data-configuration="Format=%3Ca%20class%3D%27who-likes%27%3Epeople%20who%20like%20this%3C%2Fa%3E" >
Основные достижения и перспективы развития сельскохозяйственной биотехнологии
Биотехнологические подходы позволяют современным селекционерам выделять отдельные гены, отвечающие за желаемые признаки, и перемещать их из генома одного растения в геном другого – трансгенез.
Благодаря биотехнологии были получены растения с улучшенными питательными свойствами, устойчивые к гербицидам и со встроенной защитой против вирусов и вредителей (соя, помидоры,хлопок, папайа,). ГМ растения, используемые в животноводстве, – кукуруза, соевые бобы, канола и хлопок
С помощью генетических методов были получены также штаммы микроогранизмов (Ashbya gossypii, Pseudomonas denitrificans и др.), которые производят в десятки тысяч раз больше витаминов (С, В 3 , В 13 , и др.), чем исходные формы.
Перспективы:
1. Специалисты биотехнологий разрабатывают возможности увеличения количества белка в растениях, что позволит в будущем отказаться от мяса.
2. Для агрокомплекса ведутся разработки в направлении усовершенствования функций самозащиты растений от насекомых-вредителей, посредством выделения яда.
3. Одной из бурно развивающихся отраслей биотехнологии считается технология микробного синтеза ценных для человека веществ. Дальнейшее развитие этой отрасли повлечет за собой перераспределение ролей растениеводства и животноводства с одной стороны, и микробного синтеза - с другой, в формировании продовольственной базы человечества.
4. В основе промышленного использования достижений биотехнологии лежит техника создания рекомбинантных молекул ДНК. Конструирование нужных генов позволяет управлять наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми свойствами.
5. В качестве источников сырья для биотехнологии все большее значение приобретают воспроизводимые ресурсы непищевых растительных материалов, отходов сельского хозяйства, которые служат дополнительным источником как кормовых веществ, так и вторичного топлива (биогаза) и органических удобрений.
6. Биодеградация (переработка) целлюлозы. Полное расщепление целлюлозы до глюкозы может решить множество проблем - получение большого количества углеводов и очистку среды от отбросов лесов и сельскохозяйственного производства. В настоящее время гены целлюлолитических ферментов уже выделены из некоторых микроорганизмов. Разрабатываются методы их переноса в дрожжи, которые могли бы сначала гидролизовать целлюлозу до глюкозы и затем превращать ее в спирт.
Новейшие достижения в области медицинской биотехнологии
В области медицинской биотехнологии были разработаны интерфероны ~ белки, способные подавлять размножение вирусов.
Производство человеческого инсулина путем использования генно-модифицированных бактерий, производство эритропоэтина (гормона, стимулирующего образование эритроцитов в костном мозге.
Стало возможным производить полимеры, заменяющие органы и ткани человека (почки, кровеносные сосуды, клапаны, аппарат сердце - легкие и т.д.).
Массовая иммунизация (вакцинация) стала самым доступным и экономически эффективным способом профилактики инфекционных болезней. Так, за 30 лет вакцинирования российских детей от кори, заболеваемость снизилась ей в 620 раз.
Разработаны методы получения антибиотиков. Открытие антибиотиков произвело переворот в лечении инфекционных заболеваний. Ушли в прошлое представления о неизлечимости многих бактериальных инфекций (чума, туберкулез, сепсис, сифилис и др.).
Одно из последних достижений биотехнологической диагностики – метод биосенсоров, которые «отлавливают» связанные с болезнями молекулы и подают сигналы на датчики. Биосенсорную диагностику используют для определения глюкозы в крови больных диабетом. Предполагается, что со временем можно будет имплантировать датчики биосенсоров в кровеносные сосуды больных, чтобы более точно контролировать их потребность в инсулине.
Стало возможным не только создание «биологических реакторов», трансгенных животных, генно-модифицированных растений, но и проведение генетической паспортизации (полного исследования и анализа генотипа человека, проводимого, как правило, сразу после рождения, для определения предрасположенности к различным заболеваниям, возможную неадекватную (аллергическую) реакцию на те или иные лекарства, а также склонность к определенным видам деятельности). Генетическая паспортизация позволяет прогнозировать и уменьшать риски сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний, исследовать и предотвращать нейродегенеративные заболевания и процессы старения и т.д.
Ученым удалось выявить гены, ответственные за проявление различных патологий и способствующие увеличению продолжительности жизни.
Появились возможности для ранней диагностики наследственных болезней и своевременной профилактики наследственной патологии.
Важнейшей областью для медицинской биотехнологии стала клеточная инженерия, в частности технология получения моноклональных антител, которые продуцируются в культуре или в организме животного гибридными лимфоидными клетками - гибридомами. Технология получения моноклональных антител оказала большое влияние на фундаментальные и прикладные исследования в области медицины и на медицинскую практику. На их основе разработаны и применяются новые системы иммунологического анализа - радиоиммунологический и иммуноферментативный анализ. Они позволяют определять в организме исчезающе малые концентрации специфических антигенов и антител.
Самой передовой технологией в диагностике заболеваний ныне считают микрочипы. Их применяют для ранней диагностики инфекционных, онко- и генетических заболеваний, аллергенов, а также при исследовании новых лекарств.
Похожая информация.
Биологические технологии (биотехнологии) обеспечивают управляемое получение полезных продуктов для различных сфер человеческой деятельности, базируясь на использовании каталитического потенциала биологических агентов и систем различной степени организации и сложности - микроорганизмов, вирусов, растительных и животных клеток и тканей, а также внеклеточных веществ и компонентов клеток.
Развитие и преобразование биотехнологии обусловлено глубокими переменами, происшедшими в биологии в течение последних 25-30 лет. Основу этих событий составили новые представления в области молекулярной биологии и молекулярной генетики. В то же время нельзя не отметить, что развитие и достижения биотехнологии теснейшим образом связаны с комплексом знаний не только наук биологического профиля, но также и многих других.
Расширение практической сферы биотехнологии обусловлено также социально-экономическими потребностями общества. Такие актуальные проблемы, стоящие перед человечеством на пороге ХХ1 в., как дефицит чистой воды и пищевых веществ (особенно белковых), загрязнение окружающей среды, недостаток сырьевых и энергетических ресурсов, необходимость получения новых, экологически чистых материалов, развития новых средств диагностики и лечения, не могут быть решены традиционными методами. Поэтому для жизнеобеспечения человека, повышения качества жизни и ее продолжительности становится все более необходимым освоение принципиально новых методов и технологий.
Развитие научно-технического прогресса, сопровождающееся повышением темпов материальных и энергетических ресурсов, к сожалению, приводит к нарушению баланса в биосферных процессах. Загрязняются водные и воздушные бассейны городов, сокращается воспроизводительная функция биосферы, вследствие накопления тупиковых продуктов техносферы нарушаются глобальные круговоротные циклы биосферы.
Стремительность темпов современного научно-технического прогресса человечества образно описал швейцарский инженер и философ Эйхельберг: «Полагают, что возраст человечества равен 600 000 лет. Представим себе движение человечества в виде марафонского бега на 60 км, который где-то начинаясь, идет по направлению к центру одного из наших городов, как к финишу... Большая часть дистанции пролегает по весьма трудному пути -через девственные леса, и мы об этом ничего не знаем, ибо только в самом конце, на 58-59 км бега, мы находим, наряду с первобытным орудием, пещерные рисунки, как первые признаки культуры, и только на последнем километре появляются признаки земледелия.
За 200 м до финиша дорога, покрытая каменными плитами, ведет мимо римских укреплений. За 100 м бегунов обступают средневековые городские строения. До финиша остается 50 м, где стоит человек, умными и понимающими глазами следящий за бегунами, -это Леонардо да Винчи. Осталось 10 м. Они начинаются при свете факелов и скудном освещении масляных ламп. Но при броске на последних 5 м происходит ошеломляющее чудо: свет заливает ночную дорогу, повозки без тяглового скота мчатся мимо, машины шумят в воздухе, и пораженный бегун ослеплен светом прожекторов фото- и телекамер...», т.е. за 1 м человеческий гений совершает ошеломляющий рывок в области научно-технического прогресса. Продолжая этот образ, можно добавить, что в момент приближения бегуна к финишной ленточке оказывается прирученным термоядерный синтез, стартуют космические корабли, расшифрован генетически код.
Биотехнология - основа научно-технического прогресса и повышения качества жизни человека
Биотехнология как область знаний и динамически развиваемая промышленная отрасль призвана решить многие ключевые проблемы современности, обеспечивая при этом сохранение баланса в системе взаимоотношений «человек - природа - общество», ибо биологические технологии (биотехнологии), базирующиеся на использовании потенциала живого по определению нацелены на дружественность и гармонию человека с окружающим его миром. В настоящее время биотехнология подразделяется на несколько наиболее значимых сегментов: это «белая», «зеленая», «красная», «серая» и «синяя» биотехнология.К «белой» биотехнологии относят промышленную биотехнологию, ориентированную на производство продуктов, ранее производимых химической промышленностью, - спирта, витаминов, аминокислот и др. (с учетом требований сохранения ресурсов и охраны окружающей среды).
Зеленая биотехнология охватывает область, значимую для сельского хозяйства. Это исследования и технологии, направленные на создание биотехнологических методов и препаратов для борьбы с вредителями и возбудителями болезней культурных растений и домашних животных, создание биоудобрений, повышение продуктивности растений, в том числе с использованием методов генетической инженерии.
Красная (медицинская) биотехнология - наиболее значимая область современной биотехнологии. Это производство биотехнологическими методами диагностикумов и лекарственных препаратов с использованием технологий клеточной и генетической инженерии (зеленые вакцины, генные диагностикумы, моноклональные антитела, конструкции и продукты тканевой инженерии и др.).
Серая биотехнология занимается разработкой технологий и препаратов для защиты окружающей среды; это рекультивация почв, очистка стоков и газовоздушных выбросов, утилизация промышленных отходов и деградация токсикантов с использованием биологических агентов и биологических процессов.
Синяя биотехнология в основном ориентирована на эффективное использование ресурсов Мирового океана. Прежде всего, это использование морской биоты для получения пищевых, технических, биологически активных и лекарственных веществ.
Современная биотехнология - это одно из приоритетных направлений национальной экономики всех развитых стран. Путь повышения конкурентности биотехнологических продуктов на рынках сбыта является одним из основных в общей стратегии развития биотехнологии промышленно развитых стран. Стимулирующим фактором выступают специально принимаемые правительственные программы по ускоренному развитию новых направлений биотехнологии.
Госпрограммы предусматривают выдачу инвесторам безвозмездных ссуд, долгосрочных кредитов, освобождение от уплаты налогов. В связи с тем что проведение фундаментальных и ориентированных работ становится все более дорогостоящим, многие страны стремятся вывести значительную часть исследований за пределы национальных границ.
Как известно, вероятность успеха осуществления проектов НИОКР в целом не превышает 12-20 %, около 60 % проектов достигают стадии технического завершения, 30 % - коммерческого освоения и только 12 % оказываются прибыльными.
Особенности развития исследований и коммерциализации биологических технологий в США, Японии, странах ЕС и России
США. Лидирующее положение в биотехнологии по промышленному производству биотехнологических продуктов, объемам продаж, внешнеторговому обороту, ассигнованиям и масштабам НИОКР занимают США, где уделяется огромное внимание развитию данного направления. В этом секторе к 2003 г. было занято свыше 198 300 чел.Ассигнования в этот сектор науки и экономики в США значительны и составляют свыше 20 млрд дол. США ежегодно. Доходы биотехнологической индустрии США выросли с 8 млрд дол. в 1992 г. до 39 млрд дол. в 2003 г.
Эта отрасль находится под пристальным вниманием государства. Так, в период становления новейшей биотехнологии и возникновения ее направлений, связанных с манипулированием генетическим материалом, в середине 70-х гг. прошлого столетия конгресс США уделял большое внимание вопросам безопасности генетических исследований. Только в 1977 г. состоялось 25 специальных слушаний и было принято 16 законопроектов.
В начале 90-х гг. акцент сместился на разработку мер по поощрению практического использования биотехнологии для производства новых продуктов. С развитием биотехнологии в США связывают решение многих ключевых проблем: энергетической, сырьевой, продовольственной и экологической.
Среди биотехнологических направлений, близких к практической реализации или находящихся на стадии промышленного освоения, следующие:
- биоконверсия солнечной энергии;
- применение микроорганизмов для повышения выхода нефти и выщелачивания цветных и редких металлов;
- конструирование штаммов, способных заменить дорогостоящие неорганические катализаторы и изменить условия синтеза для получения принципиально новых соединений;
- применение бактериальных стимуляторов роста растений, изменение генотипа злаковых и их приспособление к созреванию в экстремальных условиях (без вспашки, полива и удобрений);
- направленный биосинтез эффективного получения целевых продуктов (аминокислот, ферментов, витаминов, антибиотиков, пищевых добавок, фармакологических препаратов;
- получение новых диагностических и лечебных препаратов на основе методов клеточной и генетической инженерии.
Роль лидера США обусловлена высокими ассигнованиями государства и частного капитала на фундаментальные и прикладные исследования. В финансировании биотехнологии ключевую роль играют Национальный научный фонд (ННФ), министерства здравоохранения и социального обеспечения, сельского хозяйства, энергетики, химической и пищевой промышленности, обороны, Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), внутренних дел. Ассигнования выделяются по программно-целевому принципу, т.е. субсидируются и заключаются контракты на исследовательские проекты.
При этом крупные промышленные компании устанавливают деловые отношения с университетами и научными центрами. Это способствует формированию комплексов в той или иной сфере, начиная от фундаментальных исследований до серийного выпуска продукта и поставки на рынок. Такая «система участия» предусматривает формирование специализированных фондов с соответствующими экспертными советами и привлечение наиболее квалифицированных кадров.
При выборе проектов с высокой коммерческой результативностью стало выгодным использовать так называемый «анализ с учетом заданных ограничений». Это позволяет существенно сократить сроки реализации проекта (в среднем с 7-10 до 2-4 лет) и повысить вероятность успеха до 80 %. Понятие «заданные ограничения» включают потенциальную возможность успешной продажи продукта и получения прибыли, увеличения годового производства, конкурентоспособность продукта, потенциальный риск с позиций сбыта, возможности перестройки производства с учетом новых достижений и т.д.
Ежегодные общие государственные расходы США на генно-инженерные и биотехнологические исследования составляют миллиарды долларов. Инвестиции частных компаний существенно превосходят эти показатели. Только на создание диагностических и противоопухолевых препаратов ежегодно выделяется несколько миллиардов долларов. В основном это следующие направления: методы рекомбинации ДНК, получение гибридов, получение и применение моноклональных антител, культуры тканей и клеток.
В США стало обычным, когда компании, не связанные ранее с биотехнологией, начинают приобретать пакеты акций действующих компаний и строить собственные биотехнологические предприятия (табл. 1.1). Это, например, практика таких химических гигантов, как Philips Petrolium, Monsanto, Dow Chemical. Около 250 химических компаний имеют в настоящее время интересы в области биотехнологии. Так, у гиганта химической индустрии США - компании De Pont есть несколько биотехнологических комплексов стоимостью 85-150 тыс. дол. со штатом 700-1 000 чел.
Подобные комплексы созданы в структуре Monsanto, более того, в настоящее время до 75 % бюджета (свыше 750 млн дол.) направляется в сферу биотехнологии. В сфере внимания этих компаний - производство генно-инженерного гормона роста, а также ряда генно-инженерных препаратов для ветеринарии и фармакологии. Кроме этого, фирмы совместно с университетскими исследовательскими центрами подписывают контракты на проведение совместных НИОКР.
Таблица 1.1. Крупнейшие концерны и фармацевтические фирмы США, производящие медицинские биотехнологические препараты
Существует мнение, что все необходимые условия для становления и развития биотехнологии в США подготовил венчурный бизнес. Для крупных фирм и компаний венчурный бизнес является хорошо отработанным приемом, позволяющим за более короткий срок получить новые разработки, привлекая для этого мелкие фирмы и небольшие коллективы, нежели заниматься этим собственными силами.
Например, в 80-е гг. General Electric с помощью мелких фирм стал осваивать производство биологически активных соединений, только в 1981 г. его рисковые ассигнования в биотехнологии составили 3 млн дол. Риск с участием мелких фирм обеспечивает крупным компаниям и корпорациям механизм отбора экономически оправданных нововведений с большими коммерческими перспективами.
Н.А. Воинов, Т.Г. Волова