Розділи біотехнології

Розділи	Призначення	Матеріали, методи, обладнання	Метод перенесення генетичної інформації	Галузі виробництва, продукти
Мікробна технологія	Мікро-біологічний синтез продуктів, придатних для виробництва біомаси, утилізація різних речовин та матеріалів – нафти, вугілля, металу, целюлози, пластмаси	Клітини мікроорганізмів, відходи	Ріст і розмноження мікробних клітин	Виробництво антибіотиків, кормового білка, ферментів, амінокислот, дріжджів
Клітинна інженерія	Гібридизація соматичних клітин, перенесення ядер клітин, об'єднання ембріонів	Методи культури та гібридизації соматичних тканин	Гібридизація соматичних клітин, перенесення ядер клітин	Одержання гібридів для виробництва моноклональних антитіл, соматична гібридизація
Генна (молекулярна) інженерія	Конструювання біохімічними методами молекул ДНК, ізоляція та перенесення генів у клітину	Ферменти рестриктази, лігази, зворотної транскриптази	Рекомбінація, трансформація, трансдукція, трансгенез, клонування генів	Синтез чужорідного білка в клітині, одержання гормонів, лікарських препаратів
Геномна (хромосомна) інженерія	Зміна кількості хромосом у геномі, створення нових ліній, форм, синтез штучних хромосом	Гібридологічніний аналіз, прямі та зворотні схрещування, одержання поліплоїдів	Генетичні, цитологічні методи заміщення хромосом та збільшення їх кількості	Виділення окремих хромосом, віддалене схрещування, одержання, транслокації та делецій
Ембріональна інженерія	Вирощування організмів invirto одержання клонів високопродук-тивних організмів, створення особин з новими властивостями, розмноження вихідного селекційного матеріалу	Пересадка органів і тканин, трансплантація ембріонів, створення гібридів	Хірургічні методи, культура тканин, методи кріоконсервації	Одержання тварин-трансплантан-тів з метою формування високопродуктивних стад
Інженерна ензимологія	Синтез і модифікація органічних сполук, біоконверсія рослинної сировини, використання іммобілізованих ферментів	Штампи мікроорганізмів, ферменти імуноферментний аналіз	Методи іммобілізації ферментів, створення нових штампів	Переробка молока та м'яса, відходів харчової промислово- сті, створення нових джерел енергії

При цьому необхідно вирішити такі завдання:

1. Підтримка і активація шляхів обміну клітин, які сприяють накопиченню цільових продуктів за рахунок суттєвого пригнічення інших реакцій обміну в організмі, що культивується.

2. Отримання клітин, або їх складових (переважно ферментів) для спрямованої зміни складних молекул (наприклад, рестриктази, ізомерази та ін.).

3. Поглиблення і вдосконалення технології рекомбінантних ДНК і клітинної інженерії з метою отримання найцінніших результатів фундаментальних і прикладних розробок.

4. Створення безвідходних і екологічно безпечних біотехнологічних процесів.

5. Вдосконалення і оптимізація апаратурного оформлення біотехнологічних процесів для одержання максимальної кількості кінцевих продуктів за культивування природних видів, у яких спадковість змінена методами клітинної і генної інженерії.

6. Підвищення техніко-економічних показників біотехнологічних процесів порівняно з існуючими.

Досягнення у біотехнології забезпечують вирішення комплексних проблем народного господарства, охорони здоров'я і науки. Тому новітню біотехнологію можна визначити як науку про генно-інженерні та клітинні методи й технології створення і використання генетично трансформованих біологічних об'єктів для інтенсифікації виробництва або одержання нових продуктів різного призначення.

Біотехнологія і медицина. За допомогою біотехнології для потреб медицини виробляються такі препарати:

− антибіотики − специфічні продукти життєдіяльності, що володіють високою фізіологічною активністю відносно певних груп мікроорганізмів і до злоякісних пухлин, вибірково затримують їх ріст або повністю пригнічують розвиток. Постійний пошук нових антибіотиків пов'язаний із токсичністю існуючих препаратів; алергічними реакціями, що викликані їх використанням; зростанням стійкості патогенних мікроорганізмів до препаратів, що застосовуються;

− гормони, які використовують з метою лікування таких хвороб, як карликовість (гормон росту соматотропін), цукровий діабет (інсулін), безпліддя (фолікулостимулюючий і лютенізуючий гормони), олігопептидні гормони нервової системи, що знімають больові відчуття, підвищують працездатність, концентрують увагу, поліпшують пам'ять, стероїдні гормони наднирників (кортизон) для лікування ревматоїдних артритів;

− інтерферони і інтерлейкіни — речовини, що виділяються клітинами людини і тварини у відповідь на інфікування вірусами;

− фактори зсідання крові, особливо фактор VIII (отримують за допомогою культивування клітин ссавців) і фактор IX (отримують генно-інженерним шляхом з використання штаму Е. соli), необхідні для терапії форми гемофілії − спадкової хвороби, за якої кров втрачає здатність зсідатися;

− моноклональні антитіла − продукти В-гібридомних клітин −використовують для діагностики різноманітних хвороб. Завдяки високій специфічності вони забезпечують ідентифікацію не лише виду збудника, а і його серотипу.

Вони дозволяють діагностувати вагітність, виявляти схильність до діабету, ідентифікувати спадкові хвороби, їх використовують для діагностики раку і визначення його форм. Крім того, моноклональні антитіла мають і лікувальне значення, перш за все для лікування раку. Моноклональні антитіла зв'язуються із токсичними для ракових клітин сполуками і, завдяки своїй високій специфічності, вони доставляють отруту точно за адресою, не викликаючи руйнування і пошкодження здорових клітин;

− рекомбінантні вакцини і вакцини-антигени. Вакцинація − один із способів боротьби з інфекційними захворюваннями. Для отримання рекомбінантних вакцин звичайно використовують вірус коров'ячої віспи (вірус вісповакцини ВВВ). У його ДНК вводять чужорідні гени, що кодують імуногенні білки різних збудників (вірусу грипу, герпесу, гепатиту В й ін.) і отримують вакцини проти певних інфекцій. Вакцини-антигени створюють шляхом клонування генів збудника хвороби у Е. соli, дріжджів, клітин комах і тварин;

− ферменти медичного призначення. Різноманітне використання ферментних препаратів у медицині. їх застосовують для розчинення тромбів, лікування спадкових хвороб, видалення нежиттєздатних, денатурованих структур, клітинних і тканинних фрагментів, звільнення організму від токсичних речовин. У сучасній медицині відомо, що протеїнази розщеплюють денатурований білок і сприяють очищенню ран та їх загоюванню. Як носії для іммобілізації протеолітичних ферментів використовують волоконні матеріали на основі целюлози, полівінілового спирту, поліамідне і колагенове волокно. Готують нитки, в які за формування вводять фермент, і використовують їх як шовний матеріал. Аналіз свідчить, що використання цих препаратів удвічі прискорює процес загоювання ран. Іммобілізовані протеолітичні ферменти з великим успіхом застосовують при лікуванні гнійних захворювань легень і плеври, трофічних виразок, променевих виразок шкіри.

Біотехнологія і харчова промисловість. Усе більшого значення набувають низькокалорійні, нешкідливі для хворих на цукровий діабет замінники сахарози, в першу чергу фруктоза − продукт перетворення глюкози за участю іммобілізованої глюкозоізомерази. В деяких продуктах застосовують гліцин, що надає у комбінації з аспарагіновою кислотою різні відтінки солодкого і кислого. За допомогою ферментів у харчовій промисловості освітлюють фруктові соки, виробляють безлактозне молоко, розм'якшують м'ясо. Значні можливості щодо підвищення поживної цінності надає додавання до продуктів харчування вітамінів і амінокислот.

Біогеотехнологія. Досягнення у біотехнологіївикористовуються за видобутку, збагачення і переробки руд, для відокремлення і концентрування металів із стічних вод як вторинної сировини, екстракції залишкових порцій нафти з родовищ, що висихають. Значну роль у цих процесах відіграють мікроорганізми, що здатні існувати у надрах землі і здійснювати там хімічні перетворення. Здатністю перетворювати метали на розчинні сполуки володіють різні бактерії. Технології подібних процесів дуже прості: для вилучення залишків міді, урану, нікелю з «пустих» порід гірничорудного виробництва, їх обливають водою і збирають продукти життєдіяльності мікроорганізмів, що витікають − розчинні сполуки. Метод бактеріаньного вилучення дозволяє розглядати розробку бідних родовищ як економічно корисне виробництво.

Генно-інженерні штами псевдомонад, що здатні утилізувати сиру нафту, мають не менше двох сфер застосування: отримання білкової біомаси на основі необробленої нафти і запобігання нафтовому забрудненню навколишнього середовища, наприклад, усунення нафтових плівок на поверхні води морів і океанів.

Біотехнологія і енергетика. Технологічна біоенергетика − один із напрямів біотехнології, який пов'язаний з ефективнимвикористанням енергії, що запасається при фотосинтезі. Це може бути досягнуто наступними чином:

1. перетворення рослинної біомаси на етанол, що є екологічно чистим паливом, оскільки за його згоряння утворюються СО₂ і Н₂0;

2.отримання метану та інших вуглеводнів − важливий шлях утилізації сільськогосподарських викидів. Метан утворюється у вигляді біогазу − суміші метану і С0₂. Процес метаноутворення є високоефективним: до 90...95% вуглеводню, що використовується, перетворюється на метан. Тому метаногенні асоціації використовують для очищення стічних вод від органічних забруднень із одночасним одержанням палива;

3. одержання водню як палива майбутнього залишається поки що на рівні пошукових розробок. Це абсолютно чисте паливо, за згоряння якого створюється лише Н₂0. Хімічний і електрохімічний способи отримання водню неекономічні, тому дуже цікаво використовувати мікроорганізми, що виділяють водень.