Биотехнология – новое бурно развивающееся направление биологии. Этапы развития биотехнологии. Основные направления в биотехнологии. Цель:познакомить студентов с биотехнологией как межотраслевой областью научно-технического прогресса и раздела практических

Лекция 1

Цель: познакомить студентов с биотехнологией как межотраслевой областью научно-технического прогресса и раздела практических знаний. Раскрыть основные факторы, обусловившие развитие современной биотехнологии, а также связь биотехнологии с биологическими, химическими, техническими и другими науками.

План лекции:

1.Биотехнология как межотраслевая область научно-технического прогресса и раздел практических знаний

2. Междисциплинарная природа биотехнологии

3. Основные факторы, обусловившие развитие современной биотехнологии

4. Основные направления биотехнологии

5. Практические задачи биотехнологии

1 Биотехнология – новая отрасль науки и производства, основанная на использовании биологических процессов и объектов для производства экономически важных веществ и создания высокопродуктивных сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов. В буквальном смысле биотехнология – это «биология + технология», то есть применение фундаментальных биологических знаний в практической деятельности, направленной на производство лекарственных препаратов, ферментов, белков, красителей, ароматических веществ, витаминов и целого ряда биологически активных соединений. Кроме того, речь идет об использовании биотехнологических методов в селекции и конструировании принципиально новых организмов, ранее не существовавших в природе.

Биотехнология растений является самостоятельной дисциплиной, хотя по своим теоретическим и методологическим принципам может рассматриваться как часть общей биотехнологии. Специфика биотехнологии растений предопределена биологическими особенностями растений как особого царства живого мира.

В историческом аспекте человечество всегда использовало растения для получения жизненно важных продуктов. В этом смысле к биотехнологии можно отнести и традиционное растениеводство, и другие агротехнологии. Однако существуют принципиальные различия между биотехнологией и агротехнологией. Как известно, агротехнология имеет дело с целыми растениями и их популяциями, тогда как биотехнология основана на использовании культуры клеток и их популяций.

Следовательно, основным объектом биотехнологии растений являются отдельные клетки, органы, изолированные из целого растения и выращиваемые вне организма на искусственной питательной среде в асептических условиях.

Такие выращиваемые in vitro клетки, ткани, органы называются культурой клеток, тканей, органов – в зависимости от того, что изолируется из растения и культивируется. Однако все эти способы культивирования в последнее время стали называться одним термином «культура клеток растений», ибо в конечном счете культивируемой единицей является клетка.

Клеточные культуры с каждым годом находят все большее применение в самых разнообразных областях биологии, медицины и сельского хозяйства. Их используют при решении таких общебиологических проблем, как выяснение механизмов дифференцировки и пролиферации, взаимодействия клеток со средой, адаптации, старения, биологической подвижности, злокачественной трансформации и многих других. Важную роль клеточные культуры играют в биотехнологии при производстве вакцин и биологически активных веществ. Они являются исходным материалом для создания клеток-продуцентов, используются в целях повышения продуктивности сельскохозяйственных животных и для выведения новых сортов растений. Культуры клеток применяются для диагностики и лечения наследственных заболеваний, в качестве тест-объектов при испытании новых фармакологических веществ, а также для сохранения генофонда исчезающих видов животных и растений.

Биотехнология – это управляемое получение для народного хозяйства, а также для медицины целевых продуктов с помощью биологических агентов: микроорганизмов, вирусов клеток животных и растений, а также с помощью внеклеточных веществ и компонентов клетки. Биотехнология имеет глубокие исторические корни, а за последние 10-15 лет бурного развития оформилась как отдельная отрасль науки и производства.

Основными компонентами биотехнологического процесса являются: биологический агент, субстрат, целевой продукт, аппаратура и совокупность методов для управления процессом.

Биотехнологическая отрасль является одной из самых бурно развивающихся и является важным критерием для оценки уровня научно-исследовательского потенциала цивилизованной страны. Наглядное свидетельство того, что основой очередной волны экономического развития станут различные отрасли биотехнологии (сельскохозяйственная, пищевая, медицинская), - динамика курса акций соответствующих компаний. До недавнего времени биотехнологический бизнес мало выделялся из общей группы высоких технологий, однако нестабильность компьютерных магнатов и ряда крупных концернов торгующих природными ресурсами изменило мнение экономических аналитиков.

Котировка акций биотехнологических компаний оказались мене подвержены падению, так как продукция полученная на основе клеточных технологий нова и перспективна. Инвестиции в биосектор привели к беспрецендентному технологическому рывку. В Германии и Франции начаты крупномасштабные полевые испытания генетически модифицированных сортов кукурузы. Японские биотехнологии получили генетически модифицированную кукурузу, устойчивую к насекомым-вредителям. Некоторые компании находятся на грани создания революционных препаратов для различных видов рака, в первую очередь лейкемии. Три года назад одной американской компанией было вложено большое количество денег в биотехнологическую лабораторию в Калифорнии и теперь по данным представителей компании они близки к созданию средств извлечения ряда серьезных недугов, например, болезни Альцгеймера.

2 Термин биотехнология произошел от греческих слов: «биос» и «техне». «Биос» – жизнь, «техне» - вить прясть, делать что-то своими руками. Значит, биотехнология – это производство с помощью живых существ, совокупность промышленных методов, использующих живые организмы и биологические процессы для производства различных продуктов.

Биотехнология - это интегрированное использование биохимии, микробиологии и инженерных наук с целью достижения промышленного применения способностей микроорганизмов, культур клеток тканей и их частей. Объекты биотехнологии – микробы (грибы, бактерии, вирусы, простейшие) или клетки других организмов (растения, животные), биологически активные вещества специального назначения (иммобилизованные ферменты, катализирующие синтез или распад).

Типичные методы биотехнологии - крупномасштабное глубинное культивирование биообъектов в периодическом или непрерывном режиме, выращивание клеток растительных и животных тканей в особых условиях.

  БИОХИМИЯ МИКРОБИОЛОГИЯХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ   ГЕНЕТИКА МЕХАНИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ БИОХИМИЧЕСКАЯ МЕХАНИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ТЕХНОЛОГИЯ   ЭЛЕКТРОНИКА ТЕХНОЛОГИЯ ПИЩЕВЫХ ДРУГИЕ ДИСЦИПЛИНЫ ПРОДУКТОВ   Рисунок 1 - Междисциплинарная природа биотехнологии

3 Развитие биотехнологии в огромной степени определяется исследованиями в области микробиологии, биохимии, энзимологии и генетики организмов. Современная биотехнология как наука возникла в начале сороковых годов и получила ускоренное развитие с 1953 г., после эпохального открытия Джеймса Уотсона и Френсиса Крика о химической структуре и пространственой организации двойной спирали молекулы ДНК. Новое стратегическое ее направление – генетическая инженерия – родилось к 1972 г., когда в лаборатории Поля Берга впервые была синтезирована рекомбинантная молекула ДНК, что окончательно закрепило за биотехнологией и ее центральным звеном – биоинженерией (ядерной биологией) – важнейшее место в современной науке.

«Межпиковые» работы выдающихся биологов Г. Бойера, С. Коэна, Д. Морра, А.Баева, А.Белозерского, О. Эйвери, Г. Гамова, Ф. Жакоба, Ж.Моно и др. дополнили последовательный ряд важнейших открытий по идентификации генов и ферментов, выделению молекул ДНК из растительных, микробных и животных клеток, расшифровке генетического кода, а также механизмов экспрессии генов и биосинтеза белка у прокариот и эукариот.

В 50-е годы в биотехнологии возникает еще одно важное направление – клеточная инженерия. Основателями его являются П.Ф.Уайт (США) и Р. Готре (Франция). В последующие годы в институте физиологии растений СССР, а затем Российской Академии наук под руководством А.А.Курсанова, Р.Г. Бутенко были развернуты исследования в этой области с привлечением многих молодых ученых страны.

Генетическая и клеточная инженерия определили главные направления современной биотехнологии, методы которой получили широкое развитие в 80-е годы и используются во многих областях науки и производства в нашей стране и за рубежом.

Биотехнология как наука может рассматриваться в двух временных и сущностных измерениях: современном и традиционном, классическом.

Новейшая биотехнология (биоинженерия) – это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных (модифицированных) растений, животных и микроорганизмов в целях интенсификации производства и получения новых видов продуктов различного назначения.

В традиционном, классическом смысле биотехнологию можно определить как науку о методах и технологиях производства, транспортировки, хранения и переработки сельскохозяйственной и другой продукции с использованием обычных, нетрансгенных (природных и селекционных) растений, животных и микроорганизмов, в естественных и искусственных условиях.

Высшим достижением новейшей биотехнологии является генетическая трансформация, перенос чужеродных (природных или искусственно созданных) донорских генов в клетки-реципиенты растений, животных и микроорганизмов, получение трансгенных организмов с новыми или усиленными свойствами и признаками. По своим целям и возможностям в перспективе это направление является стратегическим. Оно позволяет решать принципиально новые задачи по созданию растений, животных и микроорганизмов с повышенной устойчивостью к стрессовым факторам среды, высокой продуктивностью и качеством продукции, по оздоровлению экологической обстановки в природе и всех отраслях производства.

Для достижения этих целей предстоит преодолеть определенные трудности в повышении эффективности генетической трансформации и, прежде всего, в идентификации и клонировании генов, создании их банков, расшифровке механизмов полигенной детерминации признаков и свойств биологических объектов, создании надежных векторных систем и обеспечении высокой устойчивости экспрессии генов. Уже сегодня во многих лабораториях мира с помощью методов генетической инженерии созданы принципиально новые трансгенные растения, животные и микроорганизмы, используемые в коммерческих целях.

4 Мир растений определяет благополучие человечества. Известно, что 1,9 млрд тонн (- 99%) употребляемого сухого вещества человечество получает из растений. Растения широко используют в различных областях производства: сельское хозяйство, получение продуктов питания, строительство, производство тканей, бумаги и энергии. Особый интерес представляет получение различных химических соединений, биологически активных веществ (БАВ), из которых производят лекарственные препараты (фитопрепараты), химикаты для сельского хозяйства и пр.

Существенное увеличение урожая сельскохозяйственных культур в 20 веке достигнуто за счет химизации, механизации и мелиорации сельского хозяйства, что привело к загрязнению окружающей среды, истощению энергетических ресурсов, возрастанию затрат на единицу продукции. Кроме того, дополнительный прогресс в улучшении сельскохозяйственных культур в большинстве случаев достиг своего предела. Поэтому крайне необходимы поиск и внедрение новых подходов.

Среди новых подходов к этой проблеме наиболее перспективным является применение клеточной инженерии (синоним: клеточная и тканевая биотехнология). Клеточная инженерия (клеточная и тканевая биотехнология) основана на использовании принципиально нового метода – метода изолированной культуры клеток эукариотических организмов (растений, животных). Выращивание изолированных клеток и тканей на искусственных питательных средах (in vitro) в стерильных условиях получило название метода культуры изолированных тканей.

Роль культуры изолированных клеток и тканей в биотехнологии следует рассматривать в трех направлениях (Шевелуха и др., 2003). Первое связано со способностью изолированных растительных клеток продуцировать ценные для медицины, парфюмерии, косметики и других отраслей промышленности вещества вторичного синтеза: алкалоиды, стероиды, гликозиды, гормоны, эфирные масла и др. Как правило, вторичные вещества получают из каллусной ткани, выращенной на твердой (агаризованной) или жидкой (суспензионная культура) питательной среде. На основе клеточных технологий получают такие медицинские препараты, как диосгенин из клеток диоскореи, тонизирующие вещества из клеток женьшеня, используемые в медицине и парфюмерии. Продуктивность культивируемых клеток в результате клеточной селекции может значительно превышать продуктивность целых растений. Преимуществом такого способа получения веществ вторичного синтеза является также возможность использовать для этой цели растения, не произрастающие в наших природных условиях и получать продукцию круглый год. Второе направление – это использование культуры изолированных клеток для размножения и оздоровления посадочного материала. Этот метод, названный клональным микроразмножением растений, позволяет получать от одной меристемы сотни тысяч растений в год.

Третье направление – использование изолированных клеток в селекции растений, дающее возможность получать быстрорастущие растения, устойчивые к различным неблагоприятным факторам среды: засуха, засоление, низкие и высокие температуры, фитопатогены, тяжелые металлы и др. Вместе с тем это направление предусматривает создание новых растений путем слияния изолированных протопластов и получения неполовых (соматических) гибридов.

Без сомнения 21 век будет веком трансгенных растений. Эти растения, устойчивые к гербицидам, насекомым, вирусам быстро вытесняют старые сорта сельскохозяйственных культур. Перенос в изолированные протопласты чужеродных генов методами генной инженерии является перспективным методом получения трансгенных растений.

5 Практические задачи биотехнологии:

1. Получение препаратов микробиологическим синтезом.

2. Получение моноклональных антител.

3. Биотехнологическая трансформация биологически активных веществ.

4. Культура клеток и тканей растений для медицины.

Остановимся на каждой из задач. Традиционным для медицинской биотехнологии были и остаются производство вакцин, сывороток, диагностикумов, гормонов, витаминов, антибиотиков, аминокислот, ферментов, пробиотиков, статинов и др. Для лечения кишечных дисбактериозов биотехнологической промышленностью в н.в. выпускается ряд препаратов: бифидумбактерин – препарат, содержащий живые Bifidobacterium bifidum в высушенном виде; колибактерин, содержащий живые кишечные палочки штамма М-17; лактобактерин, являющийся живой лиофилизированной культурой молочнокислых бактерий (штаммов Lactobacillus fermenti и Lactobac.plantarum). Биотехнологические методы дают возможность получать амино- и органические кислоты с использованием иммобилизованных в полиакриламидный (ПААГ) или каррагениновый гели микроорганизмов. На основе ферментов получены ряд препаратов для лечения ран и ожогов.

Принципиально новыми являются разработки в области создания противоопухолевых вакцин, получения иммунотоксинов, цитокининов и моноклональных антител к бластомным тканям. Схемы создания противоопухолевых дендритных вакцин выглядят следующим образом: у больного берут кровь, выделя-ют моноциты, которые в последующем культивируют.Получают большое количество зрелых дендритных клеток. Одновременно выделяют у больного опухолевую ткань, ее кратковременно культивируют и далее получают пептиды. Затем дендритные клетки инкубируют с опухолевыми пептидами и далее клеточную взвесь вводят больному. На экспериментальных моделях было показано, что противоопухолевые дендритные вакцины индуцируют протекативный и терапевитический противоопухолевый иммунитет. В пилотных клинических исследованиях выявлена индукция противоопухолевого иммунного ответа и регрессия опухоли у больных с лимфомами и меланомами. На основе иммуннотоксинов созданы противоопухолевые препараты.

Развитие иммунной биотехнологии было вызвано практической необходимостью получения большого количества иммунопрепаратов для профилактики, диагностики и лечения как инфекционных, так и неинфекционных заболеваний. Наиболее часто применяемыми иммунными препаратами являются вакцины, диагностикумы.

В отличие от микробиологического производства, получение биологически активных веществ методом культуры клеток растений в н.в. не имеет широкого применения. Однако, успехи в этой области и уникальность большинства веществ растительного происхождения доказывают перспективность данного направления.

В н.в. получены клеточные культуры большого количества видов растений, способных синтезировать различные вещества вторичного метаболизма: алкалоиды, терпеноиды, гликозиды, полифенолы, эфирные масла и т. п.

Изменяя условия культивирования, используя индуцированный мутагенез и различные методы отбора, а также комбинируя различные подходы можно добиться ощутимых успехов в этом направлении. Данные технологии используются в тех случаях, когда нет достаточной сырьевой базы, а химический синтез является нерентабельным. Преимуществами таких технологий, альтернативных по отношению к классическим растениеводческим, являются:

- возможность получения любых клеточных культур от любых видов растений – редких исчезающих, эндемиков и т.д.;

- получение культур, превышающих по уровню накопления вторичных метаболитов и скорости роста природные растения в десятки и сотни раз;

- получение экологически чистой биомассы с заданными параметрами в необходимых объемах независимо от климатических, погодных и других условий;

- возможность автоматизации и механизации получения растительной биомассы по принципам микробиологической промышленности. Удачны в этом отношении примеры японских фирм, получивших ткань воробейника, продуцирующую шиконин в 8 раз больше интактного растения, а также производящих убихинон- 10 из ткани табака в количествах в 12 раз превышающих синтез в растении. Получены каллусные и суспензионные штаммы раувольфии змеиной, накапливающие до 2 % от сухой массы противоаритмического алкалоида аймалина, мака прицветникового, накапливающие кодеин, сангвинарин, а также штаммы известных растений адаптогенов – женьшень, родиолы и др. Одним из наиболее перспективных направлений в изучении биосинтеза биологически активных веществ растительного происхождения является получение генетически модифицированных организмов. В н.в. достигнуты определенные успехи в увеличении биосинтетических способностей культивируемых объектов путем введения в геном растительных клеток чужеродных генов. Клеточная инженерия (клеточная и тканевая биотехнология) основана на использовании принципиально нового метода – метода изолированной культуры клеток эукариотических организмов (растений, животных). Выращивание изолированных

клеток и тканей на искусственных питательных средах (in vitro) в стерильных условиях получило название метода культуры изолированных тканей.

Таким образом, состояние дел в области направленного биосинтеза биологических веществ растительного происхождения позволяет говорить о том, что уже в настоящее время есть возможность для практического применения достижений биохимии, генетики и физиологии растений в фармакологической промышленности. Для этого необходимо дальнейшее детальное изучение биосинтетических путей биологически активных веществ.

Контрольные вопросы:

1. Что изучает биотехнология?

2. Охарактеризуйте биотехнологию как межотраслевую область научно-технического прогресса.

3. Назовите основные факторы, обусловившие развитие современной биотехнологии.

4. Перечислите основные задачи биотехнологии.

5. Значение растительной биотехнологии для медицины.

Дата добавления: 2014-01-04