Лекція: Біотехнологія - стан та перспективи розвитку

План лекції

І.Історія та розвиток біотехнології.

ІІ.Об’єкти, методи та зв’язок біотехнології з іншими науками.

ІІІ.Основні розділи біотехнології:

1) промислова біотехнологія;

2) генетична інженерія;

3) біотехнологія мікроорганізмів;

4) біотехнологія рослин;

5) біотехнологія тварин.

IV. Перспективи та проблеми біотехнології (слайд 2)

І.Історія та розвиток біотехнології

З найдавніших часів людина використовувала біотехнологічні процеси при хлібопеченні, готуванні кисломолочних продуктів, у виноробстві і т.п., але лише завдяки роботам Л. Пастера в середині 19 ст., що доказали зв'язок процесів шумування з діяльністю мікроорганізмів, традиційна біотехнологія одержала наукову основу. У 40-50-ті роки 20 ст., коли був здійснений біосинтез пеніцилінів методами ферментації, почалася ера антибіотиків, що дала поштовх розвитку мікробіологічного синтезу і створенню мікробіологічної промисловості. У 60-70-ті р. 20 ст. почала бурхливо розвиватися клітинна інженерія. Зі створенням у 1972 групою П. Берга в США першої гібридної молекули ДНК in vitro формально пов'язане народження генетичної інженерії, що відкрила шлях до свідомої зміни генетичної структури організмів таким чином, щоб ці організми могли робити необхідні людині продукти і здійснювати необхідні процеси. Ці два напрямки визначили образ нової біотехнології, що має мало загального з тією примітивною біотехнологією, що людина використовувала протягом тисячоліть.В 70 –ті рр. одержав поширення і самий термін «біотехнологія». З цього часу біотехнологія нерозривно пов'язана з молекулярною і клітинною біологією, молекулярною генетикою, біохімією і біоорганічною хімією. За стислий період свого розвитку (25-30 років) сучасна біотехнологія не тільки домоглася істотних успіхів, але і продемонструвала необмежені можливості використання організмів і біологічних процесів у різноманітних галузях виробництва і народного господарства.

Існує багато визначень поняття “біотехнологія”:

біотехнологія – це індустріальна технологія, комплекс промислових процесів на основі використання біологічних систем;

біотехнологія – це поєднання класичної біохімії і традиційної фармацевтичної технології, що використовує сучасні досягнення генної інженерії (інколи біотехнологію вважають еквівалентом поняття “генна інженерія”).

Напевно, найбільш повним і правильнем буде таке визначення біотехнології:

біотехнологія – це застосування наукових та інженерних принципів для переробки речовин органічної та неорганічної природи біологічними агентами з метою отримання різних цінних продуктів та послуг (слайд 3)

ІІ.Об’єкти, методи та зв’язок біотехнології з іншими науками.

Біотехнологічні об’єкти знаходяться на різних стадіях організації:(слайд 4)

а) субклітинні структури (віруси, плазміди, ДНК мітохондрій і хлоропластів, ядерна ДНК).

Вірус – комплекс нуклеїнової кислоти (ДНК або РНК) та білка, що має інфекційність та здатність до самореплікації в інтактній клітині-хазяїні, перебудовуючи її метаболізм у напрямку синтезу вірусних частинок.

Плазміда – кільцева молекула ДНК, що реплікується в клітинах автономно від хромосоми. У складі плазмід можуть знаходитися гени, що кодують різні ознаки клітини-хазяїна, наприклад стійкість до антибіотиків, важких металів, летальної дії ультрафіолетового опромінення та ін. Деякі з цих генів наявні в плазмідах у складі транспозонів.

ДНК мітохондріальні – невеликі кільцеві молекули ДНК мітохондрій, які кодують деякі компоненти мітохондрій.

б) бактерії та ціанобактерії. Мікроорганізмів, що синтезують продукти або здійснюють корисні рекції для людини декілька сотень видів. Бактерії використовуються при виробництві: - харчових продуктів, наприклад, оцту (Gluconobacter suboxidans), молочнокислих продуктів (Lactobacillus, Leuconostoc) та ін.; - мікробних інсектицидів (Bacillus thuringiensis); - білка (Methylomonas); - вітамінів (Clostridium - рибофлавін); - розчинників і органічних кислот; - біогазу та фтороводню. Бактерії широко використовуються для трансформації речовин, генно-інженерних маніпуляціях.

Цінними біотехнологічними об’єктами серед ціанобактерій є носток,анабена, спіруліна,триходесмус та ін.

в) гриби. До грибів відносяться актиноміцети, дріжджі, цвілеві гриби. Біотехнологічні функції грибів різноманітні:

1.антибіотики (пеніцилін, стрептоміцети);

2.гібереліни і цитокіни (фузаріум, ботритіс);

3.каротиноїди (н-д астаксантин);

4.білок (Candida, Saccharomyces lipolitica);

5.сири типу рокфор та камамбер (пеніцилли);

6.соєвий соус (Aspergillus oryzae).

г) водорості. Використовуються в основному для отримання білка (Chlorella и Scenedesmus ). Гідролізати білка зеленої водорості Scenedesmus - в медицині та косметичній промисловості. Водорості – єдине джерело отримання агару, агароїдів, каррагініна, альгінатів (червона водорость – анфельція, бурі водорості). Альгінати використовуються для виготовлення синтетичних волокон, лаків, фарб, шовку будівельних матеріалів, медичних та косметичних кремів, брикету, а також харчових продуктів – фруктові соки, консерви, морозиво,стабілізатори розчинів тощо.

д) найпростіші. Відносяться до нетрадиційних об’єктів біотехнології. До недавна вони використовувались як активний компонент при очистці стічних вод. На даний час увагу вчених привернули найпростіші, що живуть у рубці жуйних тварин (наявність ферменту - целюлази).

е) культури клітин рослин, тварин, а також самі рослини та тварини [Кузьмина Н.А.].

Дослідження у біотехнології здійснюються завдяки застосуванню мутагенезу з наступною селекцією in vitro, соматичної гібридизації- (система, що включає в генетичну рекомбінацію хромосоми і гени ядра та органел поза сексуальним циклом, наприклад, шляхом злиття ізольованих протопластів) культуральних методів, методів клітинної та генетичної інженерії.(рекомбінування та конструювання очищених із клітин генів, переносу генів в м/о культивовані клітини тварин, рослинні клітини, в цілі рослини) Генетичний матеріал переносять в клітини і організми за допомогою різних методів: 1) В м/о гени вводять в склад кільцевих молекул – плазмід, додаючи їх в середовище культивування; 2) В клітини тварин гени вводять додаючи їх в середовище культивування або вприскуванням (мікроін'єкція) за допомогою мікропіпетки. Особливі прийоми використання переносу генів в цілі тваринні форми. Один із них полягає в тому, що очищені гени вводять тільки що запліднені яйцеклітини (зиготи) за допомогою шприца і мікропіпетки, кінчик якої має діаметр близько 1 мкм, вводять безпосередньо в ядро. Ген можна перенести в ембріон і з допомогою вірусів. Існує 2 підходи переносу генів в рослини. Перший характеризується тим, що гени вводять в ізольовані клітини, що позбавлені полісахаридних стінок (протопласти). Потім із цих клітин отримують цілі рослини. При другому підході використовують ДНК (Ті-плазміди) м/о Agrobacterium tumefaciens, які здатні заражати рослинні клітини і переносити в них частину Ті-плазміду разом із чужерідною ДНК. Ген, що переносять, вводять в цю частину Ті-плазміди. Третій спосіб – ДНК-пробій, вистрелюють в певні клітини вольфрамовими кулями, які несуть чужі гени, безпосередньо вводять в ядро.

В молекуклярній біологї використання біотехнологічних методів дозволяє визначити структуру геному, зрозуміти експресію генів, змоделювати клітинні мембрани з з ціллю вивчення їх функцій і т.д (слайд 5).

Конструювання потрібних генів методами генної та клітинної інженерії дозволяє керувати спадковістю і життєдіяльністю тварин, рослин, мікроорганізмів та створювати організми з новими корисними для людини властивостями, раніше не відомих в природі.

Рис. 1. Зв’язок біотехнології з іншими науками (за В.І.Кефелі, 1989)

Мікробіологічна промисловість в даний час використовує тисячі штамів різноманітних мікроорганізмів. В переважній більшості вони вдосконалені шляхом індукованого мутагенезу та наступної селекції. Це дозволяє вести широкомасштабний синтез різного роду речовин.

Деякі білки та вторинні метаболіти можуть бути отримані тільки шляхом культивування клітин еукаріотів. Рослинні клітини слугують джерелом ряду сполук - атропін, нікотин, алкалоїди, сапоніни та ін. Клітини тварин та людини також продукують ряд біологічно активних речовин. Наприклад, клітини гіпофіза - ліпотропін, стимулятор розщеплення жирів, соматотропін - гормон, що регулює ріст.

. В біохімії, мікробіології, цитології великий інтерес викликають методи іммобілізації як ферментів, так і цілих клітин мікроорганізмів, рослин та тварин. У ветеринарній медицині широко викоритовуються біотехнологічні методи - культура клітин, зародків, овогенез in vitro, штучне запліднення. Все це свідчить про те, що біотехнологія стане джерелом не тільки нових продуктів харчування і медичних препаратів, але й отримання енергії, хімічних речовин, а також організмів з корисними властивостями [Кузьмина Н.А.]..

ІІІ. Основні розділи біотехнології

1) Основні напрямки промислової біотехнології: (слайд 6)

- біоенергетика;

- біотехнологія обробки стічних вод і контроль забрудненості важкими металами;

- біотехнологія сільського господарства;

- біогеотехнологія;

- біоелектроніка;

- біотехнологія в медицині;

- біотехнологія харчової промисловості.

Біоенергетика. Для сухої речовини найпростіший спосіб перетворення біомаси в енергію – це згоряння, внаслідок чого утворене тепло, може перетворюватись в механічну та електричну енергію. Ефективним методом переробки сирої речовини – отримання біогазу (метану). Метанове «бродіння», або біометаногенез, - це давно відомий процес перетворення біомаси в енергію. Він був відкритий в 1776 році Вольтою, що дослідив наявність метану в болотному газі. Біометаногенез здійснюється в три етапи: розчинення та гідроліз органічних речовин, ацидогенез та метаногенез. В метоновому «бродінні» беруть участь три групи бактерій: перші перетворюють складні органічні субстрати в масляну, пропіонову та молочну кислоти; інші перетворюють ці органічні кислоти в оцтову кислоту, водень, вуглекислий газ, а потім метаноутворюючі бактерії відновлюють вуглекислий газ в метан, з поглинанням водню. Біометаногенез проходить у водонепроникних циліндричних цистернах (дайджестерах), що як правило занурюються в землю при цьому враховуються ізоляційні властивості грунту. Виробництво біогазу має ряд переваг: джерело енергії, відходи процесу, якого є високоякісними добривами та й сам процес сприяє підтриманню чистоти навколишнього середовища. Про те, щоб впровадити широкомасштабний розвиток та економічну вигідність підприємств по виробництву біогазу, необхідно вирішити цілий ряд біохімічних, мікробіологічних та соціальних проблем.

Біотехнологія обробки стічних вод і контроль забрудненості важкими металами.

Розвиток промисловості призводить до утворення великої кількості відходів, в тому числі відходів, що містять нові антропогенні компоненти. Побутові відходи поділяють на 2 групи: тверді відходи та стічні води. Тверді відходи складаються з целюлозовмісних матеріалів (40% паперу, 2,5% дерева, 8% текстилю) та харчові відходи (40%). Метод переробки – метанове «бродіння». Стічні води містять складну суміш розчинних та нерозчинних компонентів різноманітної природи та концентрації: побутові – ґрунтову та кишкову мікрофлору, включаючи патогенні мікроорганізми; відходи цукрових, крохмальних, пивних та дріжджових заводів, м’сокомбінатів – велику кількість вуглеводів, білків, жирів; хімічних та металургійних підприємств – можуть мати токсичні та вибухонебезпечні речовини. Небезпечне забруднення виникає при потраплянні в навколишнє середовище сполук важких металів (залізо, мідь, олово та ін.). Основною метою при очистці стічних вод – видалення розчинних та нерозчинних компонентів, детоксикація патогенної мікрофлори.

Велику цінність мають бактерії роду Pseudomonas вони утилізують: нафталін, толуол, алкани, фенольні сполуки, гербіциди та ін. Азотовмісні сполуки (білки, амінокислоти, сечовина) видаляються в біологічному про цесі денітрифікації-нітрифікації. Природні штами мікроорганізмів не використовуються для накопичення важких металів через їх високу токсичність. Про те, є білок – металотіонін, який активно зв’язує різноманітні важкі метали (ген, що кодує синтез мишачого металотіоніну, клонований в бактеріях).

Біотехнологія сільського господарства. Внесок біотехнології в сільськогосподарське виробництво полягає в полегшенні традиційних методів селекції рослин і тварин в розробці нових технологій, що дозволяють підвищити ефективність сільського господарства. У багатьох країнах методами генетичної і клітинної інженерії створені високопродуктивні і стійкі до шкідників, хвороб, гербіцидів сорти сільськогосподарських рослин. Розроблена техніка оздоровлення рослин від накопичених інфекцій, що особливо важливо для культур рослин, які вегетативно розмножуються (картопля й ін.). Як одна з найважливіших проблем біотехнології у усьому світі широко досліджується можливість керування процесом азотфіксації, у тому числі можливість уведення генів азотфіксації в геном корисних рослин, а також процесом фотосинтезу. Ведуться дослідження з поліпшенням амінокислотного складу рослинних білків. Розробляються нові регулятори росту рослин, мікробіологічні засоби захисту рослин від хвороб і шкідників, бактеріальні добрива. Геноінженерні вакцини, сироватки, моноклональні антитіла використовують для профілактики, діагностики і терапії основних хвороб сільськогосподарських тварин. У створенні більш ефективних технологій племінної справи застосовують геноінженерний гормон росту, а також техніку трансплантації і мікроманіпуляцій на ембріонах домашніх тварин. Для підвищення продуктивності тварин використовують кормовий білок, отриманий мікробіологічним синтезом.

Біогеотехнологія – використання геохімічної діяльності мікроорганізмів в гірськовидобувній промисловості. Це екстракція та концентрування металів при біологічній очистці стічних вод підприємств гірсько видобувної промисловості та в процесах: вилужування бідних та перероблених руд, десульфування кам’яного вугілля, окислення піритів тощо.

Біоелектроніка. В електроніці біотехнологія може використовуватись для створення покращених типів біосенсорів та нових провідникових приладів – біочіпів. Біотехнологія дає можливість створювати прилади, в яких білки являються основою молекул, діють як напівпровідники. Для індикації забруднень різноманітного походження останнім часом використовують не хімічні реагенти, а біосенсори – ферментні електроди, також імобілізовані клітини мікроорганізмів. В якості сенсорів використовуються також моноклональні антитіла. Лідерами у виробництві біодатчиків та біочіпів є японські компанії - Hitachi, Sharp.

Біотехнологія в медицині. У медицині біотехнологічні прийоми і методи грають головну роль при створенні нових біологічно активних речовин і лікарських препаратів, призначених для ранньої діагностики і лікування різноманітних захворювань. Антибіотики - найбільший клас фармацевтичних сполук, одержання яких здійснюється за допомогою мікробіологічного синтезу. Створено генноінженерні штами кишкової палички, дріжджей, що культивуються клітин ссавців та комах, використовувані для одержання зрістового гормону, інсуліну й інтерферону людини, різноманітних ферментів і противірусних вакцин. Змінюючи нуклеотидну послідовність у генах, що кодують відповідні білки, оптимізують структуру ферментів, гормонів і антигенів. Найважливішим відкриттям стала розроблена в 1975 Р. Келером і С. Мільштейном техніка використання гібридів для одержання моноклональних антитіл бажаної специфічності. Моноклональні антитіла використовують як унікальні реагенти, для діагностики і лікування різноманітних захворювань.

Біотехнологія харчової промисловості. Питання забезпечення населення нашої планети продуктами харчування є одним з найактуальніших в даний час. За даними ООН більше половини населення Землі є незабезпеченим достатньою кількістю продуктами харчування, приблизно 500 млн. людей голодають. Проблема харчування людей полягає у нестачі білка. Ефективним джерелом білка можуть бути водорості. Збільшення кількості харчового білка можна і за рахунок мікробіологічного синтезу. Мікроорганізми дуже багаті на білок, а швидкість синтезу приблизно в 10-100 тисяч разів перевищує швидкість синтезу тваринних білків.

Застосовуючи звичайні технологічні лінії по виробництву синтетичних волокон, можна отримати з штучних білків довгі нитки, які після просочування формоутворюючими речовинами, надають їм відповідного смаку, кольору, запаху можуть імітувати будь-який білковий продукт. В такий спосіб вже отримані штучне м’ясо, молоко, сири та інші продукти [Кузьмина Н.А.].

Дата добавления: 2014-01-07