Біотехнологія

Основні напрямки біотехнології

Біотехнологія – це виробництво необхідних людині продуктів і матеріалів за допомогою:

  • живих організмів;
  • культивованих клітин;
  • біологічних процесів.

Можливості біотехнології надзвичайно великі завдяки тому, що її методи вигідніше звичайних: вони використовуються при оптимальних умовах (температурі і тиску), більш продуктивні, екологічно чисті і не вимагають хімічних реактивів, шкідливих для середовища.

Об’єктами біотехнології служать численні представники груп живих організмів:

  • мікроорганізми (віруси, бактерії, найпростіші, дріжджі та ін);
  • рослини;
  • тварини;
  • а також ізольовані з них клітини і субклітинні структури (органели).

Біотехнологія базується на фізіолого-біохімічних процесах що протікають в живих системах, в результаті яких здійснюються виділення енергії, синтез і розщеплення продуктів метаболізму, формування хімічних і структурних компонентів клітини.

Головними напрямками біотехнології є:

  • виробництво за допомогою мікроорганізмів і культивованих еукаріотичних клітин біологічно активних сполук (ферментів, вітамінів, гормональних препаратів), лікарських препаратів (антибіотиків, вакцин, сироваток, високоспецифічних антитіл та ін), а також білків, амінокислот, які використовують в якості кормових добавок;
  • застосування біологічних методів боротьби із забрудненням навколишнього середовища (біологічна очистка стічних вод, забруднень грунту і т. і.) і для захисту рослин від шкідників і хвороб;
  • створення нових корисних штамів мікроорганізмів, сортів рослин, порід тварин і т. п.

Завдання, методи та досягнення біотехнології

Людству необхідно навчитися ефективно змінювати спадкову природу живих організмів, щоб забезпечити себе доброякісною їжею і сировиною і при цьому не привести планету до екологічної катастрофи. Тому не випадково головним завданням селекціонерів в наш час стало рішення проблеми створення нових форм рослин, тварин і мікроорганізмів, добре пристосованих до індустріальних способів виробництва, стійко переносять несприятливі умови, ефективно використовують сонячну енергію і, що особливо важливо, – дозволяють отримувати біологічно чисту продукцію без надмірного забруднення навколишнього середовища. Принципово новими підходами до вирішення цієї фундаментальної проблеми є використання в селекції генної та клітинної інженерії.

Генна (генетична) інженерія – розділ молекулярної генетику пов’язаний з цілеспрямованим створенням нових молекул ДНК, здатних розмножуватися в клітині-хазяїні та здійснювати контроль за синтезом необхідних метаболітів клітини.

Виникла на стику хімії нуклеїнових кислот і генетики мікроорганізмів, генна інженерія займається розшифровкою структури генів, їх синтезом і клонуванням, вставкою виділених з клітин живих організмів або знову синтезованих генів у клітини рослин і тварин з метою спрямованої зміни їх спадкових властивостей.

Для здійснення переносу генів (або трансгенезу) від одного виду організмів в інший, часто дуже далекий за своїм походженням, необхідно виконати кілька складних операцій:

  • виділення генів (окремих фрагментів ДНК) з клітин бактерій, рослин або тварин. В окремих випадках цю операцію замінюють штучним синтезом потрібних генів;
  • з’єднання (зшивання) окремих фрагментів ДНК будь-якого походження в єдину молекулу в складі плазміди;
  • введення гібридної плазмідної ДНК, що містить потрібний ген, в клітини господаря;
  • копіювання (клонування) цього гена в новому хазяїні із забезпеченням його роботи.

Клоновані гени шляхом мікроін’єкції вводять в яйцеклітину ссавців або протопласти рослин (ізольовані клітини, позбавлені клітинної стінки) і з них вирощують цілих тварин або рослини, в геном яких вбудовані (інтегровані) клоновані гени. Рослини і тварини, геном яких змінений шляхом генноінженерних операцій, отримали назву трансгенних рослин або трансгенних тварин.

Вже отримані:

  • трансгенні миші;
  • кролики;
  • свині;
  • вівці, в геномі яких працюють чужорідні гени різного походження

в тому числі гени:

  • бактерій;
  • дріжджів;
  • ссавців;
  • людини, а також трансгенні рослини з генами інших, неспоріднених видів.

Трансгенні організми свідчать про великі можливості генної інженерії як прикладної гілки молекулярної генетики. Наприклад, в останні роки отримано нове покоління трансгенних рослин, для яких характерні такі цінні ознаки, як стійкість до гербіцидів, до комах та ін Трансгенні рослини в 1999 р. займали в світі площу, рівну 48,2 млн. га.

Є всі підстави припускати, що вже в найближчому майбутньому буде вирішено проблему спрямованої зміни спадковості вищих рослин, що призведе до революції в сільському господарстві.

У першу чергу мова йде про створення симбіозу між злаками і азотфіксуючими бульбочкових бактерій, а це вирішить проблему азотних добрив. Є вже докази того, що вільноживучі азотфіксуючі бактерії здатні асоціювати з корінням злаків, даючи можливість рослині-господарю отримувати деяку кількість азоту в результаті бактеріальної азотфіксації. Тепер генетично потрібно домогтися, щоб азотфіксуючі бактерії більш ефективно приєднувалися до коріння злаків, що сприяло б успішному симбіозу.

Розробляється метод перенесення в певні рослини більш ефективних ферментних систем метаболічного шляху фіксації атмосферного вуглецю (темнової фази фотосинтезу), що дозволить підвищити швидкість фіксації вуглекислого газу і, як наслідок, продуктивність фотосинтезу культурних рослин.

Найважливішим кроком до перемоги не тільки над генетичними хворобами, а й над старістю буде розробка методів генотерапії, безпечних для клітини.

Тоді у лікарів з’явиться можливість замінювати в організмі літніх людей пошкоджені в результаті мутацій гени на нормальні.

На сьогоднішній день методи генної інженерії дозволили здійснити синтез в промислових кількостях таких гормонів, як інсулін, інтерферон і соматотропін (гормон росту), які необхідні для лікування ряду генетичних хвороб людини – цукрового діабету, деяких видів злоякісних утворень, карликовості,

За допомогою генетичних методів були отримані також штами мікроогранізмов (Ashbya gossypii, Pseudomonas denitrificans та ін), які виробляють в десятки тисяч разів більше вітамінів (С, В3, В13, тощо), ніж вихідні форми.

В основі клітинної інженерії лежить використання методів культивування ізольованих клітин і тканин на штучному живильному середовищі в регульованих умовах. Це стало можливим завдяки здатності рослинних клітин в результаті регенерації формувати цілу рослину з одиничної клітини.

Умови регенерації розроблені для багатьох культурних рослин – картоплі, пшениці, ячменю, кукурудзи, томатів та ін. Робота з цими об’єктами робить можливим використання в селекції нетрадиційних методів клітинної інженерії – соматичної гібридизації, клітинної селекції і т.д.

Соматична гібридизація – це злиття двох різних клітин у культурі тканин.

Зливатися можуть різні види клітин одного організму і клітини різних, іноді дуже далеких видів, наприклад миші і щури, кішки і собаки, людини і миші.

Культивування клітин рослин стало можливим, коли навчилися за допомогою ферментів позбавлятися від товстої клітинної стінки і отримувати ізольований протопласт, який можна культивувати так само, як і клітини тварин. Крім того, можна змусити злитися з протопластом інших видів рослин і отримати у відповідних умовах нові гібриди. Протопласт є також ідеальним реципієнтом для чужорідної ДНК, що дає можливість утворення генетично модифікованих рослин.

З протопластів багатьох рослин в відповідних умовах формуються повноцінні організми, які можна пересадити в землю і далі розмножувати звичайним способом. Таким шляхом отримують гібриди між рослинами, які інакше не схрещуються, звільняються від вірусів або, навпаки, вводять в рослини інші гени.

У рослин-регенерантів виявлено широкий спектр мутацій як за якісними, так і за кількісними ознаками. Для проведення спрямованої селекції мутантів в культурі створюється селективний фон, який дозволяє відібрати клітини з потрібними якостями.

Саме цей тип клітинної селекції забезпечує можливість підвищення пристосованості генотипів, тобто в культурі можлива селекція на стійкість до патогенів, гербіцидів, засолення грунтів, високої або низької їх кислотності, посухи та ін. Загальний принцип відбору рослинних клітин в культурі на живильному середовищі полягає в тому, що ознака рослини, за якою ведеться відбір, як правило, повинна проявлятися на клітинному рівні.

Наприклад, якщо в культуру рослинних клітин додати токсичні аналоги амінокислот, то будуть розмножуватися тільки ті мутанти, у яких власний синтез цих амінокислот вище звичайного. Так вдалося отримати клітки, а з них рослини моркви, які синтезують в 20 разів більше метіоніну, в 30 разів – триптофану, в 5 разів – лізину. Проведення такої селекції на цілих рослинах вимагало б величезної роботи протягом багатьох десятків років.

Біотехнологія

Це галузь промисловості, яка використовує біохімічні механізми живих організмів.

Першими «Біотехнологами» були стародавні землероби, які виявили, що, додавши дріжджі в тісто, можна випікати пишний і м’який хліб, а виноградний сік подібним чином перетворювати на вино. Тут людина використовувала реакцію гліколізу.

Довгий час біотехнологія застосовувалася лише у харчовій та легкій промисловості:

  • приготування хліба;
  • сиру;
  • вина;
  • пива;
  • кумису;
  • кефіру;
  • оцту;
  • обробка льону і шкір і т. д.

Зараз можливості її надзвичайно розширилися. Біотехнологічні методи у багатьох випадках вигідніше звичайних, так як в живих організмах хімічні реакції, каталізуються ферментами, йдуть при низьких температурах і тиску, і не вимагають реактивів, отруйних для середовища. Наприклад, виноградний цукор (глюкозу) можна отримувати кип’ятінням клітковини (целюлози) в сірчаній кислоті (продукт – патока), а при додаванні відповідного ферменту реакція йде швидко навіть при 37°С.

Біотехнологи використовують відповідні штами бактерій і грибів, виведені методами селекції та генної інженерії. Все частіше використовують не самі мікроорганізми, а виділені з них ферменти.

Біотехнологія дає не тільки харчові продукти, а й:

  • ліки;
  • гормони;
  • різноманітні хімічні речовини;
  • кормові та харчові білки і багато іншого.

Біотехнологія проникає і у важку промисловість, в тому числі і металургію. Вже в давнину перші металурги отримували залізо з болотних руд, вироблених залізобактеріями, які здатні концентрувати залізо. Зараз розроблені способи бактеріальної концентрації інших полівалентних металів (марганцю, міді, хрому і т. д.). Таким способом вдається розробляти відвали старих рудників і бідні родовища, видобуток з яких колишніми способами економічно невигідний.

У біотехнології багатообіцяючі перспективи.

Використовуючи методи, вже освоєні природою, біотехнологи сподіваються в найближчому майбутньому отримувати за допомогою фотосинтезу органічні сполуки, водень (екологічно чисте паливо майбутнього), електроенергію, перетворювати на аміак атмосферний азот при звичайній температурі і тиску.

Посилання на основну публікацію