Генетическая инженерия и биотехнологии. Их роль в выживании человечества

     Микробиологическая  промышленность в настоящее время  использует тысячи штаммов различных  микроорганизмов. В большинстве  случаев они улучшены путем индуцированного  мутагенеза и последующей селекции. Это позволяет вести широкомасштабный синтез различных веществ.

     В биохимии, микробиологии, цитологии  несомненный интерес вызывают методы иммобилизации как ферментов, так  и целых клеток микроорганизмов, растений и животных.

     В ветеринарии широко используются такие биотехнологические методы, как культура клеток и зародышей, искусственное оплодотворение.

     Все это свидетельствует о том, что  биотехнология станет источником не только новых продуктов питания  и медицинских препаратов, но и  получения энергии и новых  химических веществ, а также организмов с заданными свойствами.

     Биологизация  и экологизация 

     В настоящее время все больше приобретают  популярность идеи экологизации и в  более широком смысле биологизации всей хозяйственной и производственной деятельности.

     Под экологизацией, как начальным этапом биологизации, можно понимать сокращение вредных выбросов производства в окружающую среду, создание малоотходных и безотходных промышленных комплексов с замкнутым циклом и т. п.

     Биологизацию  же следует понимать более широко, как радикальное преобразование производственной деятельности на основе биологических законов биотического круговорота биосферы.

     Целью подобного преобразования должно быть встраивание всей хозяйственно-производственной деятельности в биотический круговорот.

     Особенно  наглядно эта необходимость видна  на феномене стратегической беспомощности химической защиты растений.

     Дело  в том, что в настоящее время  нет в мире ни одного пестицида, к  которому бы не приспособились вредители  растений.

     Применяемые пестициды и гербициды крайне вредны не только для всего животного мира, но и для человека.

     Точно так же в настоящее время становится понятной и стратегическая бесперспективность применения химических удобрений. В этих условиях совершенно естественен переход к биологической защите растений и биоорганической технологии с минимумом химических удобрений.

     Решающую роль в процессе биологизации сельского хозяйства может сыграть биотехнология.

     Можно и нужно говорить о биологизации техники, промышленного производства и энергетики.

     Активно развивающаяся биоэнергетика обещает  революционные преобразования, поскольку  она ориентирована на возобновляемые источники энергии и сырья.  

     Перспективы развития биотехнологии 

     Центральная проблема биотехнологии - интенсификация биопроцессов как за счет повышения потенциала биологических агентов и их систем, так и за счет усовершенствования оборудования, применения биокатализаторов (иммобилизованных ферментов и клеток) в промышленности, аналитической химии, медицине.

     В основе промышленного использования достижений биологии лежит техника создания рекомбинантных молекул ДНК.

     Конструирование нужных генов позволяет управлять  наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов  и создавать организмы с новыми свойствами.

     В частности, возможно управление процессом  фиксации атмосферного азота и перенос  соответствующих генов из клеток микроорганизмов в геном растительной клетки.

     В качестве источников сырья для биотехнологии  все большее значение будут приобретать  воспроизводимые ресурсы не пищевых растительных материалов, отходов сельского хозяйства, которые служат дополнительным источником как кормовых веществ, так и вторичного топлива (биогаза) и органических удобрений.

Одной из бурно развивающихся отраслей биотехнологии считается технология микробного синтеза ценных для человека веществ. По прогнозам, дальнейшее развитие этой отрасли повлечет за собой перераспределение ролей в формировании продовольственной базы человечества растениеводства и животноводства с одной стороны, и микробного синтеза - с другой.

     Не  менее важным аспектом современной  микробиологической технологии является изучения участия микроорганизмов  в биосферных процессах и направленная регуляция их жизнедеятельности  с целью решения проблемы охраны окружающей среды от техногенных, сельскохозяйственных и бытовых загрязнений.

     С этой проблемой тесно связаны  исследования по выявлению роли микроорганизмов в плодородии почв, борьбе с вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур, утилизации пестицидов и других химических соединений в почве.

     Имеющиеся в этой области знания свидетельствуют  о том, что изменение стратегии  хозяйственной деятельности человека от химизации к биологизации земледелия оправдывается как с экономической, так и с экологической точек зрения.

     В данном направлении перед биотехнологией может быть поставлена цель регенерации  ландшафтов.

     Ведутся работы по созданию биополимеров, которые  будут способны заменить современные пластмассы. Эти биополимеры имеют существенное преимущество перед традиционными материалами, так как нетоксичны и подвержены биодеградации, то есть легко разлагаются после их использования, не загрязняя окружающую среду.

     Биотехнологии, основанные на достижениях микробиологии, наиболее экономически эффективны при комплексном их применении и создании безотходных производств, не нарушающих экологического равновесия.

     Их  развитие позволит заменить многие огромные заводы химической промышленности экологически чистыми компактными производствами.

     Важным  и перспективным направлением биотехнологии  является разработка способов получения  экологически чистой энергии.

     Получение биогаза и этанола были рассмотрены  выше, но есть и принципиально новые  экспериментальные подходы в этом направлении.

     Одним из них является получение фотоводорода:

     «Если из хлоропластов выделить мембраны, содержащие фотосистему 2, то на свету происходит фотолиз воды - разложение ее на кислород и водород. Моделирование процессов фотосинтеза, происходящих в хлоропластах, позволило бы запасать энергию Солнца в ценном топливе – водороде».

     Преимущества  такого способа получения энергии  очевидны:

• наличие избытка субстрата, воды;
• нелимитируемый источник энергии - Солнце;
• продукт (водород) можно хранить, не загрязняя атмосферу;
• водород имеет высокую теплотворную способность (29 ккал/г) по сравнению с углеводородами (3.5 ккал/г);
• процесс идет при нормальной температуре без образования токсических промежуточных продуктов;
• процесс циклический, так как при потреблении водорода регенерируется субстрат - вода.

 

     Генетическая  инженерия 

     История генетической инженерии 

     Генная  инженерия появилась благодаря  работам многих исследователей в  разных отраслях биохимии и молекулярной генетики.

     На протяжении многих лет главным классом макромолекул считали белки. Существовало даже предположение, что гены имеют белковую природу.

     Лишь  в 1944 году Эйвери, Мак Леод и Мак  Карти показали, что носителем  наследственной информации является ДНК.

     С этого времени начинается интенсивное изучение нуклеиновых кислот. Спустя десятилетие, в 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик создали двуспиральную модель ДНК. Именно этот год принято считать годом рождения молекулярной биологии.

     Шло интенсивное развитие молекулярной генетики, объектами которой стали кишечная палочка ее вирусы и плазмиды.

     Формально датой рождения генетической инженерии  следует считать 1972 год, когда в  Стенфордском университете П. Берг и  С. Коэн с сотрудниками создали первую рекомбинантную ДНК, содержавшую фрагменты ДНК вируса SV40, бактериофага и E. Coli (кишечной палочки). 
 

     Генетическая  инженерия 

     Одним из разделов молекулярной генетики и  молекулярной биологии, который нашел  наибольшее практическое приложение, является генная инженерия.

     Генная  инженерия – это сумма методов, позволяющих переносить гены из одного организма в другой, или – это технология направленного конструирования новых биологических объектов.

     Родившись в начале 70-х годов, она добилась сегодня больших успехов. Методы генной инженерии преобразуют клетки бактерий, дрожжей и млекопитающих в «фабрики» для масштабного производства любого белка.

     Это дает возможность детально анализировать  структуру и функции белков и  использовать их в качестве лекарственных  средств.

     В настоящее время кишечная палочка (E. coli) стала поставщиком таких важных гормонов как инсулин и соматотропин.

     Ранее инсулин получали из клеток поджелудочной  железы животных, поэтому стоимость его была очень высока.

     Инсулин состоит из двух полипептидных цепей  А и В длиной 20 и 30 аминокислот. При соединении их дисульфидными связями образуется нативный двухцепочечный инсулин.

     Было  показано, что он не дает побочных эффектов, как инсулин животных, а по биологической активности от него не отличается.

     Соматотропин - гормон роста человека, секретируемый гипофизом. Недостаток этого гормона приводит к гипофизарной карликовости. Если вводить соматотропин в дозах 10 мг на 1 кг веса три раза в неделю, то за год ребенок, страдающий от его недостатка, может подрасти на 6 см.

     Ранее его получали из трупного материала, из одного трупа: 4 - 6 мг соматотропина в пересчете на конечный фармацевтический препарат. Таким образом, доступные количества гормона были ограничены, кроме того, гормон, получаемый этим способом, был неоднороден и мог содержать медленно развивающиеся вирусы.

     Компания "Genentec" в 1980 году разработала технологию производства соматотропина с помощью  бактерий, который был лишен перечисленных  недостатков. В 1982 году гормон роста  человека был получен в культуре E. coli и животных клеток в институте Пастера во Франции, а с 1984 года начато промышленное производство инсулина и в СССР.  

     Цели  и методы генетической инженерии 

     Цель  прикладной генетической инженерии  заключается в конструировании  таких рекомбинантных молекул ДНК, которые при внедрении в генетический аппарат придавали бы организму свойства, полезные для человека.

     На  технологии рекомбинантных ДНК основано получение высокоспецифичных ДНК-зондов, с помощью которых изучают  экспрессию генов в тканях, локализацию  генов в хромосомах, выявляют гены, обладающие родственными функциями (например, у человека и курицы). ДНК-зонды также используются в диагностике различных заболеваний.

     Технология  рекомбинантных ДНК сделала возможным  нетрадиционный подход «белок-ген», получивший название «обратная генетика». При таком подходе из клетки выделяют белок, клонируют ген этого белка, модифицируют его, создавая мутантный ген, кодирующий измененную форму белка. Полученный ген вводят в клетку. Таким способом можно исправлять дефектные гены и лечить наследственные заболевания.

     Генетическая  трансформация животных позволяет  установить роль отдельных генов  и их белковых продуктов как в  регуляции активности других генов, так и при различных патологических процессах.

     Технология  рекомбинантных ДНК использует следующие методы: