Это использование биологических систем и процессов в сельском хозяйстве и промышленности. Изначально биотехнологией называли микробиологическое производство – промышленное культивирование бактерий и грибов для получения продуктов их жизнедеятельности (например, антибиотиков). Сейчас биотехнология включает в себя генную и клеточную инженерию.
Генная инженерия
Это перенос генов в клетки другого организма (получение трансгенных организмов). Техпроцесс:
1) Получение гена. Из клетки выделяют иРНК, затем получают из них ДНК путем обратной транскрипции.
2) Получение рекомбинантной плазмиды. Плазмида – небольшая кольцевая молекула ДНК, характерная для прокариот. В неё вставляют ген, который необходимо перенести.
3) Перенос. Бактерии, например, сами поглощают ДНК из окружающей среды. В природе это является одним из механизмов изменчивости у бактерий.
4) Отбор. Отбирают организмы, в которых пересаживаемый ген содержится и работает.
Примеры использования генной инженерии:
- Инсулин получают из бактерии кишечной палочки с пересаженным человеческим геном инсулина.
- В культурное растение пересаживают ген устойчивости к гербициду, при обработке поля гербицидом все сорняки погибают, а культурное растение – нет.
- В культурное растение пересаживают ген яда, убивающего некоторые виды насекомых. Поле, засеянное этими растениями, не нужно обрабатывать инсектицидами.
- В рапс пересажен ген устойчивости к засолению почвы из другого растения.
Клеточная инженерия
Это конструирование новых клеток (с новыми свойствами). Примеры:
1) Клонирование. Ядро соматической клетки животного пересаживают в яйцеклетку и выращивают новый организм, при этом полностью сохраняются все наследственные признаки донора ядра.
2) Соматическая (клеточная) гибридизация. Например, сливают две клетки – В-лимфоциты, вырабатывающие антитела, и раковые клетки, способные неограниченно делиться – получают гибридные клетки, выделяющие антитела.
3) Культура клеток (тканей). Ткани и органы можно выращивать «в пробирке» на питательной среде. Например, гормон эритропоэтин получают из культур клеток хомяков.
4) Микроклональное размножение. У растений и грибов целый организм можно вырастить из одной или нескольких соматических клеток. Так можно получить посадочный материал, не содержащий вирусов.
Клеточная и генная инженерия, клонирование
Современные направления биотехнологии предполагают внедрение в клетку, в процессы метаболизма, перестройку генов. За использованием подобных манипуляций стоит желание человека добиться создания необходимых продуктов питания и химических веществ. Биотехнология – наука затратная, которая требует не только финансовых вложений, но и фундаментальных знаний в области биологии.
Клеточная инженерия
Клеточная инженерия предполагает создание клеток нового типа путем их культивирования, гибридизации и реконструкции. Клетки видоизменяют, вводя в них новые хромосомы, ядра, клеточные органоиды.
Направления деятельности клеточной инженерии
Клеточная инженерия научилась культивировать (выращивать) изолированные клетки и ткани на специально подобранной питательной среде в контролируемых условиях (влажность, температура, освещенность). Из одной клетки таким путем получают полноценное растение или клеточную массу (каллус). Такие эксперименты проводят благодаря способности растительной клетки к регенерации и чаще всего применяют для с/х растений и лекарственных трав.
Селекция и клеточная инженерия относятся к неразделимым понятиям. В селекции применяют новые, не стандартные методики:
- соматическая гибридизация;
- гаплоидия;
- селекция на уровне клеток;
- преодоление не скрещиваемости сортов или видов растительных культур.
Такие способы позволяют экспериментировать и создавать новые гибриды и сорта, которые невозможно получить традиционными путями, используя только методы селекции.
Генетическая инженерия
Генетическая инженерия относится к разделу молекулярной биологии, которая предполагает внедрение «скальпеля» в геном клетки и его перестройку, создание организмов с новой генетической программой по заранее продуманному плану. Основные направления деятельности генной инженерии – это перестройка генотипов и пересадка генов.
Читайте также: Риск осложнений при биопсии тканей плода
Научные работы проводятся с молекулами ДНК, которые внедряют в новую клетку. ДНК начинает размножаться и «отслеживать» синтез нужных человеку соединений по заданной программе.
Генная инженерия, соединив достижения химии и генетики, помогает:
- расшифровывать структуру гена;
- синтезировать новые гены;
- вставлять в живые клетки синтезированные гены, с заранее продуманной программой, для изменения их наследственных свойств.
Внедрение гена из одного организма в другой требует выполнение цепочки последовательных действий:
Выращены трансгенные животные, содержащие геном с не родными генами. Уже получены трансгенные мыши, кролики, свиньи, овцы. Они содержат ДНК, в которой работают чужеродные гены разного происхождения. Животные и растения в качестве наследственного материала получают гены бактерий, дрожжей, млекопитающих, человека.
Важно! Трансгенные организмы устойчивы к факторам внешней среды, вредителям и болезням, наделены теми чертами, которые запрограммировал в них человек.
Клонирование
Слово «клонирование» применялось при бесполом размножении организмов. Сейчас этот термин приобрел иную направленность. Это создание копий генов и клеток в лабораторных условиях. При бесполом размножении полученные экземпляры живых организмов являются точной копией исходного материала. Но это возможно не всегда: рожденные «в пробирке» искусственные эмбрионы подвержены мутациям. Это значит, что у них развивается наследственная изменчивость.
К сведению: Иногда клонирование путают с искусственным оплодотворением, когда оплодотворенную яйцеклетку вводят в матку будущей матери (родной или суррогатной). Это метод решения проблемы бесплодия, но он не относится к клонированию.
Биотехнология, генетическая и клеточная инженерия
Биотехнология — это сознательное производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью живых организмов и биологических процессов.
С незапамятных времен биотехнология применялась преимущественно в пищевой и легкой промышленности: в виноделии, хлебопечении, сбраживании молочных продуктов, при обработке льна и кож, основанных на применении микроорганизмов. В последние десятилетия возможности биотехнологии необычайно расширились. Это связано с тем, что ее методы выгоднее Обычных по той простой причине, что в живых организмах биохимические реакции, катализируемые ферментами, идут при оптимальных условиях (температуре и давлении), более производительны, экологически чисты и не требуют химических реактивов, отравляющих среду.
Объектами биотехнологии являются многочисленные представители групп живых организмов — микроорганизмы (вирусы, бактерии, простейшие, дрожжевые грибы), растения, животные, а также изолированные из них клетки и субклеточные компоненты (органеллы) и даже ферменты. Биотехнология базируется на протекающих в живых системах физиолого-биохимических процессах, в результате которых осуществляются выделение энергии, синтез и расщепление продуктов метаболизма, формирование химических и структурных компонентов клетки.
Главным направлением биотехнологии является производство с помощью микроорганизмов и культивируемых эукариотических клеток биологически активных соединений (ферменты, витамины, гормоны), лекарственных препаратов (антибиотики, вакцины, сыворотки, высокоспецифичные антитела и др.), а также ценных соединений (кормовые добавки, например, незаменимые аминокислоты, кормовые белки и т. д.). Методы генетической инженерии позволили осуществить синтез в промышленных количествах таких гормонов, как инсулин и соматотропин (гормон роста), которые необходимы для лечения генетических болезней человека.
Одним из важнейших направлений современной биотехнологии является также использование биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка сточных вод, загрязненной почвы и т. п.).
Так, для извлечения металлов из сточных вод могут широко использоваться штаммы бактерий, способные накапливать уран, медь, кобальт. Другие бактерии родов Rhodococcus и Nocardia с успехом применяют для эмульгирования и сорбции углеводородов нефти из водной среды. Они способны разделять водную и нефтяную фазы, концентрировать нефть, очищать сточные воды от примесей нефти. Ассимилируя углеводороды нефти, такие микроорганизмы преобразуют их в белки, витамины из группы В и каротины.
Читайте также: Шапочка врача своими руками из ткани
Некоторые из штаммов галобактерий с успехом применяют для удаления мазута с песчаных пляжей. Получены также генно-инженерные штаммы, способные расщеплять октан, камфару, нафталин, ксилол, эффективно утилизировать сырую нефть.
Большое значение имеет использование методов биотехнологии для защиты растений от вредителей и болезней.
Биотехнология проникает в тяжелую промышленность, где микроорганизмы используются для добычи, превращения и переработки природных ископаемых. Уже в древности первые металлурги получали железо из болотных руд, производимых железобактериями, которые способны концентрировать железо. Теперь разработаны способы бактериальной концентрации ряда других денных металлов: марганца, цинка, меди, хрома и др. Эти методы используются для разработки отвалов старых рудников и бедных месторождений, где традиционные методы добычи экономически невыгодны[4].
Генетическая инженерия — один из важнейших методов биотехнологии. Она предполагает целенаправленное искусственное создание определенных комбинаций генетического материала, способных нормально функционировать в клетке, т. е. размножаться и контролировать синтез конечных продуктов. Можно выделить несколько разновидностей метода генетической инженерии в зависимости от уровня и особенностей его использования.
Генетическая инженерия используется в основном на прокариотах и микроорганизмах, хотя в последнее время начала применяться и на высших эукариотах (например, на растениях). Этот метод включает выделение из клеток отдельных генов или синтез генов вне клеток (например, на основе матричной РНК, синтезированной данным геном), направленную перестройку, копирование и размножение выделенных или синтезированных генов (клонирование генов), а также их перенос и включение в подлежащий изменению геном. Таким путем можно добиться включения в клетки бактерий «чужих» генов и синтеза бактериями важных для человека соединений. Благодаря этому в геном кишечной палочки удалось ввести ген синтеза инсулина из генома человека. Инсулин, синтезированный бактериями, используется для лечения больных сахарным диабетом.
Развитие генетической инженерии стало возможным благодаря открытию двух ферментов — рестриктаз, разрезающих молекулу ДНК в строго определенных участках, и лигаз, сшивающих кусочки различных молекул ДНК друг с другом. Кроме того, в основе генетической инженерии лежит открытие векторов, которые представляют собой короткие, самостоятельно размножающиеся в клетках бактерий кольцевые молекулы ДНК. С помощью рестриктаз и лигаз в векторы и встраивают необходимый ген, добиваясь впоследствии его включения в геном клетки-хозяина.
Клеточная инженерия — это метод конструирования клеток нового типа на основе их культивирования, гибридизации и реконструкции. Она базируется на использовании методов культуры клеток и тканей. Выделяются два направления клеточной инженерии: 1) использование клеток, переведенных в культуру, для синтеза различных полезных для человека соединений; 2) применение культивируемых клеток для получения из них растений-регенерантов.
Растительные клетки в культуре — это важный источник ценнейших природных веществ, так как они сохраняют способность синтезировать свойственные им вещества: алкалоиды, эфирные масла, смолы, биологически активные соединения. Так, переведенные в культуру клетки женьшеня продолжают синтезировать, как и в составе целостного растения, ценное лекарственное сырье. Причем, в культуре с клетками и их геномами можно проводить любые манипуляции. Используя индуцированный мутагенез, можно повышать продуктивность штаммов культивируемых клеток и проводить их гибридизацию (в том числе и отдаленную) гораздо легче и проще, чем на уровне целостного организма. Кроме этого, с ними, как и с прокариотическими клетками, можно проводить генно-инженерные работы.
Читайте также: Текстильные принтеры прямой печати по тканям
Путем гибридизации лимфоцитов (клеток, синтезирующих антитела, но неохотно и недолго растущих в культуре) с опухолевыми клетками, обладающими потенциальным бессмертием и способными к неограниченному росту в искусственной среде, решена одна из важнейших задач биотехнологии на современном этапе — получены клетки гибридомы, способные к бесконечному синтезу высокоспецифических антител определенного типа.
Таким образом, клеточная инженерия позволяет конструировать клетки нового типа с помощью мутационного процесса, гибридизации и, более того, комбинировать отдельные фрагменты разных клеток (ядра, митохондрии, пластиды, цитоплазму, хромосомы и т. д.), клетки различных видов, относящиеся к разным родам, семействам. Это облегчает решение многих теоретических проблем и имеет практическое значение.
Клеточная инженерия широко используется в селекции растений. Выведены гибриды томата и картофеля, яблони и вишни. Регенерированные из таких клеток растения с измененной наследственностью позволяют синтезировать новые формы, сорта, обладающие полезными свойствами и устойчивые к неблагоприятным условиям среды и болезням. Этот метод широко используется и для «спасения» ценных сортов, пораженных вирусными болезнями. Из их ростков в культуре выделяют несколько верхушечных клеток, еще не пораженных вирусом, и добиваются регенерации из них здоровых растений сначала в пробирке, а затем пересаживают в почву и размножают.
Для того чтобы обеспечить себя доброкачественной пищей и сырьем и при этом не привести планету к экологической катастрофе, человечеству необходимо научиться эффективно изменять наследственную природу живых организмов. Поэтому не случайно главной задачей селекционеров в наше время стало решение проблемы создания новых форм растений, животных и микроорганизмов, хорошо приспособленных к индустриальным способам производства, устойчиво переносящих неблагоприятные условия, эффективно использующих солнечную энергию и, что особенно важно, позволяющих получать биологически чистую продукцию без чрезмерного загрязнения окружающей среды. Принципиально новыми подходами к решению этой фундаментальной проблемы является использование в селекции генной и клеточной инженерии.
Биотехнология решает не только конкретные задачи науки и производства. У нее есть более глобальная методологическая задача — она расширяет и ускоряет масштабы воздействия человека на живую природу и способствует адаптации живых систем к условиям существования человека, т. е. к ноосфере. Биотехнология, таким образом, выступает в роли мощного фактора антропогенной адаптивной эволюции.
У биотехнологии, генетической и клеточной инженерии хорошие перспективы. При появлении все новых векторов человек с их помощью будет внедрять нужные гены в клетки растений, животных и человека. Это позволит постепенно избавиться от многих наследственных болезней человека, заставить клетки синтезировать необходимые лекарства и биологически активные соединения, а затем — непосредственно белки и незаменимые аминокислоты, употребляемые в пищу.
Список литературы
1. Колесников С.И. Экология. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2003. – 384с.
2. Лемеза Н.А., Камлюк Л.В., Лисов Н.Д. Биология.– М.: Айрис-пресс, 2005. 512с.
3. Петров Б.Ю. Общая биология. – СПб.: Химия, 1999. – 420с
4. Петров К.М. Взаимодействие общества и природы: Учебное пособие для вузов. — СПб: Химия, 1998. – 408с.