§ 33. Биотехнология: достижения и перспективы развития

Вспомните!

Что такое биотехнология?

Биотехнология — это использование организмов, биологических систем или биологических процессов в промышленном производстве. Термин «биотехнология» получил широкое распространение с середины 70 -х гг. XX в., хотя ещё с незапамятных времён человечество использовало микроорганизмы в хлебопечении и виноделии, при производстве пива и в сыроварении.

Какое значение для промышленности и сельского хозяйства имеет селекция микроорганизмов?

Биотехнология позволяет не только получать важные для человека продукты, например антибиотики и гормон роста, этиловый спирт и кефир, но и создавать организмы с заранее заданными свойствами гораздо быстрее, чем с помощью традиционных методов селекции. Существуют биотехнологические процессы по очистке сточных вод, переработке отходов, удалению нефтяных разливов в водоёмах, получению топлива. Эти технологии основаны на особенностях жизнедеятельности некоторых микроорганизмов. Появляющиеся современные биотехнологии изменяют наше общество, открывают новые возможности, но одновременно создают определённые социальные и этические проблемы.

Вопросы для повторения и задания

1. Что такое биотехнология?

Биотехнология — это использование организмов, биологических систем или биологических процессов в промышленном производстве. Термин «биотехнология» получил широкое распространение с середины 70 -х гг. XX в., хотя ещё с незапамятных времён человечество использовало микроорганизмы в хлебопечении и виноделии, при производстве пива и в сыроварении.

2. Какие проблемы решает генная инженерия? С какими трудностями связаны исследования в этой области?

Удобными объектами биотехнологии являются микроорганизмы, имеющие сравнительно просто организованный геном, короткий жизненный цикл и обладающие большим разнообразием физиологических и биохимических свойств. Одной из причин сахарного диабета является недостаток в организме инсулина — гормона поджелудочной железы. Инъекции инсулина, выделенного из поджелудочных желез свиней и крупного рогатого скота, спасают миллионы жизней, однако у некоторых пациентов приводят к развитию аллергических реакций. Оптимальным решением было бы использование человеческого инсулина. Методами генной инженерии ген инсулина человека был встроен в ДНК кишечной палочки. Бактерия начала активно синтезировать инсулин. В 1982 г. инсулин человека стал первым фармацевтическим препаратом, полученным с помощью методов генной инженерии.

3. Как вы думаете, почему селекция микроорганизмов приобретает в настоящее время первостепенное значение?

Микроорганизмы можно использовать во всех средах деятельности человека. Их легко использовать в лабораторных условиях. Например, в природе существует бактерия, которая выделяет токсин, убивающий многих вредных насекомых. Ген, отвечающий за синтез этого токсина, был выделен из генома бактерии и встроен в геном культурных растений. К настоящему времени уже созданы устойчивые к вредителям сорта кукурузы, риса, картофеля и других сельскохозяйственных растений. Выращивание таких трансгенных растений, которые не требуют использования пестицидов, имеет огромные преимущества, потому что, во-первых, пестициды убивают не только вредных, но и полезных насекомых, а во-вторых, многие пестициды накапливаются в окружающей среде и оказывают мутагенное влияние на живые организмы

4. Приведите примеры промышленного получения и использования продуктов жизнедеятельности микроорганизмов.

Инсулин, гормон роста, токсин, убивающий многих вредных насекомых.

5. Какие организмы называют трансгенными?

Так же как у бактерий, с помощью методов генной инженерии можно изменять и наследственный материал эукариотических организмов. Такие генетически перестроенные организмы называют трансгенными или генетически модифицированными организмами (ГМО). Канадские учёные ввели в наследственный материал лосося ген другой рыбы, который активировал ген гормона роста. Это привело к тому, что лосось рос в 10 раз быстрее и набирал вес, в несколько раз превышающий норму.

6. В чём преимущество клонирования по сравнению с традиционными методами селекции?

Создание многочисленных генетических копий одного индивидуума с помощью бесполого размножения называют клонированием. У ряда организмов этот процесс может происходить естественным путём, вспомните вегетативное размножение у растений и фрагментацию у некоторых животных. Если у морской звезды случайно оторвётся кусочек луча, из него образуется новый полноценный организм. У позвоночных животных этот процесс естественным путём не происходит. Клонирование представляется перспективным методом в животноводстве. Например, при разведении крупного рогатого скота используется следующий приём. На ранней стадии развития, когда клетки эмбриона ещё не специализированы, зародыш разделяют на несколько частей. Из каждого фрагмента, помещённого в приёмную (суррогатную) мать, может развиться полноценный телёнок. Таким способом можно создать множество идентичных копий одного животного, обладающего ценными качествами. Для специальных целей можно также клонировать отдельные клетки, создавая культуры тканей, которые в подходящих средах способны расти бесконечно долго. Клонированные клетки служат заменой лабораторным животным, так как на них можно изучать воздействие на живые организмы различных химических веществ, например лекарственных препаратов. При клонировании растений используется уникальная особенность растительных клеток. В начале 60 -х гг. XX в. впервые было показано, что клетки растений, даже после достижения зрелости и специализации, в подходящих условиях способны давать начало целому растению (рис. 110). Поэтому современные методы клеточной инженерии позволяют осуществлять селекцию растений на клеточном уровне, т. е. отбирать не взрослые растения, обладающие теми или иными свойствами, а клетки, из которых потом выращивают полноценные растения.

Подумайте! Вспомните!

1. Какие перспективы в развитии народного хозяйства открывает использование трансгенных животных?

Трансгенные животные, экспериментально полученные животные, содержащие во всех клетках своего организма дополнительную интегрированную с хромосомами и экспрессирующуюся чужеродную ДНК (трансген), которая передается по наследству по законам Менделя. Изредка трансген может реплицироваться и передаваться по наследству как экстрахромосомный автономно реплицирующийся фрагмент ДНК. Технология создания трансгенных животных является одной из наиболее бурно развивающихся биотехнологий в последние 10 лет. Трансгенные животные широко используются как для решения большого числа теоретических задач, так и в практических целях для биомедицины и сельского хозяйства. Некоторые научные проблемы не могли бы быть решены без создания трансгенных животных. На модели трансгенных лабораторных животных проводятся широкие исследования по изучению функции различных генов, регуляции их экспрессии, фенотипическому проявлению генов, инсерционному мутагенезу и др. Трансгенные животные важны для различных биомедицинских исследований. Существует множество трансгенных животных, моделирующих различные заболевания человека (рак, атеросклероз, ожирение и др.). Так, получение трансгенных свиней с измененной экспрессией генов, определяющих отторжение органов, позволит использовать этих животных для ксенотрансплантации (пересадки органов свиньи человеку).

2. Может ли современное человечество обойтись без биотехнологии? Организуйте выставку или сделайте стенную газету «Биотехнология: прошлое, настоящее, будущее».

Биотехнологии - это использование живых организмов в производстве. Биотехнологии - это использование живых организмов для решения технологических задач. Использование бактерий для брожения, производство лекарств из растений, селекция и многое другое использовалось ещё в древности, даже без понимания сути самих процессов. Так что отказ от биотехнологий в этом смысле, теоретически возможен. Но нужен ли нам такой мир, без хороших сортов растений, сахара (а откуда его ещё получать), лекарств, кисломолочных продуктов и много другого.

Но если вкладывать в понятие биотехнологии только современные виды биотехнологий, такие как: биоинженерия, биоинформатика, бионика и др. То тут вопрос стоит не столь радикально. Биотехнологии позволит решать проблемы, которые стоят перед человеком 21 века. С помощью CRISPR/Cas9 мы, возможно, в будущем сможем лечить наследственные заболевания. Генно-инженерные организмы помогут решить проблемы нехватки пресной воды и всемирного голода. Бактерии могут решать проблемы загрязнения, а так же эффективно производят различные вещества (Инсулин для диабетиков производит E.Coli).

Мы, вполне, можем позволить себе отказ от всего этого и не вымрем. Просто будет выше смертность, а глобальные проблемы всего человечества, начнут ещё сильнее усугубляться.

3. Организуйте и проведите дискуссию на тему «Клонирование: за и против».

4. Приведите примеры продуктов, входящих в ваш рацион, которые были созданы с использованием биотехнологических процессов.

Самые распространенные продукты – это йогурты. В настоящее время в России и за рубежом производится достаточно большой ассортимент кисломолочных пробиотических продуктов на основе бифидобактерий и лактобацилл. В большей части кисломолочных продуктов пробиотический эффект достигается путем обогащения готовых кисломолочных продуктов концентратами бифидобактерий. В таких кисломолочных продуктах отсутствуют продукты метаболизма пробиотических микроорганизмов, антимикробные и антимутагенные вещества, витамины, аминокислоты, экзополисахариды и другие полезные для организма соединения, продуцируемые бифидобактериями.

5. Докажите, что биологическая очистка воды является биотехнологическим процессом.

Например, сточные воды – это самый распространенный вид загрязнения, и большая проблема для человечества. Сточные воды обычно содержат сложную смесь нерастворимых и растворимых компонентов различной природы и концентрации. Бытовые отходы, как правило, содержат почвенную и кишечную микрофлору, включая патогенные микроорганизмы. Сточные воды сахарных, крахмальных, пивных и дрожжевых заводов, мясокомбинатов содержат в больших количествах углеводы, белки и жиры, являющиеся источниками питательных веществ и энергии. Стоки химических и металлургических производств могут содержать значительное количество токсических и даже взрывчатых веществ. Серьезное загрязнение возникает при попадании в окружающую среду соединений тяжелых металлов, таких как железо, медь, олово и др. Цель очистки сточных вод - удаление растворимых и нерастворимых компонентов, элиминирование патогенных микроорганизмов и проведение детоксикации таким образом, чтобы компоненты стоков не вредили человеку, не загрязняли водоемы. Бактерии рода Pseudomonas практически всеядны. Например, P. putida могут утилизировать нафталин, толуол, алканы, камфару и др. соединения. Выделены чистые культуры микроорганизмов, способные разлагать специфические фенольные соединения, компоненты нефти в загрязненных водах и т.д. Микроорганизмы рода Pseudomonas могут утилизировать и необычные химические соединения - инсектициды, гербициды и другие ксенобиотики. Генетически сконструированные штаммы микроорганизмов в будущем смогут решить проблему очистки сточных вод и почв, загрязненных пестицидами и другими антропогенными веществами. Пестициды поступают в окружающую среду после обработки сельскохозяйственных культур. Большинство из них расщепляются бактериями и грибами. Лучше всего биодеградация пестицидов удается, если микроорганизмы действуют сообща, в химических реакциях сопряженного метаболизма. При этом уже на первой стадии микробной трансформации токсичность большинства пестицидов утрачивается, что позволяет разрабатывать относительно простые биотехнологические методы борьбы с ними. Первичный гидролиз пестицидов можно проводить и с помощью ферментов, таких как гидролазы, эстеразы, фосфоэстеразы, ациламидазы. Пестициды из сточных вод можно удалять, используя иммобилизованные формы этих ферментов.

6. Создайте рекламный видео ролик «Биотехнология: достижения и перспективы развития».

Ваша будущая профессия

1. Что является предметом изучения науки геронтологии? Оцените, насколько развита эта наука в нашей стране. Есть ли в вашем регионе специалисты в этой области?

Геронтоло́гия (от др.-греч. «старик») — наука, изучающая биологические, социальные и психологические аспекты старения человека, его причины и способы борьбы с ним (омоложение). Возникла около века назад. Составными частями геронтологии являются гериатрия — учение о болезнях, связанных с инволюционными изменениями, а также особенности лечения и профилактики заболеваний в пожилом и старческом возрасте, герогигиена, которая изучает вопросы общей и специальной гигиены людей старших возрастных групп и геронтопсихология, которая изучает психолого-поведенческие особенности людей пожилого и престарелого возраста. Российский геронтологический научно-клинический центр (РГНКЦ) — ведущее научно-методическое и лечебное гериатрическое учреждение Минздрава России. Клиника РГНКЦ представлена терапевтическим, кардиологическим, неврологическим, гинекологическим, урологическим, ортопедическим, хирургическим отделениями. Статус федерального лечебного учреждения позволяет принимать на обследование и лечение пациентов из любых регионов России. Основоположником ее считается И. И. Мечников, впервые предложивший этот термин в 1903 г.

2. Как вы думаете, какими личными качествами должны обладать люди, работающие в медико-генетических консультациях? Объясните свою точку зрения.

Профессионалы, психологически устойчивы, тактичны, так как людям нужно доступно и компетентно рассказывать о имеющихся болезнях и как это решать.

3. Что вы знаете о профессиях, связанных с материалом этой главы? Найдите в Интернете названия нескольких профессий и подготовьте небольшое (не более 7—10 предложений) сообщение о той профессии, которая вас наиболее впечатлила. Объясните свой выбор.

На основании атласа новых профессий http://atlas100.ru/

ИТ-генетик: Специалист, который занимается программированием генома под заданные параметры. В последнее десятилетие одним из бурно развивающихся направлений в медицине стала генотерапия – внесение в генетический аппарат человека изменений для борьбы с заболеваниями. Пока этот метод в основном тестируют на животных, однако есть уже и успешные случаи применения генотерапии и для людей. Например, в 2014 году в Великобритании объявили, что у 6 пациентов, больных хороидеремией (наследственным генетическим заболеванием, до настоящего момента неизлечимым и ведущим к слепоте), в результате генотерапии улучшилось зрение. Но это лишь первый шаг. Следующий шаг — модификация генома: эксперимент с целенаправленным изменением двух генов уже провели на обезьянах.

4. Используя дополнительные источники информации, выясните, что является предметом изучения эмбриолога. Где можно приобрести такую специальность?

Эмбриолог – специалист по эмбриональному развитию человека. Им может стать специалист-биолог либо врач клинической диагностики. Например, закончить кафедру эмбриологии Биологического факультета МГУ. Это направление в медицине еще очень молодо.

Это, например, применение вспомогательных репродуктивных технологий на практике — клиническая эмбриология.

5. Какими знаниями должны обладать специалисты, занимающиеся селекционной работой? Объясните свою точку зрения.

Знаниями генетики, биотехнологии, зоологии, ботаники. Так как селекция основана на генетических законах, а так же знаниях тех организмов, на селекцию которых будет направлена работа – зоология (животные), ботаника (растения) и т.д.