В последнее десятилетие термин «биотехнология» все чаще появляется в заголовках новостей, а открытия в этой области становятся причиной для жарких споров. Действительно, свое наибольшее развитие наука получила именно в последние годы, и этому в большей степени способствовал технический прогресс, но в повседневной жизни биотехнология используется на протяжении многих веков.

История развития биотехнологии

С древнейших времен биотехнология применялась человеком для изготовления вина, в сыроварении и других вариантах приготовления пищи. Биотехнологический процесс, а именно брожение, использовался еще в древнем Вавилоне для производства пива. Об этом свидетельствуют найденные при раскопках записи на дощечках. Но, несмотря на активное использование этих методов, процессы, лежавшие в основе этих производств, оставались загадкой.

Луи Пастер в 1867 году говорил, что такие процессы, как сквашивание и брожение, есть ничто иное, как итог жизнедеятельности микроорганизмов. Эдуард Бухнер дополнил эти предположения, доказав, что катализатором является бесклеточный экстракт, который содержит ферменты, вызывающие химическую реакцию.

Позже были сделаны сенсационные по тем временам открытия, которые помогли сформировать данную науку в современном ее понимании:

1865 год австрийский монарх Грегор Мендель представил свой доклад «Опыты над растительными гибридами», где были описаны закономерности передачи наследственности;
в 1902 году Теодор Бовери и Уолтер Саттон высказали предположение о том, что передача наследственности напрямую связана с хромосомами.

Годом появления термина стал 1919, после публикации манифеста венгерским агроэкономистом Карлом Эреки. Основываясь на имеющиеся в то время данные, под термином биотехнология подразумевалось применение микроорганизмов для ферментации продуктов питания.

Но, как известно, самые интересные открытия совершаются на стыке знаний, в случае биотехнологии, объединились пищевая и нефтеперерабатывающая промышленность. В 1970 году на практике была опробована технология производства белка из отходов нефтепромышленности.

Что такое биотехнология: термин и основные виды

Биотехнология – наука о способах создания различных веществ с использованием естественных биологических компонентов, будь-то микроорганизмы, животные или растительные клетки. По сути, это манипулирование живыми клетками для получения определенных результатов.

Основными направлениями развития науки являются:

Биоинженерия – дисциплина, направленная на расширение знаний в области медицины (лечение, укрепление здоровья) и инженерии

Биомедицина – узкоспециализированный раздел медицины, который с теоретической точки зрения изучает строение человеческого организма, диагностику патологических состояний и возможности их коррекции. Раздел медицины, занимающийся контролем и лечением биологических систем живых организмов на молекулярном уровне, называется наномедициной.

Гибридизация — процесс получения гибридов (растений, животных). В основе лежит принцип получения одной клетки (устойчивой к тем или иным условиям) путем объединения других клеток.

Сейчас у нас уже есть средства необходимые для того, чтобы прожить достаточно долго до тех пор, пока мы не станем бессмертны. Можно агрессивно применять существующие знания, чтобы кардинально замедлить процессы старения, и оставаться в жизнеспособном состоянии до того момента, когда станут доступны совершенно радикальные терапии по продлению жизни с помощью био- и нанотехнологий.
Ray Kurzweil (изобретатель, футуролог)

Высшим достижением биотехнологии является генная инженерия. Генная инженерия – совокупность знаний и технологий получения РНК и ДНК, выделения генов из клеток, осуществление манипуляций с генами и введение их в другие организмы. Это «управление» геномом живого существа или растения с целью получения заданных свойств. Например, руководствуясь знаниями в области генной инженерии, китайские ученые планируют массово применять метод «исправления» генома людей с онкологическими заболеваниями. Однако, запускать полномасштабные проекты пока никто не спешит, т.к. на сегодняшний день невозможно спрогнозировать последствия для организма в долгосрочном периоде.

Особого внимания заслуживает клонирование. Под этим процессом понимают появление нескольких генетических идентичных организмов путем бесполого (в том числе вегетативного) размножения. На сегодняшний день были клонированы не только растения, но и несколько десятков видов животных (овцы, собаки, кошки, лошади). О фактах клонирования человека пока нет данных, хотя, по мнению ученых, с технической стороны – к процессу все готово. Именно эти разработки стали самыми противоречивыми и обсуждаемыми мировой общественностью. Дело не только в вероятности получения неполноценных людей, но и в этической и религиозной стороне вопроса.

Сфера применения

Принципы биотехнологических процессов внедряют в производство всех отраслей:

пищевая промышленность. Производство алкоголя, аминокислот, ферментов безвредным для окружающей среды способом, называется белой биотехнологией.
химическая или фармацевтическая. Это направление еще называют красной биотехнологией. Биотехнологи разрабатывают усовершенствованные лекарственные препараты, вакцины и сыворотки против болезней, которые ранее считались неизлечимыми. В западных странах и в частности в Австрии наука пользуется большой популярностью и активно используется для диагностики различных заболеваний (биосенсоры, чипы ДНК).
переработка и утилизация отходов (биоремедиация). Методы серой биотехнологии используются для санации почв, очистки канализационных стоков и отработанного воздуха.
сельское хозяйство. Зеленая биотехнология позволяет ученым создавать образцы культурных растений, которые способны противостоять болезням и грибкам, с высоким уровнем урожайности вне зависимости от климатических условий (во время засухи). Кроме того, ученые научились использовать определенные ферменты, которые превращают целлюлозные отходы сельского хозяйства в глюкозу, а после в топливо.

Основной целью клеточной инженерии является культивирование животных и растительных клеток. Открытия в области клеточной инженерии позволили контролировать и регулировать продуктивность, качество, устойчивость к заболеваниям новых форм и линий животных и растений.

Инвестиции и развитие

Хотя биотехнологию сложно назвать «молодой» наукой, именно сегодня она находится в начале своего развития. Направления и возможности, которые открываются благодаря развитию этих знаний, могут быть бесконечными. Могут, если получат должное финансирование и поддержку. Основными инвестиционными участниками направления являются сами инженеры и биотехнологии, и это вполне объяснимо. Сегодня предлагается не сам продукт, а скорее идея, и возможные методы ее реализации.

И для осуществления этой задумки нужны десятки и сотни экспериментов, опыты и дорогостоящее оборудование. Не каждый инвестор готов идти только за идеей, рискуя своими вложениями. Но ведь не все верили и в мобильную связь, а сегодня она повсюду.

На данный момент число крупных компаний, занимающихся биотехнологическими разработками, невелико. К таковым относятся:

Illumina (генетические исследования, анализы, технология ДНК-микрочипов),
Oxford Nanopore (разработка и продажа продукции для взаимодействия с ДНК),
Roche (фармацевтическая компания),
Editas Medicine (адаптацией лабораторных методик редактирования генов к широкомасштабному применению в больницах),
Counsyl (предложила недорогой метод автоматизированного анализа ДНК для последующего использования данных в лечении).

По мнению экспертов, наиболее привлекательным направлением для инвестиций в биотехнологию являются компании, занимающиеся секвенированием. Это общее название методов, которые позволяют установить последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК. Расшифровка ДНК данных (секвенирование), дает возможность идентифицировать участки, которые отвечают за наследственные заболевания, и устранять их. Как только процесс будет доведен до совершенства, люди смогут не лечить симптомы, а избавляться от болезни. Это перевернет наше представление о диагностике, и принесет большие дивиденды тем, кто сумеет рассмотреть потенциал компании еще на этапе идеи.

Биотехнология: добро или зло?

Уже сегодня население планеты сталкивается с проблемой нехватки продуктов питания, и если численность людей продолжит расти, то в ближайшем будущем ситуация может стать критической. Знания о том, что такое биотехнология и как ее применять, помогают получать максимальные результаты урожайности, вне зависимости от внешних факторов. И эти достижения нельзя сбрасывать со счетов. Кроме того, неоспоримым доказательством пользы науки является изобретение антибиотиков, которые позволили контролировать, а в некоторых случаях и полностью искоренять, сотни болезней.

Но далеко не все оценивают науку однозначно. Существуют опасения, что отсутствие контроля может привести к необратимым последствиям. Например, уже сегодня продукты биотехнологии, такие как стероиды для спортсменов, становятся причиной для преждевременных сердечных патологий. В погоне за созданием супер-человека, победившего старость и болезни, общество рискует потерять свое естество.

Мы не остались жить в пещерах. Мы не остаемся в пределах нашей планеты. С помощью биотехнологии, генетического секвенирования, мы даже не собираемся ограничиваться рамками самой биологии.
Jason Silva (оратор, философ, телезвезда).

Развитие биотехнологии стало таким стремительным, что мировые государства столкнулись с проблемой отсутствия контроля на правовом уровне. Это стало причиной приостановления многих проектов, поэтому пока о клонировании человека и победе над смертью говорить преждевременно, и два конфронтационных лагеря могут беспрепятственно поддаваться философским размышлениям.

Биотехнология - это наука, изучающая возможность использовать живые организмы или продукты их жизнедеятельности для решения определенных технологических задач.

С помощью биотехнологий, происходит обеспечение определенных человеческих потребностей, например: разработка медицинских препаратов, модификация или создание новых видов растений и животных, что увеличивает качество пищевых продуктов.

Биотехнология в современной медицине

Биотехнология, как наука, зарекомендовала себя в конце ХХ века, а именно в начале 70-х годов. Все началось с генетической инженерия, когда ученые смогли перенести генетический материал из одного организма к другому без осуществления половых процессов. Для этого была использовано рекомбинантная ДНК или рДНК. Такой метод применяется для изменения или улучшения определенного организма.

Чтобы создать молекулу рДНК нужно:

извлечь молекулу ДНК из клетки животного или растения;
обработать изолированную клетку и плазмиду, а затем смешать их;
затем, измененная плазмида переносится в бактерию, а та в свою очередь приумножает копии информации, что были внесены в нее.

Медицинские биотехнологии подразделяются на 2 большие группы:

Диагностические , которые, в свою очередь, бывают: химическими (определение диагностических веществ и параметров обмена); физическими (определение физических полей организма);
Лечебные .

К медицинской биотехнологии относят такие производственные процессы, в ходе которых создаются биообъекты или вещества медицинского назначения. Это ферменты, витамины, антибиотики, отдельные микробные полисахариды, которые могут применяться как самостоятельные средства или как вспомогательные вещества при создании различных лекарственных форм, аминокислоты.

Так, методы биотехнологий применяются:

для производства человеческого инсулина путем использования генно-модифицированных бактерий;
для создания эритропоэтина (гормона, стимулирующего образование эритроцитов в костном мозге.

Медицинская генетика в будущем сможет не только предотвращать появление на свет неполноценных детей путем диагностирования генетических заболеваний, но и проводить пересадку генов для решения существующей проблемы.

Биотехнология в будущем даст человечеству огромные возможности не только в медицине, но и в других направлениях современных наук.

Биотехнологии в современной науке

Биотехнологии в современной науке несет огромную пользу. За счет открытия генной инженерии стало возможным выведения новых сортов растений и пород животных, которые принесут пользу сельскому хозяйству.

Изучения биотехнологии связано не только лишь с науками биологического направления. В микроэлектронике разработаны ион-селективные транзисторы на основе полевого эффекта (HpaI). Биотехнология необходима для повышения нефтеотдачи нефтяных пластов. Наиболее развитым направлением является использование биотехнологии в экологии для очистки промышленных и бытовых сточных вод. В развитие биотехнологии внесли свой вклад многие другие дисциплины, именно поэтому биотехнологии стоит отнести к комплексной науке.

Еще одной причиной активного изучения и усовершенствования знаний в биотехнологии стал вопрос в недостатке (или будущем дефиците) социально-экономических потребностей.

В мире существуют такие проблемы, как:

нехватка пресной или очищенной воды (в некоторых странах);
загрязнение окружающей среды различными химическими веществами;
дефицит энергетического ресурса;
необходимость усовершенствования и получения совершенно новые экологически чистых материалов и продуктов;
повышение уровня медицины.

Ученые уверенны, что решить эти и многие другие проблемы возможно при помощи биотехнологии.

Основные типовые технологические приемы современной биотехнологии

Биотехнологию можно выделить не только как науку, но еще и как сферу практической деятельности человека, которая отвечает за производство разного вида продукции при участии живых организмов или их клеток.

Теоретической основой для биотехнологии в свое время стала такая наука, как генетика, это случилось в ХХ веке. А вот практически биотехнология основывалась на микробиологической промышленности. Микробиологическая промышленность в свою очередь получила сильный толчок в развитии после открытия и активного производства антибиотиков.

Объектами, с которыми работает биотехнология, являются вирусы, бактерии, различные представители флоры и фауны, грибы, а также органоиды и изолированные клетки.

Наглядная биотехнология. Генная и клеточная инженерия

Генетическая и клеточная инженерия в сочетании с биохимией - это основные сферы современной биотехнологии.

Клеточная инженерия - выращивание в специальных условиях клеток различных живых организмов (растений, животных, бактерий), разного рода исследования над ними (комбинация, извлечение или пересадка).

Самой успешной считается клеточная инженерия растений. При помощи клеточной инженерии растений стало возможным ускорение селекционных процессов, что позволяет выводить новые сорта сельхоз культур. Теперь выведение нового сорта сократилось от 11 лет до 3-4.

Генетическая (или генная) инженерия - отдел молекулярной биологии, в котором занимаются изучением и выделением генов из клеток живых организмов, после чего над ними проводятся манипуляции для достижения определенной цели. Главными инструментами, которые используются в генной инженерии, являются ферменты и векторы.

Биотехнологии клонирования

Клонирование - это процесс получения клонов (то есть потомков полностью идентичных прототипу). Первый опыт клонирования был проведен на растениях, которые клонировались вегетативным путем. Каждое отдельное растение, которое получилось вследствие клонирования, называлось клоном.

В процессе развития генетики это термин начали применять не только к растениям, но и к генетическому выведению бактерий.

Уже в конце ХХ века ученые начали активное обсуждение клонирования человека. Таким образом, термин «клон» стал употребляться в СМИ, а позже и в литературе и искусстве.

Что касается бактерий, то у них клонирование - это практически единственный способ размножения. Именно «клонирование бактерий» употребляется в том случаи, когда процесс искусственный и им управляет человек. Этот термин не касается естественного размножения микроорганизмов.

Генетическая инженерия

Генная инженерия - это искусственные изменения в генотипе микроорганизма, вызванное вмешательством человека, для получения культур с необходимыми качествами.

Генная инженерия занимается исследованиями и изучением не только микроорганизмов, но и человека, активно изучает заболевания, связанные с иммунной системой и онкологией.

Клеточная биотехнология растений

Клеточная биотехнология основывается на применении клеток, тканей и протопластов. Чтобы успешно управлять клетками, необходимо отделить их от растения и создать им все необходимые условия для успешного существования и размножения вне организма растения. Такой метод выращивания и размножения клеток носит название «культуры изолированных тканей» и получил особое значение из-за возможности применения в биотехнологии.

Биотехнологии в современном мире и жизни человека

Потенциал, который открывает биотехнология для человека, велик не только в фундаментальной науке, но и в других сферах деятельности и областях знаний. При использовании биотехнологических методов стало возможно массовое производство всех необходимых белков.

Значительно проще стали процессы получения продуктов ферментации. В будущем биотехнологии позволят улучшать животных и растений. Учеными рассматриваются варианты борьбы с наследственными болезнями при помощи генной инженерии.

Генная инженерия, как основное направление в биотехнологии, значительно ускоряет решение проблемы продовольственного, аграрного, энергетического и экологического кризисов.

Самое большее влияние биотехнология оказывает на медицину и фармацевтику. Прогнозируется, что в будущем станет возможным диагностика и лечение тех заболеваний, которые имеют статус «неизлечимых».

Этические аспекты некоторых достижений в биотехнологии

После того, как стало известно, что некоторые научные лаборатории не только проводили опыты на человеческих эмбрионах, но и пытались произвести клонирование людей - пошла волна бурного обсуждения этого вопроса не только среди ученых, но и среди обычных людей.

В биотехнологии можно выделить две этические проблемы, связанные с клонированием человека:

терапевтическое клонирование (культивация человеческих эмбрионов для применения их клеток с целью лечения);
репродуктивное клонирование (создание человеческих клонов).

Современные достижения и проблемы биотехнологии

При помощи биотехнологии было и будет получено огромное количество продуктов для здравоохранения, сельского хозяйства продовольственной и химической промышленности. Стоит упомянуть, что многие из продуктов никаким другим способом не могли быть получены.

Что касается проблем, так основным образом - это этические аспекты, связанные с тем, что общество отрицает и считает негативным клонирование человека или человеческого эмбриона.

Современное состояние и перспективы биотехнологии

В биотехнологии активно начала развиваться отрасль микробного синтеза ценных для человечества веществ. Это может повлечь за собой смену распределения роли продовольственной базы, основанной на растениях и животных, в сторону микробного синтеза.

Получение экологически чистой энергии при помощи биотехнологий - еще одно важное и перспективное направление в науке.

Компании, разрабатывающие новые биотехнологии

Журнал «Forbes» представил список самых инновационных компаний мира по разработке биотехнологий, в него вошли такие компании, как: «Genentech», «Novartis International AG», «Merck & Co», «Pfizer», «Sanofi», «Perrigo». Все эти компании напрямую связаны с фармацевтикой и развиваются именно в этом направлении.

Многие из компаний успешно принимают активное участие в развитии российского рынка биотехнологий:

«Novartis International AG» - компания занимается выведением вакцин и производством препаратов в сфере онкологии, одно из предприятий работает в СПб.
«Pfizer» - производит безрецептурные препараты в разных отраслях медицины. Pfizer уже несколько лет реализует в России программу «Больше, чем образование» по соглашениям с МГУ им. М.В. Ломоносова и Санкт-Петербургской государственной химико-фармацевтической академией.
«Sanofi» - компания занимается производством препаратов для лечения сахарного диабета и склероза. В России успешно работает уникальное предприятие компании - завод полного цикла по производству инсулинов «Санофи-Авентис Восток».

В России особая роль отводится Кластеру биомедицинских технологий Инновационного центра «Сколково», ОАО «РВК» и ОАО «Роснано». Фармацевтическими и медицинскими биотехнологиями занимаются компании ОАО «Акрихин», ООО «Герофарм», НПФ «Литех». Центр высоких технологий «Химрар» объединяет высокотехнологичные организации, ведущие разработки и производство инновационных 14 компаний, которые занимаются разработкой лекарственных препаратов на основе новейших «постгеномных» технологий.

Помимо этого, существуют и молодые стартапы, разрабатывающие новые биотехнологии:

«3Д Биопринтинг Солюшенс» на основе трёхмерной биопечати создает органы из стволовых клеток пациента;
«БиоМикроГели» предлагает разработки по очистке воды и почвы с помощью микрогелей.
биомедицинский холдинг «Атлас» проводит анализ микробиоты организма в рамках проекта «OhmyGut».

Читайте другие наши статьи:

Медицинская биотехнология - это новое слово, современный этап развития человечества. Невиданные ранее разработки позволяют поднимать человека на следующую степень социальной эволюции. Ведь они позволяют кардинальным образом менять вектор развития. Чтобы не ограничиваться общими фразами, повествование статьи будет вестись на основании данных, предоставленных РНПЦ трансфузиологии и медицинских биотехнологий в Минске.

Вводная информация

Человечество переживает эпоху расцвета. В профилактической и клинической медицине наблюдается экспоненциальный прогресс, равно как и в фармацевтической промышленности. Этому способствуют выдающиеся достижения в биотехнологии, а также ряде других областей науки и техники. То, что еще вчера казалось фантастикой, сегодня постепенно входит в нашу жизнь. Инновации информационных, генных и иных технологий обладают возможностью обеспечить победу в борьбе с множеством болезней. Каким образом? К примеру, внесение коррективов в геном человека позволяет увеличить продолжительность жизни. Восстановление или замена стареющих органов благодаря также позитивно скажется на каждом, кто прошел это лечение. Беременность вне стенок утробы? Поправимо. Обследовать и дистанционно консультировать пациентов? Вполне реально.

Об используемых препаратах

Наибольшего прогресса удалось достичь в фармацевтике. К ее достижениям следует отнести такие препараты:

Полусинтетические/природные антибиотики, которые могут подавлять рост живых клеток. Как пример можно привести ингибиторы биосинтеза клетки, РНК (на уровне полимера, метаболизма фолиевой кислоты, ДНК-матрицы), нарушители молекулярной организации.
Стероидные гормоны. Они обладают противораковыми, анаболическими, контрацептивными и противовоспалительными свойствами.
Моно- и комплексные лекарства, в качестве основы которых используются аминокислоты. Как пример можно привести глицин, глутамин, метионин, раверон, румалон, тимоген, церебролизин, цистеин, эмбриобласт.
Водо- и жирорастворимые витамины, обладающие высокой биологической ценностью и служащие активными катализаторами метаболических процессов в организме. В качестве примера можно привести группу Б, а также С, А, Е, К.
Пробиотики, оптимизирующие микробиологический статус. К ним относятся лактобациллы, бифидо- и молочнокислые бактерии, энтерококки (некоторые их штаммы).
Лейкоцитарный и что подходит для лечения вирусных гепатитов и тому подобных проблем.
Ферменты, принимающие участие в биохимических реакциях в живых организмах. В качестве примера можно вспомнить трансферазы, лиазы, изомеразы, гидролазы, лигазы.
Вакцины, позволяющие усилить защитные функции иммунной системы по отношению к патогенным вирусам и деструктивным организмам. Могут получаться даже с использованием технологии рекомбинантной ДНК.

Борьба со старением

Говоря о том, что собой представляет медицинская биотехнология, нельзя обойти вниманием ее исключительный вклад в противодействие процессу дряхления. Это возможно благодаря открытиям в молекулярной биологии, расшифровке генома человека и разгадке структуры ДНК, а также ряду иных успехов. Их практическое широкое применение близко к воплощению. Генодиагностика и генотерапия в ближайшие десятилетия прочно войдут в нашу жизнь. Они позволят качественно улучшить медицинское обслуживание и уже на эмбриональной стадии выявлять и устранять в щадящем режиме зачатки определенных заболеваний (онкологических, генетических, инфекционных).

Что собой представляет нанобиотехнология?

Это направление заслуживает особенного внимания в контексте рассматриваемой проблематики. Практически любой медицинский центр биотехнологии заинтересован в отменных результатах. И как это часто бывает, их можно получить на стыке разных направлений работы. Таковым объединением и стал синтез био- и нанотехнологии. Например, адресная доставка лекарственных средств с помощью нанокапсул. Чем не вариант? Проведение хирургических операций с использованием высокоточных инструментов, изготовление биореакторов для выращивания стволовых клеток, создание зондовых микроскопов и биосенсеров, фильтрация жидкостей организма от вредных веществ благодаря мембранам с нанопорами, антибактериальные перевязочные материалы с пропиткой из вещества, позволяющего мгновенно остановить кровотечение - все это далеко не предел.

О дискуссионных аспектах

Следует отметить, что РНПЦ трансфузиологии и медицинских биотехнологий функционирует не без проблем. Ведь деятельность предполагает работу с рядом дискуссионных вопросов. Если перечислять их все, то получится существенный по своему размеру список. Поэтому более целесообразно просто выделить наиболее важные моменты:

Недостаточная изученность последствий при генетическом манипулировании.
Сложности в определении пределов допустимого антропогенного вмешательства в идущие биологические процессы.
Морально-этические неоднозначности осуществляемой деятельности с позиции человеческого достоинства и самовосприятия.

Если медицинская биотехнология сможет дать успешные и удовлетворяющие ответы на эти вопросы и вызовы, то в таком случае будут существовать все предпосылки для их безопасного использования. И тогда все смогут осознать, насколько масштабный и самостоятельный шаг в сторону управляемой эволюции был сделан.

Подготовка специалистов

В наш век машин и роботов человечество научилось тяжелый и монотонный труд поручать своим несознательным помощникам. Но, увы, сферы исследований и научных разработок слишком сложны, чтобы передать их механическим и электронным устройствам. И здесь, как нигде, актуально утверждение, что кадры решают все. Поэтому была введена отдельная специальность - медицинская биотехнология. При обучении необходимо изучать ферментацию, отдельных животных и растительных клеток, а также генную инженерию. Так, если говорить о последней, то здесь необходимо упомянуть о диагностике и идентификации мелких форм жизни. Дополнительно она работает над клонированием и секвенированием генов, а также их химическим анализом.

Как работает центр трансфузиологии и медицинских биотехнологий?

Допустим, перед исследователями стоит определенная задача. В таком случае становится актуальным вопрос о том, как же ее выполнять и достигать поставленные цели. Зависимо от рабочего фактора выделяют физические и химические методы, а по характеру воздействий - не/избирательные (в первом случае это дезинфекция и стерилизация, во втором - химиотерапевтические).

Давайте рассмотрим, что собой представляет первый вариант. Под физическими методами понимают такие:

Термическая обработка. Это прокалывание, пастеризация, кипячение, автоклавирование.
Облучение (гамма-, рентгеновское, ультрафиолетовое, микроволновое).
Фильтрование (пропуск субстанции через определенные заслоны и материалы, обладающие, например, порами в 200 нанометров).

Среди химических методов различают:

Неспецифического действия. Используются для обработки помещений и как антисептики. Для примера можно привести йод, хлор, альдегиды, спирты, соли тяжелых металлов, щелочи и кислоты, катионные детергенты, окислители, фенолы.
Избирательные препараты. К таковым относятся средства, подавляющие определенный аспект жизнедеятельности. В первую очередь следует вспомнить про антибиотики, а также химиотерапевтические препараты.

Медицинские и экологические биотехнологии предполагают широкое использование различного инструментария. Поэтому без детальной характеристики общих положений их работы и применения не обойтись. И в качестве объекта рассмотрения выступят антибиотики.

Как ведется работа?

Допустим, у нас есть кластер медицинского/экологического приборостроения и биотехнологий. К нашим услугам несколько тысяч веществ, классифицированных как антибиотики. Но в реальности в качестве основы для препаратов используется значительно меньшее их количество. Это обусловлено существующими требованиями, ограничивающими применение:

Должны быть эффективны в низких концентрациях.
Необходимо обеспечить стабильность в организме и разных условиях хранения.
Должна наблюдаться низкая токсичность (или вообще отсутствовать).
Необходимым условием является наличие выраженного бактерицидного и/или бактериостатического эффекта.
Не должны наблюдаться выраженные побочные эффекты.
Отсутствует иммунодепрессивное воздействие.

Если с этим проблем нет, то лаборатории и институты медицинских биотехнологий переходят к следующему этапу, который заключается в том, что антибиотики разделяются по своему происхождению, направленности, спектру и механизму действия.

Пример классификации

Зависимо от спектра действия выделяют антибиотики:

Противоопухолевые. В качестве примера можно привести "Рифампицин".
Противотуберкулезные. Как пример можно привести "Канимицин" и "Стрептомицин".
Противогрибковые. Это "Нистатин", "Амфотеррицин", "Низорал", "Леварин".
Антибиотики широкого спектра действия. Это "Стрептомицин" и "Неомицин".
Препараты, действующие на грамположительную микрофлору. К таковым относится "Пенициллин" и "Эритромицин".
Препараты, действующие на грамотрицательную микрофлору. Наиболее известным представителем является "Полимиксин".

А что с другими разработками?

Направления медицинской биотехнологии настолько многочисленны и разнообразны, что пробовать выработать универсальный рецепт для них всех не предоставляется возможным. К примеру, подходы, применяемые к антибиотикам, малопригодны в генной инженерии. Это относится не только к исследованию, но и к воспроизводству и усовершенствованию наработок. К примеру, медицинская биотехнология антибиотиков уже неплохо изучена. И у нас сейчас есть множество препаратов, позволяющих бороться с самыми страшными болезнями. Но вот исправление генетических проблем - увы, это пока слабо поддается.

Еще один пример деятельности

Очень перспективным направлением работы сейчас считается генная инженерия. Только подумайте - потенциально с ее помощью можно преодолеть множество болезней и негативных состояний человеческого здоровья. Синдром Дауна, склонность к проблемам сердечной системы и множество иных неприятностей могут быть решены благодаря генной терапии или будут минимизированы. Не нужно будет ждать, пока среди поколений людей выработается иммунитет (что сопровождается многочисленными смертями). Достаточно будет пройти что-то вроде серии уколов - и у человека будет решена проблема, а также появится иммунитет.

Заключение

Технологии в сфере медицины открывают перед нами широкие возможности. Сегодня человечество, как никогда, близко к тому, чтобы решительным образом избавиться от преследующих тысячелетиями болезней и физических недостатков. Как это ни парадоксально, но наше движение к этой цели не является настолько быстрым, как нам бы этого хотелось. Почему? Здесь можно вспомнить коммерческую направленность деятельности исследовательских учреждений, существующие законодательные ограничения и неправильное использование имеющихся технологий. В качестве примера последней ситуации можно привести использование антибиотиков. Эти препараты довольно широко распространены и часто отпускаются без рецептов. Во многих отсталых странах их использование и продажа вообще слабо регламентируются или не ограничиваются вовсе. Поэтому антибиотики часто используются без предписания врача и в неправильной дозировке (слишком маленькой или с нарушением временных ограничений). А это все способствует тому, что у микроорганизмов вырабатывается устойчивость, и медицинские препараты теряют свои свойства.

(Это "заготовка" для студенческого доклада по биотехнологии, которую следует самостоятельно дополнить и расширить.)

План

Определение понятия "биотехнология".

Исторические предпосылки биотехнологии.

История современной биотехнологии.

Основные методы биотехнологии.

Значение биотехнологии и перспективы.

Понятию "биотехнология" можно дать много близких друг другу по смыслу определений.

1. Определение понятия "биотехнология"

Варианты определений понятия "биотехнология"

1-е (принадлежит инженеру Эреки, впервые сформулировавшему понятие биотехнологии) : Это все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты.
2-е: Это совокупность промышленных методов, использующих живые организмы.
3-е: Это использование живых организмов или биологических процессов промышленным способом.
4-е: Это прикладная наука, использующая методы генной и клеточной инженерии для получения биологической продукции промышленным способом.

5-е. Биотехнология – это не производство, а исследования в области промышленного производства товаров и услуг при участии живых организмов, биологических систем и процессов (Б. Глик, Дж. Пастернак, 2002).

Биотехнология в широком смысле - это научная дисциплина и сфера практики, пограничная между биологией и техникой, которая использует технологические процессы в работе с биологическими объектами или, наоборот, использует биологические объекты в технологических процессах.

В целом, биотехнология изучает пути и методы изменения окружающей человека природной среды в соответствии с его потребностями с помощью биологических объектов, включённых в технологические процессы.

Биотехнология в узком смысле - это совокупность методов и приемов получения нужных для человека продуктов с помощью биологических объектов. В состав биотехнологии входят генная, клеточная и экологическая инженерии.

Биотехнология, или технология биопроцессов - это производственное использование биологических структур для получения пищевых и промышленных продуктов, а также для осуществления целевых превращений.

Биологические структуры (биологические объекты) - это микроорганизмы, растительные и животные клетки, клеточные компоненты: мембраны клеток, рибосомы, митохондрии, хлоропласты, а также биологические макромолекулы (ДНК, РНК, белки - чаще всего ферменты). Биотехнология использует также вирусную ДНК или РНК для переноса чужеродных генов в клетки.

В традиционном, классическом, понимании биотехнология - это наука о методах и технологиях производства различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов.

Термин «новая» биотехнология в противоположность «старой» биотехнологии применяют для разделения биопроцессов, использующих методы генной инженерии, новую биопроцессорную технику, и более традиционные формы биопроцессов. Так, обычное производство спирта в процессе брожения – «старая» биотехнология, но использование в этом процессе дрожжей, улучшенных методами генной инженерии с целью увеличения выхода спирта - «новая» биотехнология.

Термин «биотехнология» впервые предложил венгерский инженер Карл Эреки (1917), когда описывал производство свинины (конечный продукт) с использованием сахарной свеклы (сырье) в качестве корма для свиней (биотрансформация).

Под биотехнологией К. Эреки понимал «все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты». Все последующие определения этого понятия - всего лишь вариации пионерской и классической формулировки К. Эреки.

Современная биотехнология - это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных биологических объектов для интенсификации производства или получения новых видов продуктов различного назначения.

Методы биотехнологии могут применяться на следующих уровнях: молекулярном (манипуляция с отдельными частями гена), генном, хромосомном, уровне плазмид, клеточном, тканевом, организменном и популяционном.

Стэнли Коэн и Герберт Бойер в 1973 г. разработали метод переноса гена из одного организма в другой. Коэн писал: «...есть надежда, что удастся ввести в Е. coli гены, ассоциированные с метаболическими или синтетическими функциями присущими другим биологическим видам, например, гены фотосинтеза или продукции антибиотиков». С их работы началась новая эра в молекулярной биотехнологии. Было разработано большое число методик, позволяющих 1) идентифицировать 2) выделять; 3) давать характеристику; 4) использовать гены.

В 1978 г. сотрудники фирмы «Genetech» (США) впервые выделили последовательности ДНК, кодирующие инсулин человека, и перенесли их в клонирующие векторы, способные реплицироваться в клетках Escherichia coli. Этот препарат мог использоваться больными диабетом, у которых наблюдалась аллергическая реакция на инсулин свиньи.

В настоящее время молекулярная биотехнология дает возможность получать огромное количество продуктов: инсулин, интерферон, «гормоны роста», вирусные антигены, огромное количество белков, лекарственных препаратов, низкомолекулярные вещества и макромолекулы.

Использование клеточных технологий для промышленного получения биологически активных веществ растительного происхождения

Институт физиологии растений им. К.А.Тимирязева РАН, Москва, 127276

Использование биологически активных веществ (БАВ) растительного происхождения часто ограничено доступностью растительных ресурсов и может представлять серьезную угрозу для редких видов лекарственных растений. Культуры клеток высших растений могут служить возобновляемым источником ценных вторичных метаболитов, однако до настоящего времени известны лишь единичные примеры их коммерческого применения. Основными причинами сложившейся ситуации являются недостаточная продуктивность культур клеток по вторичным метаболитам и высокая стоимость выращивания. Используя традиционные методы -селекцию продуктивных штаммов, оптимизацию сред, элиситацию, добавление предшественников синтеза - можно повысить продуктивность культур клеток растений на один-два порядка. Методы метаболической инженерии - суперэкспрессия или выключение генов белков, определяющих синтез целевого продукта - могут существенно изменять биосинтетические способности клеток in vitro. В то же время, многие вторичные соединения не удалось пока получить в культуре клеток, что может быть обусловлено спецификой клеточной культуры - экспериментально созданной популяции соматических клеток - как биологической системы. Для этих случаев может оказаться эффективным использование культур органов растений или трансформированных корней (hairy root). Проводятся работы по получению вторичных метаболитов растений в дрожжах и бактериях, трансформированных растительными генами.

Литература:

(Указать использованную для составления данного доклада литературу, включая сайты Интернета.)

Биотехнологией часто называют применение генной инженерии в XX-XXI веках, но термин относится и к более широкому комплексу процессов модификации биологических организмов для обеспечения потребностей человека, начиная с модификации растений и одомашненных животных путем искусственного отбора и гибридизации. С помощью современных методов традиционные биотехнологические производства получили возможность улучшить качество пищевых продуктов и увеличить продуктивность живых организмов.

Биотехнология основана на генетике, молекулярной биологии, биохимии, эмбриологии и клеточной биологии, а также прикладных дисциплинах - химической и информационной технологиях и робототехнике.

История биотехнологии

Корни биотехнологии уходят в далёкое прошлое и связаны с хлебопечением, виноделием и другими способами приготовления пищи, известными человеку еще в древности. Например, такой биотехнологический процесс, как брожение с участием микроорганизмов, был известен и широко применялся еще в древнем Вавилоне, о чем свидетельствует описание приготовления пива, дошедшее до нас виде записи на дощечке, обнаруженной в 1981 г. при раскопках Вавилона. Наукой биотехнология стала благодаря исследованиям и работам французского ученого, основоположника современной микробиологии и иммунологии Луи Пастера (1822-1895). Впервые термин «биотехнология» применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году.

В ХХ веке происходило бурное развитие молекулярной биологии и генетики с применением достижений химии и физики. Важнейшим направлением исследований явилась разработка методов культивирования клеток растений и животных. И если еще совсем недавно для промышленных целей выращивали только бактерии и грибы, то сейчас появилась возможность не только выращивать любые клетки для производства биомассы, но и управлять их развитием, особенно у растений. Таким образом, новые научно-технологические подходы воплотились в разработку биотехнологических методов, позволяющих манипулировать непосредственно генами, создавать новые продукты, организмы и изменять свойства уже существующих. Главная цель применения этих методов – более полное использование потенциала живых организмов в интересах хозяйственной деятельности человека.
В 70-е годы появились и активно развивались такие важнейшие области биотехнологии, как генетическая (или генная) и клеточная инженерия, положившие начало «новой» биотехнологии, в отличие от «старой» биотехнологии, основанной на традиционных микробиологических процессах. Так, обычное производство спирта в процессе брожения – это “старая” биотехнология, но использование в этом процессе дрожжей, улучшенных методами генной инженерии с целью увеличения выхода спирта, – “новая” биотехнология.

Так, в 1814 году петербургский академик К. С. Кирхгоф (биография) открыл явление биологического катализа и пытался биокаталитическим путём получить сахар из доступного отечественного сырья (до середины XIX века сахар получали только из сахарного тростника). В 1891 году в США японский биохимик Дз. Такамине получил первый патент на использование ферментных препаратов в промышленных целях: учёный предложил применить диастазу для осахаривания растительных отходов.

В начале XX века активно развивалась бродильная и микробиологическая промышленность. В эти же годы были предприняты первые попытки наладить производство антибиотиков, пищевых концентратов, полученных из дрожжей, осуществить контроль ферментации продуктов растительного и животного происхождения.

Первый антибиотик - пенициллин - удалось выделить и очистить до приемлемого уровня в 1940 году, что дало новые задачи: поиск и налаживание промышленного производства лекарственных веществ, продуцируемых микроорганизмами, работа над удешевлением и повышением уровня биобезопасности новых лекарственных препаратов.

Помимо широкого применения в сельском хозяйстве, на основе генной инженерии возникла целая отрасль фармацевтической промышленности, называемая “индустрией ДНК” и представляющая собой одну из современных ветвей биотехнологии. Более четверти всех лекарств, используемых сейчас в мире, содержат ингредиенты из растений. Генно-модифицированные растения являются дешевым и безопасным источником для получения полностью функциональных лекарственных белков (антител, вакцин, ферментов и др.) как для человека, так и для животных. Примерами применения генной инженерии в медицине являются также производство человеческого инсулина путем использования генно-модифицированных бактерий, производство эритропоэтина (гормона, стимулирующего образование эритроцитов в костном мозге. Физиологическая роль данного гормона состоит в регуляции продукции эритроцитов в зависимости от потребности организма в кислороде) в культуре клеток (т.е. вне организма человека) или новых пород экспериментальных мышей для научных исследований.

В XX веке в большинстве стран мира основные усилия медицины были направлены на борьбу с инфекционными заболеваниями, снижение младенческой смертности и увеличение средней продолжительности жизни. Страны с более развитой системой здравоохранения настолько преуспели на этом пути, что сочли возможным сместить акцент на лечение хронических заболеваний, болезней сердечно-сосудистой системы и онкологических заболеваний, поскольку именно эти группы болезней давали наибольший процент прироста смертности.

В настоящее время уже появились практические возможности значительно снизить или скорректировать негативное воздействие наследственных факторов. Медицинская генетика объяснила, что причиной многих генных мутаций является взаимодействие с неблагоприятными условиями среды, а, следовательно, решая экологические проблемы можно добиться снижения заболеваемости раком, аллергией, сердечно-сосудистыми заболеваниями, сахарным диабетом, психическими болезнями и даже некоторыми инфекционными заболеваниями. Вместе с тем, ученым удалось выявить гены, ответственные за проявление различных патологий и способствующие увеличению продолжительности жизни. При использовании методов медицинской генетики хорошие результаты получены при лечении 15% болезней, в отношении почти 50% заболеваний наблюдается существенное улучшение.

Таким образом, значительные достижения генетики позволили не только выйти на молекулярный уровень изучения генетических структур организма, но и вскрыть сущность многих серьезных болезней человека, вплотную подойти к генной терапии.

Клонирование – это один из методов, применяемых в биотехнологии для получения идентичных потомков при помощи бесполого размножения. Иначе клонирование можно определить как процесс изготовления генетически идентичных копий отдельной клетки или организма. То есть полученные в результате клонирования организмы похожи не только внешне, но и генетическая информация, заложенная в них, абсолютно одинакова.

Первым искусственно клонированным многоклеточным организмом стала в 1997 г. овца Долли. В 2007 году одного из создателей клонированной овцы Елизавета II наградила за это научное достижение рыцарским званием.

Достижения биотехнологии

Уже получены трансгенные мыши, кролики, свиньи, овцы, в геноме которых работают чужеродные гены различного происхождения, в том числе гены бактерий, дрожжей, млекопитающих, человека, а также трансгенные растения с генами других, неродственных видов. Например, в последние годы получено новое поколение трансгенных растений, для которых характерны такие ценные признаки, как устойчивость к гербицидам, к насекомым и др.

На сегодняшний день методы генной инженерии позволили осуществить синтез в промышленных количествах таких гормонов, как инсулин, интерферон и соматотропин (гормон роста), которые необходимы для лечения ряда генетических болезней человека - сахарного диабета, некоторых видов злокачественных образований, карликовости,

С помощью генетических методов были получены также штаммы микроогранизмов (Ashbya gossypii, Pseudomonas denitrificans и др.), которые производят в десятки тысяч раз больше витаминов (С, В 3 , В 13 , и др.), чем исходные формы.

Очень важное направление клеточной инженерии связано с ранними стадиями эмбриогенеза. Например, оплодотворение яйцеклеток в пробирке уже сейчас позволяет преодолевать некоторые распространенные формы бесплодия у человека.

Культуру растительных клеток выгодно использовать для быстрого размножения медленно растущих растений - женьшеня, маслинной пальмы, малины, персиков и др.

Уже многие годы для решения проблемы загрязнения окружающей среды используются биологические методы, разработанные биотехнологами. Так, 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.

Доклад на тему “Биотехнология. История и достижения” обновлено: Июнь 9, 2019 автором: Научные Статьи.Ру

Сообщение на тему биотехнология. Биотехнология. Этические аспекты некоторых достижений в биотехнологии