Біотехнології

Дивовижними відкриттями в науці і грандіозним науково-технічним прогресом ознаменувався XX століття, проте науково-технічний прогрес у справжньому вигляді має негативні сторони: вичерпання викопних ресурсів забруднення навколишнього середовища, зникнення багатьох видів рослин і тварин, глобальна зміна клімату, поява озонових дір над полюсами Землі і т.д. Ясно, що такий шлях веде в глухий кут. Потрібно принципову зміну вектора розвитку. Біотехнологія може внести вирішальний внесок у вирішення глобальних проблем людства.

Біотехнологія -- це використання живих організмів (або їх складових частин) у практичних цілях. Коли говорять про сучасної біотехнології, то подібне визначення доповнюють словами: на базі досягнень молекулярної біології. Якщо не зробити подібного додати, то під визначення "біотехнологія" потраплять і традиційне с/г, тваринництво і багато галузей харчової промисловості, використовують мікроорганізми. Далі ми зупинимося на одному з видів біотехнології, а саме на генної інженерії, яка відкриває абсолютно нові шляхи в медицині хімії, у виробництві енергії, нових матеріалів, в охороні навколишнього середовища. Генна інженерія - це технологія маніпуляцій з речовиною спадковості - ДНК.

Сьогодні вчені можуть у пробірці розрізати молекулу ДНК у бажаному місці, ізолювати і очищати окремі її фрагменти, синтезувати їх з двох дезоксірібонуклеотідов, можуть зшивати такі фрагменти. Результатом таких маніпуляцій є "гібридні", або рекомбінантні молекули ДНК, яких до цього не було в природі.

Роком народження генної інженерії вважається 1972 рік, коли в лабораторії Пола Берга в США була отримана в пробірці перший рекомбінантний реплікуватись, тобто розмножуватися, в бактерії кишкової палички E.сoli. Сама поява генної інженерії стало можливим завдяки фундаментальним відкриттям у молекулярної біології.

У 60-і роки вчені розшифрували генетичний код, тобто встановили, що кожна амінокислота в білку кодується кодонів нуклеотидів в ДНК. Особливо важливо, що генетичний код універсальний для всього живого світу. Це означає, що весь світ "розмовляє" на одній мові. Якщо передати в будь-яку клітину "чужорідну" ДНК, то інформація, що в ній закодована, буде правильно сприйнята клітиною реципієнтом.

Далі було встановлено, що існують спеціальні послідовності ДНК, що визначають початок і закінчення транскрипції, трансляції, реплікації. Практично всі ці системи, у першому наближенні, байдужі до послідовностей ДНК, розташованим між даними сигналами. Треба сказати, що самі сигнали розрізняються в різних організмах. З усього сказаного випливає, що якщо взяти якийсь структурний ген (наприклад людини) і in vitro забезпечити його сигналами, характерними для гена бактеріальної клітини, то така структура, поміщена в бактеріальну клітку, буде здатна до синтезу людського білка.

Принципова особливість генної - здатність створювати структури ДНК, які ніколи не утворюються в живій природі. Генна інженерія подолала бар'єр, який існує в живому світі, де генетичний обмін здійснюється лише в межах одного виду або споріднених видів організмів. Вона дозволяє переносити гени з одного живого організму в будь-який інший. Ця нова техніка відкрила безмежні перспективи створення мікроорганізмів, рослин і тварин з новими корисними властивостями.

Звичайно, порушення бар'єрів живої природи може таїти потенційну небезпеку. Ось чому у всіх розвинених країнах світу правила роботи, закони, що регулюють генно-інженерну діяльність. Закон про "генно-інженерної діяльності "прийнятий і парламентом РФ у липні 1996 р.

Неможливо розповісти про всі аспекти застосування техніки генної інженерії в біотехнології або наукових дослідженнях. Наведемо лише кілька прикладів, що ілюструють можливості цього методу.

Одне з найбільш важливих напрямків генної інженерії - виробництво ліків нового покоління, що представляють собою біологічно активні білки людини. Слід нагадати, що в більшості випадків білки людини (як і інших тварин) видоспецифічність, тобто для лікування людини можна використовувати тільки білки людини. Внаслідок цього виникає проблема отримання людських білків у потрібних кількостях.

У зв'язку з сказаним цікава історія отримання інтерферонів. У 1957 р. англійські вчені Іссаакс і Ліндельман виявили, що миші, хворіли на грип, не схильні до інфекції іншими, більш небезпечними вірусами. Дослідження спостережуваного явища привело до висновку, клітини тварин і людини у відповідь на вірусну інфекцію виділяють якусь речовину, яка робить навколишні здорові клітини стійкими до вірусної інфекції. Ця речовина (або речовини) отримало назву інтерферону.

Протягом наступних 20 років велися інтенсивні дослідження. Було встановлено, що інтерферони - групи білків, що відносяться до 3 класів - alpha, betta і gamma. Лейкоцити крові виділяють інтерферон типу alpha, фібробласти типу betta і T - лейкоцити типу gamma. Інтерферони виділили, очистили і показали їх ефект як противірусних ліків. Крім того, ці білки виявилися ефективними при лікуванні розсіяного склерозу і деяких видів раку. Єдиною перешкодою до використання інтерферонів була їх мала доступність. Вони синтезувалися в дуже малих кількостях: джерелом їх отримання була чи донорська кров, або культура клітин людини. На жаль, ці джерела не дозволяли отримувати інтерферони в кількості, потрібних медицині.

У 1980 - 1985 рр.. в кількох лабораторіях світу, в тому числі і в СРСР, були виділені гени людини, що визначають синтез інтерферонів, і введені в бактерії. Такі бактерії стали здатні синтезувати людський інтерферон. Дуже важливо, що вони швидко ростуть, використовують дешеву живильне середовище і синтезують велику кількість білка. З 1 л бактеріальної культури можна виділити стільки людського інтерферону alpha, скільки з 10 тис. л. донорської крові. Отриманий білок абсолютно ідентичний інтерферону, що синтезується в організмі людини. Звичайно, довелося вирішувати складне завдання очищення інтерферону, отриманого способом генної інженерії, до гомогенного стану.

Ще 4 - 6 років зайняли доклінічні і клінічні випробування. Нарешті в 1989 -1990 рр.. з'явилося нове ліки - людський інтерферон alpha; в Росії він випускається під назвою "реаферон". За цю роботу група вчених удостоєна Ленінської премії.

Сьогодні це майже єдиний препарат, який ефективний проти вірусних гепатитів як у гострою, так і в хронічних формах, проти герпесу, простудних захворювань. Інтерферон застосовується і в терапії деяких видів раку. За кордоном з 1994 р. випускаються препарати betta і gamma - інтерферонів людини.

З інших препаратів рекомбінантних білків людини, що одержали широке медичне застосування, слід назвати інсулін, гормон росту, еритропоетин. Свинячий інсулін відрізняється від людського лише однієї амінокислотою. Застосовується з 1926 р. для лікування людей при інсулінозалежний цукровий діабет. Для гормону росту і еритропоетину відзначається, як і для інтерферонів, видоспецифічність білків. Генна інженерія відкрила нову можливість використання цих білків у медицині. Гормон росту застосовується не тільки для боротьби з карликовими, а й широко використовується як стимулятор для загоєння ран, зрощення кісток. Гормони росту тварин почали використовувати в с/г (збільшення на 15% удою корів, прискорення росту риб). Еритропоетин - стимулятор кровотворення і використовується при лікуванні різного роду анемій.

В даний час у світі отримали дозвіл на застосування більше 30 препаратів, створених методами генної інженерії, і більше 200 знаходяться на різних стадіях клінічних досліджень. Зараз більше 20% фармацевтичного ринку ліків складають ліки нової біотехнології.

Використання рекомбінантних білків людини - принципово нова терапія. У не вводиться нічого чужого. Дійсно, якщо в ньому не вистачає інсуліну або гормону росту, їх додають (замісна терапія). З вірусами організм сам бореться з допомогою інтерферонів - людина просто допомагає йому.

Значні успіхи досягнуті в генної інженерії рослин. В основі цієї техніки лежать методи культивування клітин і тканин рослин в пробірці і можливість регенерації цілої рослини з окремих клітин.

У генної інженерії рослин є свої проблеми. Одна з них полягає в тому, що багато корисні властивості рослин кодуються не одним, а багатьма генами. Це робить важким або неможливим пряме генно-інженерне вдосконалення властивостей. Інша перешкода, яка поступово долається, - труднощі культивування та регенерації клітин в ціле рослина серед деяких видів, наприклад злаків. Кращі результати отримано в тому випадку, коли перенесення одного гена може призвести до появи у рослини корисного властивості.

Незважаючи на обмеження, отримані вражаючі результати: створено сорти бавовнику, томатів, тютюну, рису, стійких до комах-шкідників, вірусів, грибкових захворювань. Піонер в області застосування генно-інженерних рослин в с/г -- США. Тут в 1996 році до 20% посівів бавовнику вироблено насінням, модифікованими методом генної інженерії.

Створення генно-інженерних (їх зараз називають трансгенними) тварин має ті ж принципові труднощі, що й створення трансгенних рослин, а саме: множинність генів, що визначають господарсько цінні ознаки. Тим не менше, є швидко розвивається область, пов'язана зі створенням трансгенних тварин -- продуцентів біологічно активних білків.

У вищих організмах конкретні гени кодують виробництво білків у певних тканинах. Хоча всі гени містяться в кожній клітині, в спеціалізованих клітинах працюють тільки деякі з них, цим і визначається тканинна специфічність. Прикладом може служити виробництво білків молока (козеін, лактальбуміну) в молочних залозах. Є можливість підставити потрібний нам ген під регуляторні послідовності, наприклад казеїну, і отримати чужорідний білок у складі молока. Важливо при цьому, що тварина почуває себе нормально, тому що чужий ген працює тільки в процесі лактації.

У світі вже існують сотні трансгенних овець і кіз, які продукують у молоці від десятків мг до декількох грамів біологічно активних білків людини в 1л молока. Такий метод виробництва економічно вигідний і екологічно чистіше, хоча і вимагає від учених великих зусиль і часу при створенні трансгенних тварин в порівнянні зі створенням генно-інженерних мікроорганізмів.

З молоком трансгенних тварин можна отримувати не тільки ліки. Відомо, що для виробництва сиру високої якості необхідний фермент, створаживаться молоко, -- реннін. Цей фермент добувають з шлунків молочних телят. Він доріг і не завжди доступний. Нарешті, генні інженери сконструювали дріжджі, які стали виробляти цей цінний білок при мікробіологічному синтезі.

Наступний етап генної інженерії - створення трансгенних овець, які синтезують хімозін в молоці. Невелике стадо наших овець в Росії знаходиться на Ленінських Горках під Москвою. Ці вівці синтезують до 300 мг/л ферменту в молоці. Для процесу сироваріння білок можна не виділяти, а використовувати просто у складі молока.

Можлива експансія біотехнології в області, які сьогодні цілком належать хімії. Це -- біокаталізу (замість хімічного каталізу) і нові матеріали. Один з процесів біокаталізу, успішно реалізованого в промисловості, - отримання акриламід з акрилонітрила.

CH2 = CH-CN -> CH2 = CH-C = 0

|

NH2

акриламід служить вихідним мономером для отримання полімерів і кополімерів, широко що використовуються при очищенні води та стоків, в гірничій справі, при освітленні соків і вин, приготуванні фарб і т.п.

До недавнього часі процес гідролізу нітрит вели при 105 С в присутності сірчаної кислоти. Процесу Після закінчення сірчану кислоту нейтралізували аміаком. Велике кількість сірчанокислого амонію, в кінцевому рахунку виявлявся в річках. Були великі витрати енергії, швидко зношувалося обладнання, і якість акриламід залишало бажати кращого.

У 1987 році вчені з інституту генетики та селекції промислових мікроорганізмів спільно зі своїми колегами з Саратовського філії інституту приступили до пошуку в природі мікроорганізмів, які могли б перетворювати акрилонитрил в акриламід, Такі мікроорганізми були знайдені. Після низки маніпуляцій отримані мікроорганізми, які синтезують в 10 тис. разів більше ферменту - нітрілгідратази, відповідального за трансформацію акрилонітрила.

Досягнення вчених реалізовані на практиці. На одному з заводів, що випускає антибіотики, налагоджено випуск біокаталізатора, тобто потрібних мікроорганізмів, а ще на 3 заводах здійснено процес біокаталітичні отримання акриламід. Процес здійснюється за кімнатному тиску і температурі, отже, мало енергоемок. Процес практично не має відходів, екологічно чистий. Одержуваний новим методом акриламід має високу чистоту, що важливо, тому що більша його частина далі полімеризується в поліакриламід, а якість полімеру сильно залежить від чистоти мономеру.

Інший приклад відноситься не до біокаталізу, а до біоматеріалами. Вчені давно звернули увагу на дуже цінні механічні властивості матеріалу, з якого павуки плетуть мережі.

Паутинка приблизно в 100 разів тонші людської волосини, цей матеріал м'якше бавовни, міцніше сталі, володіє унікальною еластичністю, практично не змінює властивостей при зміні температури, матеріал ідеально підходить для багатьох практичних цілей: парашутного корду, бронежилетів і т.д. Питання, де взяти велике кількість павутини за ціною вихідної?

На допомогу прийшла генна інженерія. Вчені виділили гени, відповідальні за синтез білків павутини, і перенесли їх у мікроорганізми. У 1995 р. з'явилося повідомлення американських дослідників, що в мікроорганізмах дійсно синтезується потрібний білок. Таким чином відкривається шлях до промислового мікробіологічному синтезу нового матеріалу.

Зазвичай для росту мікроорганізмів використовуються дешеві крохмаль, патока та інші с/г продукти, тобто поновлюване сировину.

Потрібно відзначити. Що бактерії синтезують НЕ нитки, а аморфний білок так само, як і павуки. Нитка утворюється, коли павук витісняє білок з сопла своїх залоз. Технічно можливо імітувати цей процес, продавлюючи аморфний білок через дуже тонкі отвори. Перші нитки з мікробіологічного білка вже отримані. Є реальна можливість поліпшити чудові якості павутини, внісши деякі зміни до амінокислотних послідовність білка.

Наведені приклади далеко не охоплюють всіх практичних аспектів застосування генної інженерії. Ми не торкалися питань енергетики, охорони середовища, видобутку корисних копалин, мікробіологічної промисловості, а також дуже важливого питання -- ролі генної інженерії у розвитку самої молекулярної біології.

Нова «Зелена революція », яка вже почалася, дасть рослини, які не будуть мати потребу в пестициди, а в майбутньому - і в азотних добривах. Припинення використання

Хімічних пестицидів різко поліпшить стан навколишнього середовища, скоротить витрати нафти і газу на їх виробництво (на 3%). З'являться нові матеріали нові ліки, високопродуктивні тварини, нові харчові продукти.

За висновком експертів конгресу США, «біотехнологія найбільшою мірою змінить образ життя людей в XXI столітті ».

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.study.online.ks.ua/