БИОТЕХНОЛОГИИ. НАДЕЖДЫ И СВЕРШЕНИЯ

BIOTECHNOLOGY. HOPES AND ACCOMPLISHMENTS

Anton Derevnin

second year student of group B-A-203, Saratov State University of Genetics, Biotechnology and Engineering named after N.I. Vavilov,

Russia, Saratov

АННОТАЦИЯ

Основа биотехнологии – это генетическая инженерия и биохимия. Развитие клеточной инженерии считается одним из самых перспективных направлений. Кроме этого, активно развивается направление биологически активных соединений с помощью микроорганизмов и культивируемых эукариотических клеток.

ABSTRACT

The basis of biotechnology is genetic engineering and biochemistry. The development of cellular engineering is considered one of the most promising areas. In addition, the direction of biologically active compounds with the help of microorganisms and cultured eukaryotic cells is actively developing.

Ключевые словa: биотехнология, генная инженерия.

Keywords: biotechnology, genetic engineering.

Биотехнологии – технологические процессы, реализуемые с использованием биологических систем – живых организмов и компонентов живой клетки. Другими словами, биотехнологии связаны с тем, что возникло биогенным путем. Биотехнологии основаны на последних достижениях многих отраслей современной науки: биохимии и биофизики, вирусологии, физико-химии, ферментов, микробиологии, молекулярной биологии, генетической инженерии, селекционной генетики, химии антибиотиков, иммунологии и др.

Основными направлениями развития современных биотехнологий являются медицинские биотехнологии, агробиотехнологии и экологические биотехнологии. Новейшим и важнейшим ответвлением биотехнологии является генная инженерия.

Основа биотехнологии – это генетическая инженерия и биохимия. Развитие клеточной инженерии считается на данный момент одним из самых перспективных направлений. [5]

Основными направлениями развития биотехнологии считаются:

• создание новых видов продуктов питания и животных кормов;
• выведение новых штаммов полезных микроорганизмов;
• создание новых пород животных;
• выведение новых сортов растений;
• создание и применение препаратов по защите растений от болезней и вредителей;
• применение новых биотехнологических методов по защите окружающей среды.

Кроме этого, активно развивается направление биологически активных соединений с помощью микроорганизмов и культивируемых эукариотических клеток. Сюда входят ферменты, витамины, а также гормоны и антибиотики.

Биотехнология делится на несколько направлений. Каждому специалисты условно присваивают свой цвет. Медицинскому соответствует красный. В рамках этого направления разрабатываются современные методы лечения и диагностики для улучшения жизни человека: вакцины; антитела; терапевтические белки; антибиотики; препараты на основе стволовых клеток; генная терапия; наноустройства. [4]

Биотехнологические разработки востребованы в лечении рака, иммунотерапии, борьбе с устойчивостью микроорганизмов к антибиотикам, регенерации тканей и других важных сферах.

Геномная инженерия — это наука, которая занимается изучением и изменением последовательности ДНК. Методы геномной инженерии — редактирование генома, или набора генов, и редактирование отдельных генов.

Биотехнологи разрабатывают системы редактирования генов:

CRISPR-Cas. Система, выполняющая иммунную функцию у микроорганизмов. Она предотвращает их заражение вирусами или фагами, которые несут собственный генетический материал. Активный элемент системы — белок Cas, способный расщеплять чужеродную ДНК и защищать хозяина.

ZNF. Нуклеаза «цинковые пальцы» состоит из двух компонентов. Первый — это синтетические белки с ионом цинка, которые связываются с определённым коротким участком ДНК. Второй — это нуклеаза, фермент, способный расщеплять ДНК. Вместе они работают как геномные ножницы, разделяя нуклеотидную последовательность.

TALEN. TALE— белок, полученный от растительных бактерий Xanthomonas. TALE распознаёт специфичный участок ДНК, а затем нуклеаза делает «разрез».

CRISPR-CAS, ZNF и TALEN используются в медицине для моделирования заболеваний человека на животных и клетках. C помощью систем редактирования генов проводится молекулярная диагностика и лечение генетических и онкологических заболеваний.

«Красная» биотехнология использует стволовые клетки, превращая их в другие клетки со специализированной функцией — нервные или сердечные, печени или крови. Стволовые клетки происходят от эмбриона и из взрослых тканей, например, костного мозга или жира. Обычные взрослые клетки можно перепрограммировать в стволовые.

Один из методов восстановления тканей — биопринтинг. Стволовые клетки размещают на натуральном или синтетическом материале. Для создания объёмной ткани используют оборудование для 3D-печати. В напечатанной ткани стимулируют образование сосудов и нервов, добавляя факторы роста и клетки-предшественники.

Трансплантация продуктов биопринтинга направлена на ускорение заживления при значительной потере ткани, как в случае серьёзной травмы кости. У хряща ограниченная способность к восстановлению, поэтому печатная версия может стать подходящей заменой разрушенному.

В медицинской биотехнологии изучают моноклональные антитела — биомолекулы, способные узнавать определённый участок антигена. «Мать» моноклональных антител называется гибридомой. Это клеточная линия, которая получена при слиянии B-лимфоцитов — иммунных клеток, вырабатывающих антитела, — и опухолевых клеток миеломы.

Моноклональные антитела используются в медицине для лечения многих патологий: злокачественные опухоли, хронические заболевания, предотвращение отторжения органа после пересадки.

Клеточная терапия — терапевтический подход на основе биотехнологии, использующий живые клетки:

Введённая клетка способна взаимодействовать с другими клетками и тканями организма, реагировать на химические, физические и биологические стимулы. В качестве клеточной терапии чаще вводят стволовые и Т-клетки.

Одобренные продукты используются для лечения злокачественных заболеваний крови и иммунодефицитов, восстановления тканей.

Ксенотрансплантация — это пересадка клеток, тканей и органов от донора, который не является человеком. Развитие технологии связано с нехваткой людей-доноров, которые могли бы предоставить органы для трансплантации. При терапии некоторых заболеваний человеческий материал часто недоступен.

В ранних исследованиях в качестве доноров рассматривали приматов. С 1990-х годов их место заняли свиньи. Они быстро растут, а их анатомия и физиология похожи на человеческую. В качестве потенциальных органов для ксенотрансплантации рассматривают сердце, почки и печень.

Одна из проблем ксенотрансплантации — иммунный ответ человека на антигены свиньи. Чтобы уменьшить риск отторжения, органы животного генетически модифицируют, снижая активность антигенов. Применение иммуносупрессивной терапии помогает подавить активность иммунных клеток.

Также биотехнология занимается разработкой современных видов вакцин:

Клеточные. В качестве материала для вакцины используется бактерия, которая в норме живёт в организме, или микроорганизм, который вызывает лёгкую инфекцию. Они генетически модифицируются, чтобы иммунная система видела в них более грозного противника, чем на самом деле.

Инженерные вирусы. В ДНК вируса добавляют новые фрагменты. Изменённый вирус приводит к образованию ряда чужеродных белков. Так можно обеспечить защиту сразу от нескольких инфекционных заболеваний.

ДНК-вакцины. Отбирают фрагменты ДНК, кодирующие чужеродные белки. К ним добавляют последовательности белков, усиливающих иммунный ответ. Материал объединяют и обрабатывают. Получают плазмиду, которая вместе с вакциной проникает в организм. Плазмида встраивается в клетку хозяина. Последняя синтезирует чужеродные белки, вызывая иммунный ответ.

Биотехнологии в сельском хозяйстве внесли большой вклад в развитие и становление отрасли. Несмотря на то, что биологическая сущность биотехнологических процессов была раскрыта совсем недавно, использование их продолжается на протяжении тысячелетий.

С точки зрения современной науки, биотехнология в сельском хозяйстве — это промышленное использование биологических процессов и агентов на основе получения высоко — эффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свойствами.

Таким образом, биотехнология является междисциплинарной областью научно-технического прогресса, возникшая на стыке биологических, химических и технических наук. [1]

Возделываемые культуры растений подвержены негативному влиянию ряда факторов — сорняков, грызунов, насекомых-вредителей, нематод, фитопатогенных грибов, бактерий, вирусов, неблагоприятных погодных и климатических условий. Влияние перечисленных факторов способно значительно снизить урожайность возделываемых культур, а значить уменьшить потенциальную прибыль.

Современная биотехнология предлагает ряд решений, способных значительно облегчить решение ряда проблем:

• выведение сортов растений, устойчивых к вредителям и неблагоприятным факторам среды;
• разработка биологических средств борьбы с вредителями, использование их естественных врагов и паразитов, а также токсических продуктов, образуемых живыми организмами;
• повышение продуктивности сельскохозяйственных культур и их пищевой (кормовой) ценности.

Традиционные методы по выведению новых сортов — это селекция на основе гибридизации, спонтанных и индуцированных мутаций. Современная наука шагнула намного дальше и позволяет конструировать генетический код растения для получения необходимых свойств – урожайность, устойчивость к факторам среды и вредителям, накопление тех или иных компонентов. Уже сегодня выведены сорта, способные к фиксации атмосферного азота, устойчивые к действию гербицидов и ряда вредителей.

Разработанные технологии клонирования позволяют надеяться на получение здоровых (без вирусов) растений, тем самым способствуют поддержанию ценного генофонда.

При этом существует ряд спорных методов, связанных с вмешательством в генетический код – получение так называемых ГМО. До сегодняшнего дня нет достоверных данных о безопасности генетически модифицированных организмах.

По мнению специалистов, использование ГМО в перспективе будет возможно, при этом процесс исследования вновь получаемых организмов должен быть сильно усложнен, мало того – исследовать необходимо каждую генетическую модификацию, даже в рамках одного сорта.

Обязательным условием являются исследования о влиянии ГМО на организм в динамике. Еще одним условием получения ГМО является безопасность используемых методов для окружающей среды, т.к. используемые методики и сами ГМО, являясь чужеродным для природы материалом, могут спровоцировать непредсказуемые последствия.

Проблема заключается в том, что, попадая в природные условия, ГМО сталкиваются с вирусами, которые в норме являются векторами переноса генетического материала, что может спровоцировать появление новых, непредсказуемых и чрезвычайно опасных генетических мутаций. Таким образом, использование ГМО – это дело далекого будущего.

Биологические средства — важная составная часть комплексной программы защиты растений. Эта программа предусматривает проведение защитных мероприятий агротехнического, биологического и химического плана наряду с использованием устойчивых сортов растений.

Задачей комплексной программы является поддержание численности вредителей растений на экологически сбалансированном уровне, не наносящем ощутимого вреда культурным растениям.

Биотехнологии широко используются в животноводстве. Разработанные биопрепараты с успехом используются для лечения инфекционных заболеваний, в качестве кормовых добавок и заменителей цельного молока, силосных заквасок и прочее.

Так, 1 т кормовых дрожжей позволяет получить 0,4- 0,6 т свинины, до 1,5 т мяса птиц, 25—30 тыс. яиц и сэкономить 5—7 т зерна. Это имеет большое народнохозяйственное значение, поскольку 80% площадей сельскохозяйственных угодий в мире отводятся для производства корма скоту и птице. [5]

Микроорганизмы способны накапливать высокий процент легкоусваиваемого белка, витамины, ферменты, микроэлементы.

Выращивание микроорганизмов – автоматизированный процесс, не требующий наличия больших площадей под выращивание технических культур. Особую роль в кормопроизводстве выполняют витамины и ферменты, которые способны значительно повысить биодоступность используемых кормов.

Используемые силосные закваски способствуют качественному процессу консервации заготавливаемых кормов, препятствуют развитии гнилостной микрофлоры и порче корма. [2]

Биотехнологическая защита биосферы. Молекулы, служащие источником дурно пахнущего загрязнения воздуха, образуются в результате множества различных процессов. Эти молекулы часто являются органическими и могут быть подвергнуты микробной деградации. Дурно пахнущие газы могут удаляться биотехнологически в «сухих» или «мокрых» биореакторах.

«Мокрый» реактор работает как реактор с насадкой с иммобилизированной биомассой и противотоком жидкости. Газы при этом переносятся из газовой фазы в жидкую, а затем окисляются закрепленной биомассой. Основные преимущества этого процесса заключаются в следующем: большая эффективность поглощения, биоокисление практически до нуля снижает дурно пахнущие загрязнения, резко уменьшается объем поглощающей жидкой фазы; параллельно решается проблема удаления сточных вод.

Биотехнология охраны земель. Загрязненность почв неорганическими ионами и нехватка полезных органических, избыток пестицидов и других вредных минеральных добавок приводят к снижению урожайности и качества сельскохозяйственных культур, а также эрозии и дефляции почвы.

При этом традиционные удобрения и методы внесения их в почву являются весьма затратными. Вместе с тем имеются безграничные, возобновляемые ресурсы удобрений, содержащие необходимые питательные элементы для сельхозкультур и близкие, а иногда превышающие по качеству органические удобрения.

Широкому применению их в сельском хозяйстве препятствует бактериальная зараженность и содержание тяжелых металлов. Если первое препятствие в целом разрешимо, то второе – требует новых подходов, основанных на биотехнологических приемах.

В настоящее время в России и за рубежом проводится большая работа по селекции и получению методами генной инженерии микроорганизмов, способных при внесении их в почву вместе с осадками продуцировать полимеры, переводящие тяжелые металлы в неподвижные формы, осуществляющие одновременно процесс азотфиксации.

Уже не одно десятилетие насчитывает опыт применения красного калифорнийского червя для получения биологически ценного удобрения из клетчаткосодержащих и широкого спектра органических отходов, а также для улучшения структуры почв, аэрирования. Прошедший через червя гумус обогащен всеми необходимыми аминокислотами, микроэлементами.

Одним из наиболее распространенных и стойких загрязнений земель является нефть. Естественная микрофлора, адаптируясь, способна разрушить загрязнения этого типа. Смешение загрязненной нефтью почвы с измельченной сосновой корой ускоряет на порядок скорость разрушения нефти за счет способности микроорганизмов, существующих на поверхности коры, к росту сложных углеводородов, входящих в состав сосновой смолы, а также адсорбции нефтепродуктов корой. Такой биотехнологический прием получил название «микробное восстановление загрязненной нефтью почвы».

Аэробные процессы очистки сточных вод. В аэробных процессах очистки часть окисляемых микроорганизмами органических веществ используется в процессах биосинтеза, другая – превращается в безвредные продукты – Н2О, СО2, NO2 и пр. Принцип действия аэробных систем биоочистки базируется на методах проточного культивирования.

В процессах биологической очистки принимает участие сложная биологическая ассоциация, состоящая не только из бактерий, но также включающая одноклеточные организмы – водные грибы, простейшие организмы (амебы, жгутиковые), микроскопические животные (коловратки, круглые черви – нематоды) и др.

Анаэробные процессы очистки стоков. Анаэробные процессы очистки сточных вод не получили достаточно широкого развития в настоящее время.  Эти процессы по сравнению с аэробными процессами очистки сточных вод имеют ряд несомненных преимуществ. Главными являются высокий уровень превращения углерода загрязняющих веществ при относительно небольших объемах прироста биомассы и получение дополнительного ценного продукта – биогаза.  Используемые для этих целей биореакторы – септиктенки, представляют собой отстойники, в которых осевший ил подвергается анаэробной деградации. Биотехнологическая очистка природных и сточных вод в настоящее время является достаточно изученным и широко применяемым методом, значение и роль которого со временем будет только возрастать в связи с требованиями экологичности и экономичности современных видов производства. [1, 3]

Однако такой способ в его настоящем применении позволяет разрушить только относительно простые органические и аммонийные соединения, так называемые биологически мягкие. Неорганически восстановленные соединения, токсины, комплексные соединения и сложные органические молекулы, удаляемые лишь частично при такой технологии, относятся к «биологически жестким» органическим и аммонийным соединениям. Присутствие таких веществ как в очищенных сточных водах, так и в осадках и илах представляет угрозу для окружающей природной среды.

Поэтому разработка методов детоксикации таких загрязнений – текущая и перспективная задача биотехнологии очистки вод. Загрязнения биосферы вследствие выброса ксенобиотиков и других вредных соединений, почти не включаемых в циклы углерода, азота, фосфора и серы, приводят к необратимым из-за кумуляции изменениям в генофонде.

Среди ксенобиотиков наибольшее распространение имеют гербициды и пестициды, представляющие собой галогеносодержащие соединения и попадающие в водоемы из почвы и атмосферы.

Если не применять специальные адсорбционные мембранные технологии или озонирование, то существующие станции очистки природных вод для хозяйственных целей не обеспечат удаления ксенобиотиков.

В заключении можно подчеркнуть, что биотехноологии играют важную роль в современном обществе, предоставляя множество надежд и свершений. Они открывают новые перспективы в медицине, сельском хозяйстве, промышленности и других областях.

Перспективы использования биотехнологий включают лечение генетических заболеваний, увеличение урожайности сельскохозяйственных культур, создание экологически чистых методов производства и многие другие области применения. Однако важно помнить о проблемах, этических аспектах и возможных рисках, связанных с использованием биотехнологий.

Биотехнологии представляют собой мощный инструмент, который может принести огромные выгоды человечеству, но также требует внимательного и ответственного подхода. Важно продолжать исследования в этой области, учитывая, как потенциальные преимущества, так и возможные риски, чтобы обеспечить безопасное и эффективное использование биотехнологий в будущем.

Список литературы:

1. Баранов А.В. Полуостров Ямал: экологические проблемы и пути их решения: обз. инф. / А.В. Баранов. - М.: ИРЦ «Газпром», 2006.
2. Пат. 2384616. Консорциум штаммов микроорганизмов для очистки окружающей среды от углеводородов / Самсонов Р.О., Акопова ГС., Козлов С.И., Листов Е.Л.
3. Башкин В.Н. Прогнозирование микробиологического очищения почвы от углеводородов газового конденсата.
4. Соболевская, О.В. Население мира будет расти, стареть, дольше жить и меньше мигрировать / О.В. Соболевская // Новостной портал iq.hse.ru.: электронное издание – 2013 [Электронный ресурс]. – URL: https://iq.hse.ru/news/177669242.html (дата обращения 30.05.2024).
5. Егоров, Н. С. Биотехнология: Проблемы и перспективы / Н.С. Егоров, А.В. Олескин, В. Д. Самуилов. – 2017 [Электронный ресурс]. – URL:http://biocat.ru/ebook.php?file=egorov_t1.djvu&page=1 (дата обращения 30.05.2024).