Основы биотехнологии и ее научно-производственная база
Основы биотехнологии и ее научно-производственная база
Волгоградский Государственный
университет
Реферат
на тему:
«Основы биотехнологии и ее научно-производственная
база»
ВОЛГОГРАД 2008
Содержание
Введение
1. Общие понятия, основные вехи
биотехнологии
2. Генная инженерия
3. Клонирование и биотехнология в животноводстве
4. Практическое значение и
перспективы генетической инженерии
5. Значение и задачи биотехнологии
Заключение
Список литературы
Введение
Биотехнология, или технология биопроцессов, это
производственное использование биологических агентов или их систем для
получения ценных продуктов и осуществления целевых превращений. Биологические
агенты в данном случае - 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.
Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди
пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, другие молочнокислые продукты, используя
различные микроорганизмы, при этом даже не подозревая об их существовании.
Собственно сам термин появился в нашем языке не так давно, вместо него
употреблялись слова «промышленная микробиология», «техническая биохимия» и др.
Вероятно, древнейшим биотехнологическим процессом было сбраживание с помощью
микроорганизмов. В пользу этого свидетельствует описание процесса приготовления
пива, обнаруженное в 1981 г. при раскопках Вавилона на дощечке, которая
датируется примерно 6-м тысячелетием до н. э. В 3-м тысячелетии до н. э. шумеры
изготовляли до двух десятков видов пива. Не менее древними биотехнологическими
процессами являются виноделие, хлебопечение, и получение молочнокислых
продуктов. 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.
Биотехнология как наука является важнейшим разделом
современной биологии, которая, как и физика, стала в конце XX в. одним из
ведущих приоритетов в мировой науке и экономике.
Всплеск исследований по биотехнологии в мировой науке
произошел в 80-х годах, когда новые методологические и методические подходы
обеспечили переход к эффективному их использованию в науке и практике и
возникла реальная возможность извлечь из этого максимальный экономический
эффект. По прогнозам, уже в начале 21 века биотехнологические товары будут
составлять четверть всей мировой продукции.
В нашей стране значительное расширение
научно-исследовательских работ и внедрение их результатов в производство также
было достигнуто в 80-е годы. В этот период в стране была разработана и активно
осуществлялась первая общенациональная программа по биотехнологии, были созданы
межведомственные биотехнологические центры, подготовлены квалифицированные
кадры специалистов - биотехнологов, организованы биотехнологические лаборатории
и кафедры в научно-исследовательских учреждениях и вузах.
Однако в дальнейшем внимание к проблемам биотехнологии в
стране ослабло, а их финансирование сокращено. В результате развитие
биотехнологических исследований и их практическое использование в России
замедлилось, что привело к отставанию от мирового уровня, особенно в области
генетической инженерии.
Что касается более современных биотехнологических процессов,
то они основаны на методах рекомбинантных ДНК, а также на использовании
иммобилизованных ферментов, клеток или клеточных органелл. 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.
Микробиологическая промышленность в настоящее время
использует тысячи штаммов различных микроорганизмов. В большинстве случаев они
улучшены путем индуцированного мутагенеза и последующей селекции. Это позволяет
вести широкомасштабный синтез различных веществ.
Некоторые белки и вторичные метаболиты могут быть получены
только путем культивирования клеток эукариот. Растительные клетки могут служить
источником ряда соединений - атропин, никотин, алкалоиды, сапонины и др. Клетки
животных и человека также продуцируют ряд биологически активным соединений.
Например, клетки гипофиза - липотропин, стимулятор расщепления жиров, и соматотропин
- гормон, регулирующий рост.
Созданы перевиваемые культуры клеток животных, продуцирующие
моноклональные антитела, широко применяемые для диагностики заболеваний. В
биохимии, микробиологии, цитологии несомненный интерес вызывают методы
иммобилизации как ферментов, так и целых клеток микроорганизмов, растений и
животных. В ветеринарии широко используются такие биотехнологические методы,
как культура клеток и зародышей, овогенез in vitro, искусственное
оплодотворение. Все это свидетельствует о том, что биотехнология станет
источником не только новых продуктов питания и медицинских препаратов, но и
получения энергии и новых химических веществ, а также организмов с заданными
свойствами.[1]
1. Общие
понятия, основные вехи биотехнологии
Биотехнология возникла на
стыке микробиологии, биохимии и биофизики, генетики и цитологии,
биоорганической химии и молекулярной биологии, иммунологии и молекулярной
генетики. Методы биотехнологии могут применяться на следующих уровнях:
молекулярном (манипуляция с отдельными частями гена), генном, хромосомном,
уровне плазмид, клеточном, тканевом, организменном и популяционном.[2]
Выдающиеся достижения
биотехнологии в конце ХХ в. привлекли к ней внимание не только широкого круга
ученых, но и всей мировой общественности. Не случайно ХХI в. предложено считать
веком биотехнологии.[3]
Термин «биотехнология»
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.
Биотехнология - наука
об использовании живых организмов, биологических процессов и систем в
производстве, включая превращение различных видов сырья в продукты.
По определению академика
Ю.А. Овчинникова, биотехнология - комплексная, многопрофильная область
научно - технического прогресса, включающая разнообразный микро - биологический
синтез, генетическую и клеточную инженерную энзимологию, использование знаний,
условий и последовательности действия белковых ферментов в организме растений,
животных и человека, в промышленных реакторах.
К биотехнологии относится
трансплантация эмбрионов, получение трансгенных организмов, клонирование.
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.
Несомненные успехи в
использовании индуцированного мутагенеза и селекции для улучшения
штаммов-продуцентов при производстве антибиотиков и т.д. стали еще более
значимы с использованием методов молекулярной биотехнологии.
Основные вехи развития
молекулярной биотехнологии представлены в таблице 1.
Таблица 1. История
развития молекулярной биотехнологии (Глик, Пастернак, 2002)
Дата
|
Событие
|
1917
|
Карл Эреки ввел термин
«биотехнология»
|
1943
|
Произведен пенициллин в
промышленном масштабе
|
1944
|
Эвери, Мак Леод и Мак Карти
показали, что генетический материал представляет собой ДНК
|
1953
|
Уотсон и Крик определили структуру
молекулы ДНК
|
1961
|
Учрежден журнал «Biotechnology and Bioengineering»
|
1961-1966
|
Расшифрован генетический код
|
1970
|
Выделена первая рестрицирующая эндонуклеаза
|
1972
|
Коран и др. синтезировали
полноразмерный ген тРНК
|
1973
|
Бойер и Коэн положили начало
технологии рекомбинантных ДНК
|
1975
|
Колер и Мильштейн описали получение
моноклональных антител
|
1976
|
Изданы первые руководства,
регламентирующие работы с рекомбинантными ДНК
|
1976
|
Разработаны методы определения
нуклеотидной последовательности ДНК
|
1978
|
Фирма «Genetech» выпустила человеческий инсулин,
полученный с помощью Е.coli
|
1980
|
Верховный суд США, слушая дело
Даймонд против Чакрабарти, вынес вердикт, что микроорганизмы, полученные
генно-инженерными методами, могут быть запатентованы
|
1981
|
Поступили в продажу первые
автоматические синтезаторы ДНК
|
1981
|
Разрешен к применению в США первый
диагностический набор моноклональных антител
|
1982
|
Разрешена к применению в Европе
первая вакцина для животных, полученная по технологии рекомбинантных ДНК
|
1983
|
Для трансформации растений
применены гибридные Ti
–плазмиды
|
1988
|
Выдан патент США на линию мышей с
повышенной частотой возникновения опухолей, полученную генно – инженерными
методами
|
1988
|
Создан метод полимеразной цепной
реакции (ПЦР)
|
1990
|
В США утвержден план испытаний
генной терапии с использованием соматических клеток человека
|
1990
|
Официально начаты работы над
проектом «Геном человека»
|
1994-1995
|
Опубликованы подробные генетические
и физические карты хромосом человека
|
1996
|
Ежегодный объем продаж первого
рекомбинантного белка (эритропоэтина) превысил 1 млрд. долларов
|
1996
|
Определена нуклеотидная
последовательность всех хромосом эукариотического микроорганизма
|
1997
|
Клонировано млекопитающее из
дифференцированной соматической клетки
|
В настоящее время в мире
существует более 3000 биотехнологических компаний. В 2004 г. в мире было произведено биотехнологической продукции более чем на 40 млрд. долларов.
2. Генная
инженерия
Важной составной частью
биотехнологии является генетическая инженерия. Родившись в начале 70-х годов,
она добилась сегодня больших успехов. Методы генной инженерии преобразуют
клетки бактерий, дрожжей и млекопитающих в «фабрики» для масштабного
производства любого белка. Это дает возможность детально анализировать
структуру и функции белков и использовать их в качестве лекарственных средств.
В настоящее время кишечная палочка (E. coli) стала поставщиком таких важных
гормонов как инсулин и соматотропин. Ранее инсулин получали из клеток
поджелудочной железы животных, поэтому стоимость его была очень высока.5
Генная инженерия - раздел
молекулярной биотехнологии, связанный с осуществлением переноса генетического
материала (ДНК) из одного организма в другой. 6
Термин «генетическая
инженерия» появился в научной литературе в 1970 г., а генетическая инженерия как самостоятельная дисциплина - в декабре 1972 г., когда П. Берг и сотрудники Стенфордского университета (США) получили первую рекомбинантную
ДНК, состоящую из ДНК вируса SV40
и бактериофага λdvgal. В нашей стране благодаря развитию молекулярной генетики и молекулярной
биологии, а также правильной оценке тенденций развития современной биологии 4
мая 1972 г. в Научном центре биологических исследований Академии наук СССР в г.
Пущино (под Москвой) состоялось первое рабочее совещание по генетической
инженерии. С этого совещания и ведется отсчет всех этапов развития генетической
инженерии в России.
Бурное развитие
генетической инженерии связано с разработкой новейших методов исследований,
среди которых необходимо выделить основные:
Расщепление ДНК
(рестрикция)
необходимо для выделения генов и манипуляций с ними;
гибридизация
нуклеиновых кислот,
при которой, благодаря их способности связываться друг с другом по принципу
комплементарности, можно выявлять специфические последовательности ДНК и РНК, а
также совмещать различные генетические элементы. Используется в полимеразной
цепной реакции для амплификации ДНК in vitro;
клонирование ДНК - осуществляется путем введения
фрагментов ДНК или их групп в быстрореплицирующиеся генетические элементы
(плазмиды или вирусы), что дает возможность размножать гены в клетках бактерий,
дрожжей или эукариот;
определение нуклеотидных
последовательностей (секвенирование)
в клонируемом фрагменте ДНК. Позволяет определить структуру генов и аминокислотную
последовательность кодируемых ими белков;
химико-ферментативный
синтез полинуклеотидов - часто необходим для целенаправленной модификации генов и облегчения
манипуляций с ними.7
Б. Глик и Дж. Пастернак
(2002) описали следующие 4 этапа экспериментов с рекомбинантной ДНК:
1. Из организма-донора
экстрагируют нативную ДНК (клонируемая ДНК, встраиваемая ДНК, ДНК-мишень,
чужеродная ДНК), подвергают ее ферментативному гидролизу (расщепляют,
разрезают) и соединяют (лигируют, сшивают) с другой ДНК (вектор для
клонирования, клонирующий вектор) с образованием новой рекомбинантной молекулы
(конструкция «клонирующий вектор - встроенная ДНК»).
2. Эту конструкцию вводят
в клетку-хозяина (реципиента), где она реплицируется и передается потомкам.
Этот процесс называется трансформацией.
3. Идентифицируют и
отбирают клетки, несущие рекомбинантную ДНК (трансформированные клетки).
4. Получают специфический
белковый продукт, синтезированный клетками-хозяевами, что является подтверждением
клонирования искомого гена.8
3. Клонирование
и биотехнология в животноводстве
Клонирование - совокупность методов,
использующихся для получения клонов. Клонирование многоклеточных организмов
включает пересадку ядер соматических клеток в оплодотворенное яйцо с удаленным
пронуклеусом. Дж. Гердон (1980) впервые доказал возможность переноса ДНК путем
микроинъекций в пронуклеус оплодотворенной яйцеклетки мыши. Затем Р. Бринстер и
Др. (1981) получили трансгенных мышей, которые синтезировали большое количество
тимидинкиназы NSV в клетках печени и почек. Это было
достигнуто путем инъекции гена тимидинкиназы NSV под контролем промотора гена металлотионеина-I.
В 1997 г. Уилмут и др. клонировали овцу Долли методом переноса ядра от взрослой овцы. Они взяли от
6-летней овцематки породы финский дорсет эпителиальные клетки молочной железы.
В культуре клеток или в яйцеводе с наложенной лигатурой их культивировали в
течение 7 дней, а потом эмбрион в стадии бластоцисты имплантировали в
«суррогатную» мать шотландской черноголовой породы. В эксперименте из 434
яйцеклеток была получена только одна овца Долли, которая была генетически
идентичной донору породы финский дорсет.
Страницы: 1, 2
|