Почему считают что в медицине биотехнологии добились наибольших успехов

Почему считают, что в медицине биотехнологи добились наибольших успехов?

Обсуждение вопроса:

В настоящее время с помощью биосинтеза получают антибиотики, ферменты, аминокислоты, гормоны.

Например, гормоны раньше, как правило, получали из органов и тканей животных. Даже для получения небольшого количества лечебного препарата требовалось много исходного материала. Следовательно, трудно было получить необходимое количество препарата, и он был очень дорог.

Так, инсулин, гормон поджелудочной железы, – основное средство лечения при сахарном диабете. Этот гормон надо вводить больным постоянно. Производство его из поджелудочной железы свиньи или крупного рогатого скота сложно и дорого. К тому же молекулы инсулина животных отличаются от молекул инсулина человека, что нередко вызывало аллергические реакции, особенно у детей. В настоящее время налажено биохимическое производство человеческого инсулина. Был получен ген, осуществляющий синтез инсулина. С помощью генной инженерии этот ген был введен в бактериальную клетку, которая в результате приобрела способность синтезировать инсулин человека.

Помимо получения лечебных средств, биотехнология позволяет проводить раннюю диагностику инфекционных заболеваний и злокачественных новообразований на основе применения препаратов антигенов, ДНК/РНК-проб.

С помощью новых вакцинных препаратов возможно предупреждение инфекционных болезней.

Источник

Как современные технологии помогают медицине

Об эксперте: Инна Фридман, основатель федеральной сети офтальмологических клиник «3Z», врач-офтальмолог, к.м.н.

Биотехнологии: что это такое и зачем это нужно

Система наук в XXI веке стала кластерной. Это значит, что сегодня в науке происходит диффузия различных специальностей. Например, биотехнологии объединили биологию, генную инженерию и генетику.

Биотехнологии — это использование живых организмов, их отдельных составляющих (ДНК, микроорганизмов, клеток и их частей) или продуктов их жизнедеятельности для производства продуктов и решения технических задач.

Сегодня существуют три главных вектора работы биотехнологов:

сельское хозяйство, в частности создание ГМО

энергетика и промышленность, например получение биотоплива или производство веществ, способных к деградации токсических отходов

медицина — специалисты в области биотехнологий работают над созданием препаратов для лечения тяжелых и неизлечимых заболеваний

Продукты и препараты, которые изобретают биотехнологи, маркируются разными цветами:

Биотехнологии для здоровья

Ключевое направление в биотехнологиях — биомедицина. Биомедики занимаются разработкой новых лекарственных средств, выделением и культивацией стволовых клеток для клеточной терапии и восстановления поврежденных тканей и даже органов, изучением процессов старения и злокачественной трансформации клеток. Более глубокое молекулярное понимание механизмов, лежащих в основе болезни, позволяет развиваться генной терапии и клеточной инженерии.

Что конкретно происходит в биомедицинской отрасли?

Универсальная вакцина против гриппа. В конце 2018 года первая универсальная вакцина против гриппа, разработанная израильской компанией BiondVax, получившей финансирование от официального банка Евросоюза и правительства Израиля, вышла на завершающую фазу клинических испытаний. В основе вакцины — части антигенов, которые «узнают» клетки иммунной системы (эпитопов). Всего в вакцину входит девять самых распространенных эпитопов. По словам представителей компании, универсальная вакцина способна защитить как от ежегодного, сезонного гриппа, так и в случае возникновения пандемий.

Редактирование генов. Сегодня проводятся эксперименты по редактированию генов в самом теле человека. В сентябре 2018 года Sangamo Therapeutics из Ричмонда, обнародовали информацию о введении редактирующих гены ферментов пациенту, организм которого не справляется с расщеплением сложных сахаров. Как врач не могу давать оценку исследованию, пока не будет установлено, что это безопасно для жизни и здоровья пациентов.

Компьютеры внутри человека. Человечество постепенно входит в эпоху квантовых технологий. Компания Илона Маска Neuralink уже вовсю производит миниатюрные нейрокомпьютерные интерфейсы. Имплантируемые в мозг частицы могут связать организм человека с Интернетом. В «пучке» из шести нейронитей содержатся 192 электрода, которые вживляются в мозг при помощи робота-хирурга. Если буквально, то человеческий мозг подключают к компьютерной системе.

Лекарство против рака. Изучение влияния бактериальных культур на процесс онкологии подтолкнуло специалистов к работе над препаратом, приостанавливающим развитие злокачественных образований в организме. Таким лекарством является Блеомицин. Он создан на основе микроорганизма Streptomyces verticilliis, имеющего гликопептидную природу. Активные вещества препарата проникают внутрь опухолевых клеток и приводят в беспорядок процесс изменения РНК и ДНК.

Другие препараты. К биотехнологическим знаниям можно отнести открытие десятков тысяч противогрибковых, антибактериальных, гормоносодержащих лекарственных средств, выведенных учеными за несколько десятилетий. Антибиотики не просто борются с инфекциями, они разрушают весь процесс, не вызывая формирования резистентности микроорганизмов к веществам препаратов. Биотехнологи подумали и о заболеваниях печени, разработав препарат на основе аминокислот, глутамата и аспартата. А комбинаторные свойства препарата с натрием и калием положительно влияют на функции сердца, поджелудочной железы.

Согласно стратегии развития медицинской науки в РФ на период до 2025 года сейчас идет стадия «биологизации», когда молекулярная и клеточная биология, а также тканевая инженерия предлагают использовать продукты на основе выращенных вне организма или модифицированных клеток человека. А это означает, что медицина добралась до восстановления жизненно важных тканей и органов: сердечной мышцы, печени, нервных клеток и др. Не обошли и стороной область медицины, изучающую анатомию, физиологию и болезни глаза.

Биоинженерия в офтальмологии

За последние 20 лет в секторе произошли важные для пациентов изменения: появились генно-инженерные, клеточные, тканевые, иммунобиологические и цифровые технологии.

Новаторские разработки в области офтальмологии:

Биопротезирование и бионический глаз

Фемтосекундная методика коррекции близорукости и астигматизма за 25 секунд ReLEx SMILE (англ. Small Incision Lenticule Extraction)

Сверхточные микроскопы с 3D-визуализацией и ультратонкие инструменты, которые повышают точность и эргономику работы хирурга

Доставка лекарств внутрь полостей и клеток тканей глаза

Спектральные томографы, создающие точную визуализацию структур высокого качества за кратчайшее время

Биологические ткани — выращенные или напечатанные. В будущем они смогут заменять изношенные ткани

Мультифокальные искусственные хрусталики, которые освобождают человека от ношения очков, возвращая контраст и остроту зрению

Электронный глаз, сохраняющий остаточное зрение и поддерживающий функцию ориентирования в пространстве

Наиболее интересная современная разработка — бионический протез глаза. Он может справиться со слепотой, полностью воссоздав настоящие процессы передачи электрических сигналов. Первый ретинальный протез назывался Argus — это американский проект, который удалось коммерциализировать. В 2012 году Argus II получил разрешение для коммерческого использования в Европе, годом позже в 2013 году — в США. В России разрешения на использование протеза пока нет.

Что еще почитать по теме:

Подписывайтесь и читайте нас в Яндекс.Дзене — технологии, инновации, эко-номика, образование и шеринг в одном канале.

Источник

Медицинская биотехнология в контексте человеческого развития

Медицинская биотехнология в контексте человеческого развития

Многообразие лекарственных способов лечения — один из основных плодов биомедицинской науки XX века

Автор

Редакторы

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Показана ключевая роль медицинской биотехнологии в успешном развитии человечества. Рассмотрены основные современные тенденции биомедицинской индустрии. В частности, акцентировано внимание на фармацевтической промышленности, генно-инженерном инструментарии, нанобиотехнологии. Одновременно с этим, в статье указаны основные проблемы исследуемой отрасли, связанные с вопросами биоэтики и биобезопасности, а также отмечена возможность их разрешения путём международного сотрудничества и политического контроля в биотехнологической области в целях обеспечения её безопасного прогресса.

Конкурс «био/мол/текст»-2011

Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2011 в номинации «Лучшая обзорная статья».

Высокие медицинские технологии последнего времени подняли человечество на новую ступень социальной эволюции, позволив кардинальным образом изменить вектор его (человечества) развития. При этом экспоненциальному прогрессу в сфере клинической и профилактической медицины, равно как и в фармацевтической промышленности существенно способствовали выдающиеся достижения в биотехнологии, а также других областях науки и техники.

То, что казалось в медицинской практике фантастическим вчера, уже сегодня постепенно внедряется в реальную жизнь. Объективно можно констатировать, что инновации генных, информационных и иных технологий потенциально обладают уникальной возможностью победоносно воздействовать на многие болезни современности [1], целенаправленно вносить требуемые коррективы в геном человека [2], значительно увеличивать продолжительность жизни, восстанавливать или заменять стареющие органы на новые в рамках регенеративной медицины, вести беременность вне стенок утробы матери [3], дистанционно консультировать, обследовать, оперировать пациентов и наблюдать за состоянием их здоровья в режиме онлайн и многое другое, что сложно было прогнозировать буквально ещё несколько десятилетий назад.

Нужно сказать, что одной из отраслей, которая гармонично влилась в отмеченный выше поток технологической революции, является фармацевтика. К препаратам, в производстве которых применяется биотехнология, относятся, в частности:

Говоря о медицинской биотехнологии, нельзя не отметить её исключительный вклад в борьбу со старением, что стало возможным благодаря открытиям в молекулярной биологии, разгадке структуры ДНК, расшифровке генома человека [6] и иным успехам в этой области. Представляется, что дальнейшее развитие генетической инженерии, являющейся одной из наиболее могущественных прикладных биотехнологических инструментов, даст мощный импульс таким передовым ответвлениям, как генодиагностика и генотерапия [7]. Они принципиально улучшат качество медицинского обслуживания населения и позволят уже на эмбриональной стадии точно выявлять и в щадящем для всего организма режиме устранять зачатки тех или иных заболеваний (генетических, онкологических, инфекционных).

В контексте рассматриваемой проблематики особо нужно выделить зарождающуюся ныне нанобиотехнологию [8], которая, гармонично вобрав в себя прогрессивные методы биотехнологии и нанотехнологии, делает реальным, к примеру, адресную доставку лекарственных средств в нанокапсулах [9], проведение хирургических операций с помощью высокоточных наноинструментов, изготовление биореакторов для выращивания стволовых клеток (способных обновлять или замещать повреждённые или утраченные клеточные структуры) [10], [11], создание биосенсоров и зондовых микроскопов, фильтрацию жидкостей организма от вредных веществ с помощью мембран с нанопорами, производство антибактериальных перевязочных материалов с пропиткой из мгновенно останавливающей кровотечение жидкости [12].

Вместе с тем, несмотря на показанные выше очевидно созидательные составляющие частной медицинской биотехнологии, имеется и ряд дискуссионных вопросов, особенно связанных с такими проблемами, как недостаточная изученность последствий от генетического манипулирования, сложность с определением пределов допустимого антропогенного вмешательства в биологические процессы, а также морально-этическая неоднозначность генно-инженерной деятельности в плоскости человеческого достоинства [13].

Как видится, если мировому сообществу удастся ответственно и успешно подойти к выработке инструментария по устранению вышеобозначенных и других актуальных «болевых точек» биотехнологии в медицине, интегрировать биотехнологический аспект в процессы транснационального взаимодействия с целью его международной регламентации и политического контроля, то, в таком случае, есть все предпосылки, чтобы на основе безопасного использования подобных технологий, сделать, возможно, самый главный в истории развития человеческой популяции самостоятельный шаг на пути масштабной эволюции цивилизации.

Источник

Медицинская биотехнология в контексте человеческого развития

Биотехноло́гия (от греч. bios — жизнь, techne — искусство, мастерство и logos — слово, учение) — это научная дисциплина, изучающая использование живых организмов и продуктов их жизнедеятельности, а также биологических процессов в промышленном производстве. Биотехнология — междисциплинарная область, возникшая на стыке биологических, химических и технических наук и связана с молекулярной биологией, генетикой, генной инженерией, биохимической, микробиологической, физико-химической, электрохимической, химической технологией, биохимией, микробиологией, физической химией, электрохимией.

Термин «биотехнология» впервые был применен венгерским инженером Карлом Эреки в 1917 году.

С развитием биотехнологии связывают решение глобальных проблем человечества — ликвидацию нехватки продовольствия, энергии, минеральных ресурсов, улучшение состояния здравоохранения и качества окружающей среды. Чтобы обеспечить себя доброкачественной пищей и сырьем и при этом не привести планету к экологической катастрофе, человечеству необходимо научиться эффективно изменять наследственную природу живых организмов. В связи с этим, одной из главных задачей селекционеров в настоящее время становится решение проблемы создания новых форм растений, животных и микроорганизмов, хорошо приспособленных к индустриальным способам производства, устойчиво переносящих неблагоприятные условия, эффективно использующих солнечную энергию и, что особенно важно, позволяющих получать биологически чистую продукцию без чрезмерного загрязнения окружающей среды. Принципиально новыми подходами к решению этой фундаментальной проблемы является использование в селекции генной и клеточной инженерии.

В настоящее время активно развивается микробиологический синтез ферментов, витаминов, аминокислот, антибиотиков и т. п. Перспективно промышленное получение других биологически активных веществ (гормональных препаратов, соединений, стимулирующих иммунитет, и т. п.) с помощью методов генетической инженерии и культуры животных и растительных клеток.

История биотехнологии

С древнейших времен человек использовал биотехнологические процессы при хлебопечении, приготовлении кисломолочных продуктов, в виноделии и т. п., но лишь благодаря работам Л. Пастера в середине 19 века, доказавшего связь процессов брожения с деятельностью микроорганизмов, традиционная биотехнология получила научную основу. В 1940-1950-е годы, когда был осуществлен биосинтез пенициллинов методами ферментации, началась эра антибиотиков, давшая толчок развитию микробиологического синтеза и созданию микробиологической промышленности.

В 1960-1970-е годы начала бурно развиваться клеточная инженерия. С созданием в 1972 году группой П. Берга в США первой гибридной молекулы ДНК in vitro формально связано рождение генетической инженерии, открывшей путь к сознательному изменению генетической структуры организмов таким образом, чтобы эти организмы могли производить необходимые человеку продукты и осуществлять необходимые процессы. Эти два направления определили облик новой биотехнологии, имеющей мало общего с той примитивной биотехнологией, которую человек использовал в течение тысячелетий.

Показательно, что в 1970-е годы получил распространение и сам термин «биотехнология». С этого времени биотехнология неразрывно связана с молекулярной и клеточной биологией, молекулярной генетикой, биохимией и биоорганической химией. За краткий период своего развития (25-30 лет) современная биотехнология не только добилась существенных успехов, но и продемонстрировала неограниченные возможности использования организмов и биологических процессов в различных отраслях производства и народного хозяйства.

Биотехнология в медицине

Высокие медицинские технологии последнего времени подняли человечество на новую ступень социальной эволюции, позволив кардинальным образом изменить вектор его (человечества) развития. При этом экспоненциальному прогрессу в сфере клинической и профилактической медицины, равно как и в фармацевтической промышленности существенно способствовали выдающиеся достижения в биотехнологии, а также других областях науки и техники.

То, что казалось в медицинской практике фантастическим вчера, уже сегодня постепенно внедряется в реальную жизнь. Объективно можно констатировать, что инновации генных, информационных и иных технологий потенциально обладают уникальной возможностью победоносно воздействовать на многие болезни современности, целенаправленно вносить требуемые коррективы в геном человека, значительно увеличивать продолжительность жизни, восстанавливать или заменять стареющие органы на новые в рамках регенеративной медицины, вести беременность вне стенок утробы матери, дистанционно консультировать, обследовать, оперировать пациентов и наблюдать за состоянием их здоровья в режиме онлайн и многое другое, что сложно было прогнозировать буквально ещё несколько десятилетий назад.

Нужно сказать, что одной из отраслей, которая гармонично влилась в отмеченный выше поток технологической революции, является фармацевтика. К препаратам, в производстве которых применяется биотехнология, относятся, в частности:

— природные / полусинтетические антибиотики, способные подавлять рост живых клеток, а именно: ингибиторы биосинтеза клеточной клетки (пенициллины, цефалоспорины, цефамицины и т.п.), ингибиторы синтеза РНК на уровне РНК-полимеразы и метаболизма фолиевой кислоты (рифампицины), ингибиторы синтеза РНК на уровне ДНК-матрицы (актиномицины), ингибиторы синтеза ДНК на уровне ДНК-матрицы (антрациклины, нитрофураны, митомицин С, налидиксовая кислота), нарушители молекулярной организации и функций клеточных мембран (полиены, полимиксины), подавители синтеза белка на уровне рибосом (фузидин, макролиды, левомицетин, тетрациклины);

— стероидные гормоны (характеризуются противовоспалительными, противораковыми, анаболическими, контрацептивными свойствами), соматостатин (один из гормонов гипоталамуса), инсулин (гормон пептидной природы), соматотропин (разновидность гормона передней доли гипофиза) и иные гормоны;

— моно- и комплексные лекарства на основе аминокислот, в том числе: глицин (оказывает ноотропный и седативный эффекты), глутамин (участвует в формировании высших психических функций), метионин (выполняет в биохимических реакциях роль донора метильной группы), раверон (нормализует обмен веществ в предстательной железе), румалон (коррелирует метаболизм костно-хрящевой ткани), тимоген (обладает иммуностимулирующими свойствами), церебролизин (регулирует регенерационные процессы головного мозга), цистеин (борется с помутнением глазного хрусталика), эмбриобласт (усиливает процессы метаболизма) и др.;

— водорастворимые (B1, B2, B3, B5, B6, B12, C) и жирорастворимые (A, D, E, K) витамины, имеющие высокую биологическую ценность и служащие активным биокатализатором метаболических процессов в организме;

— оптимизирующие микробиологический статус пробиотики, включающие в себя бифидо- и молочнокислые бактерии, лактобациллы, некоторые штаммы энтерококков;

— ферменты (энзимы), участвующие в биохимических реакциях внутри и вне живых организмов, которые, в зависимости от типа катализируемых реакций, подразделяются на следующие базовые классы: оксидоредуктазы (катализаторы окислительно-восстановительных реакций), трансферазы (катализаторы переноса химических групп с одной молекулы на другую), гидролазы (катализаторы гидролиза химических связей), лиазы (катализаторы реакций соединения или расщепления молекул), изомеразы (катализаторы разного рода изменений в пределах одной молекулы), лигазы (катализаторы образования связей в реакции конденсации двух различных соединений с помощью энергии АТФ — аденозинтрифосфата);

— вакцины (в частности, получаемые за счёт технологии рекомбинантных ДНК), усиливающие защитные функции иммунной системы к деструктивным микроорганизмам и патогенным вирусам;

— рекомбинантный и лейкоцитарный интерферон для лечения вирусных гепатитов и т. д.

Говоря о медицинской биотехнологии, нельзя не отметить её исключительный вклад в борьбу со старением, что стало возможным благодаря открытиям в молекулярной биологии, разгадке структуры ДНК, расшифровке генома человека и иным успехам в этой области. Представляется, что дальнейшее развитие генетической инженерии, являющейся одной из наиболее могущественных прикладных биотехнологических инструментов, даст мощный импульс таким передовым ответвлениям, как генодиагностика и генотерапия. Они принципиально улучшат качество медицинского обслуживания населения и позволят уже на эмбриональной стадии точно выявлять и в щадящем для всего организма режиме устранять зачатки тех или иных заболеваний (генетических, онкологических, инфекционных).

В контексте рассматриваемой проблематики особо нужно выделить зарождающуюся ныне нанобиотехнологию, которая, гармонично вобрав в себя прогрессивные методы биотехнологии и нанотехнологии, делает реальным, к примеру, адресную доставку лекарственных средств в нанокапсулах, проведение хирургических операций с помощью высокоточных наноинструментов, изготовление биореакторов для выращивания стволовых клеток (способных обновлять или замещать повреждённые или утраченные клеточные структуры), создание биосенсоров и зондовых микроскопов, фильтрацию жидкостей организма от вредных веществ с помощью мембран с нанопорами, производство антибактериальных перевязочных материалов с пропиткой из мгновенно останавливающей кровотечение жидкости.

Вместе с тем, несмотря на показанные выше очевидно созидательные составляющие частной медицинской биотехнологии, имеется и ряд дискуссионных вопросов, особенно связанных с такими проблемами, как недостаточная изученность последствий от генетического манипулирования, сложность с определением пределов допустимого антропогенного вмешательства в биологические процессы, а также морально-этическая неоднозначность генно-инженерной деятельности в плоскости человеческого достоинства.

Как видится, если мировому сообществу удастся ответственно и успешно подойти к выработке инструментария по устранению вышеобозначенных и других актуальных «болевых точек» биотехнологии в медицине, интегрировать биотехнологический аспект в процессы транснационального взаимодействия с целью его международной регламентации и политического контроля, то, в таком случае, есть все предпосылки, чтобы на основе безопасного использования подобных технологий, сделать, возможно, самый главный в истории развития человеческой популяции самостоятельный шаг на пути масштабной эволюции цивилизации.

Источник

Почему считают что в медицине биотехнологии добились наибольших успехов

Подробное решение параграф § 68 по биологии для учащихся 10 класса, авторов Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. 2014

1. Что такое биотехнология?

Ответ. Биотехноло́гия — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии.

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 животных путём искусственного отбора и гибридизации. С помощью современных методов традиционные биотехнологические производства получили возможность улучшить качество пищевых продуктов и увеличить продуктивность живых организмов.

До 1971 года термин «биотехнология» использовался, большей частью, в пищевой промышленности и сельском хозяйстве. С 1970 года учёные используют термин в применении к лабораторным методам, таким, как использование рекомбинантной ДНК и культур клеток, выращиваемых in vitro.

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

2. Какие биотехнологические процессы и производства вам известны?

• традиционную биотехнологию, основанную на реализации процессов брожения;

• современную биотехнологию, реализованную в процессах микробиологического синтеза, генетической и клеточной инженерии, инженерной энзимологии (белковой инженерии).

К достоинствам биологических процессов относится то, что они используют возобновляемое сырье (биомасса), протекают в мягких условиях (при комнатной температуре, нормальном давлении), с меньшим числом технологических стадий (этапов), их отходы доступны последующей переработке. Особенно выгодно применение биотехнологических процессов (экономически и технологически) в случае производства относительно дорогих, но малотоннажных продуктов.

Брожение (ферментация) – процесс расщепления органических веществ, преимущественно углеводов, на более простые соединения под влиянием микроорганизмов или выделенных из них ферментов. Этот процесс может осуществляться как с участием кислорода (аэробный процесс), так и без участия кислорода (анаэробный процесс).

Известны различные типы брожения. Они классифицируются или по субстратам, которые подвергаются разложению (например, пектиновое брожение клетчатки и др.), или, чаще, по конечным продуктам: спиртовое, молочнокислое, пропионово-кислое, метановое брожение и др., протекающие в основном анаэробно.

Как сказано выше, одним из основных субстратов многих типов брожения служат углеводы, многостадийно расщепляющиеся в анаэробных условиях под действием ферментов.

Спиртовое брожение осуществляется в основном с помощью дрожжей и бактерий и завершается образованием этилового спирта.

Этот вид брожения протекает в несколько стадий и используется для промышленного получения этанола (в основном из зерна ржи) – для алкогольных напитков, в виноделии, пивоварении и при подготовке теста в хлебопекарной промышленности.

В присутствии кислорода спиртовое брожение замедляется или вовсе прекращается. Видоизмененным типом спиртового брожения является глицериновое брожение.

Молочнокислое брожение вызывается молочнокислыми бактериями. Молочнокислое брожение имеет большое значение при получении различных молочных продуктов (кефир, простокваша и др.), квашении овощей (например, капусты), силосовании кормов для животных (в сельском хозяйстве).

Пропионово-кислое брожение протекает под действием пропионово-кислых бактерий. Оно используется в молочной промышленности для изготовления многих твердых сыров.

Масляно-кислое брожение приводит к порче пищевых продуктов, вспучиванию сыра и банок с консервами. Раньше оно использовалось для получения масляной кислоты, бутилового спирта и ацетона.

Под действием некоторых аэробных микроорганизмов протекает брожение, при котором углеродный скелет исходного вещества (субстрата) не подвергается изменениям. К одному из таких видов брожения относится образование уксусной кислоты из этанола (уксуснокислое брожение) под действием т.н. уксуснокислых бактерий.

Возможности микробиологической промышленности широко используются в медицине. Одним из мощных современных средств борьбы с инфекциями являются вакцины, производимые путем микробиологического синтеза.

В последнее время в мировой сельскохозяйственной практике все большее внимание уделяется биологическому методу защиты возделываемых культур от вредителей и болезней. Создаются новые бактериальные удобрения и безвредные для окружающей среды средства борьбы с насекомыми-вредителями.

Дальнейшее развитие промышленной микробиологии будет способствовать повышению эффективности общественного производства, и резервы у промышленной микробиологии есть: из 100000 видов микроорганизмов, которые известны человечеству, используется в настоящее время не более ста.

Основные задачи, решаемые промышленной микробиологией:

• обеспечение населения наиболее ценными продуктами питания;

• избавление человечества от опасных заболеваний;

• охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов;

• интенсификация производственных процессов в промышленности и сельском хозяйстве;

• разработка новых источников энергии.

3. Где могут быть использованы методы клеточной и генной инженерии?

Прикладное использование генетической инженерии привело к возникновению так называемой индустрии ДНК, к примеру, производство физиологических активных веществ белковой природы для медицинских и сельскохозяйственных нужд.

Весьма перспективен синтез генно-инженерными методами специальных микроорганизмов, производящих в больших количествах такие важные вещества, как аминокислоты, ферменты, витамины, стимуляторы иммунитета. Методы генетической инженерии могут быть использованы при решении задач биологической фиксации азота, повышения эффективности биологических методов защиты растений, создания новых сортов растений и пород животных. С помощью методов генетической инженерии вполне можно исправлять наследственные заболевания у человека, создавать стимуляторы регенерации тканей, которые можно использовать при лечении ран, ожогов, переломов.

Клеточная инженерия. Благодаря методам клеточной инженерии, появилось возможность производить ценные продукты в искусственных условиях (вне организма).

Используя клеточную инженерию, ученым удается конструировать новые высокоурожайные и устойчивые к болезням, неблагоприятным условиям среды ценные для народного хозяйства растения. Выведены гибридные сорта картофеля, винограда, сахарной свеклы, томатов. Используя данную технологию, можно получать даже межвидовые гибриды: яблони с вишней, картофеля с томатом и т.д.

Энзимы (ферменты) являются универсальными белками-катализаторами, с помощью которых осуществляются все процессы в живой клетке. Они проявляют исключительно высокую каталитическую активность, значительно превосходящую активность катализаторов небиологического происхождения.

Ферменты наиболее широко используются при производстве сахара для диабетиков, некоторых гормональных препаратов, используемых в медицине.

Вопросы после § 68

1. Чем объясняется бурное развитие биотехнологии?

Ответ. Успехи, достигнутые во второй половине XX в. в области цитологии, биохимии, молекулярной биологии и генетики, создали предпосылки для управления элементарными механизмами жизнедеятельности клетки, что способствовало бурному развитию биотехнологии. Благодаря селекции высокопродуктивных штаммов микроорганизмов, эффективность биотехнологических процессов увеличилась в десятки и сотни раз.

Особенностью биотехнологии является то, что она сочетает в себе самые передовые достижения научно-технического прогресса с накопленным опытом прошлого, выражающимся в использовании природных источников для создания полезных для человека продуктов. Любой биотехнологический процесс включает ряд этапов: подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование полученных продуктов. Многоэтапность и сложность процесса обусловливает необходимость привлечения к его осуществлению самых разных специалистов: генетиков и молекулярных биологов, цитологов, биохимиков, вирусологов, микробиологов и физиологов, инженеров-технологов, конструкторов биотехнологического оборудования и др.

2. Каков вклад биотехнологии в повышение эффективности растениеводства и животноводства?

Ответ. Дальнейшее развитие биотехнологии как отрасли сельскохозяйственного производства позволит решить многие важные проблемы человечества.

Острейшей проблемой в целом ряде слаборазвитых стран, стоящей перед человечеством, является нехватка продовольствия. В связи с этим усилия биотехнологов направлены на повышение эффективности растениеводства и животноводства.

Культурные растения страдают от сорняков, насекомых-вредителей, фитопатогенных грибов, бактерий, вирусов и т. д. Перечисленные вредные факторы наряду с неблагоприятными погодными условиями значительно снижают урожайность сельскохозяйственных растений. Ученые не только создают высокоурожайные сорта растений, устойчивые к неблагоприятным факторам, но и разрабатывают биотехнологические пути защиты растений. На промышленную основу поставлен выпуск биологических средств борьбы с вредителями на основе использования их естественных врагов и паразитов, а также токсических продуктов, образуемых живыми организмами.

Важное место в повышении урожайности растений отводится биологическим удобрениям, включающим в себя различные бактерии. Так, азотобактерин обогащает почву не только азотом, но и витаминами, фитогормонами и биорегуляторами. Препарат фосфобактерин превращает сложные органические соединения фосфора в простые, легко усвояемые растениями.

Все большее распространение получает использование биогумуса – высокоэффективного естественного органического удобрения. Его получают в процессе переработки органических отходов дождевыми червями. В настоящее время для этой цели используется выведенный селекционерами США красный калифорнийский червь, который обеспечивает быстрый прирост биомассы и скорейшую утилизацию субстрата. Как показали исследования, биогумус значительно эффективнее других удобрений, существенно повышает плодородие почвы и ее устойчивость к водной и ветровой эрозии, быстро восстанавливает плодородие низкоплодородных участков, улучшает экологическую обстановку. Промышленное получение биогумуса освоено во многих странах. В нашей стране промышленным разведением червей на основе использования органических отходов для производства биогумуса занимаются с 80-х годов XX столетия.

В последние годы повышается интерес к дождевым червям как к источнику животного белка для сбалансирования кормовых рационов животных, птиц, рыб, пушных зверей, а также белковой добавки, обладающей лечебно-профилактическими свойствами.

Все шире на промышленной основе применяется метод вегетативного размножения сельскохозяйственных растений культурой тканей. Он позволяет не только быстро размножить новые перспективные сорта растений, но и получить незараженный вирусами посадочный материал.

Для повышения продуктивности животных нужен полноценный корм. Микробиологическая промышленность выпускает кормовой белок на базе различных микроорганизмов – бактерий, грибов, дрожжей, водорослей. Как показали промышленные испытания, богатая белками биомасса одноклеточных организмов с высокой эффективностью усваивается сельскохозяйственными животными. Так, 1 т кормовых дрожжей позволяет сэкономить 5–7 т зерна. Это имеет большое значение, поскольку 80 % площадей сельскохозяйственных угодий в мире отводятся для производства корма скоту и птице.

3. Почему считают, что в медицине биотехнологи добились наибольших успехов?

Ответ. В настоящее время с помощью биосинтеза получают антибиотики, ферменты, аминокислоты, гормоны.

Например, гормоны раньше, как правило, получали из органов и тканей животных. Даже для получения небольшого количества лечебного препарата требовалось много исходного материала. Следовательно, трудно было получить необходимое количество препарата, и он был очень дорог.

Так, инсулин, гормон поджелудочной железы, – основное средство лечения при сахарном диабете. Этот гормон надо вводить больным постоянно. Производство его из поджелудочной железы свиньи или крупного рогатого скота сложно и дорого. К тому же молекулы инсулина животных отличаются от молекул инсулина человека, что нередко вызывало аллергические реакции, особенно у детей. В настоящее время налажено биохимическое производство человеческого инсулина. Был получен ген, осуществляющий синтез инсулина. С помощью генной инженерии этот ген был введен в бактериальную клетку, которая в результате приобрела способность синтезировать инсулин человека.

Помимо получения лечебных средств, биотехнология позволяет проводить раннюю диагностику инфекционных заболеваний и злокачественных новообразований на основе применения препаратов антигенов, ДНК/РНК-проб.

С помощью новых вакцинных препаратов возможно предупреждение инфекционных болезней.

4. Почему многие ученые и общественные деятели высказывают опасения в связи с развитием биотехнологических исследований и производств?

Ответ. Работы по созданию трансгенных растений с повышенной устойчивостью к химическим гербицидам вызывают обоснованные опасения. Во-первых, эти растения сами могут стать трудноискоренимыми сорняками или предать ген устойчивости другим сорнякам. Во-вторых, их применение позволит еще увеличить потребление и сбыт гербицидов, недаром этим занимается ряд химических фирм, пытающихся использовать достижения биотехнологии в своих целях. Это повысит эффективность сельского хозяйства, сократит затраты труда, но при таком подходе возрастает риск для человека и окружающей среды, в том числе, для биологического разнообразия.

Кроме того, при широком распространении генетически измененных организмов не исключено их случайное скрещивание с продуктами традиционной селекции, что способно вызвать к жизни новые биологические виды с непредсказуемыми свойствами. Словом, вопросов возникает немало, и общество вместе с учеными должно достичь по ним консенсуса. Будущее биотехнологии зависит от того, где в итоге пройдет граница дозволенного.

►Обсудите проблемы создания трансгенных организмов и клонирования человека. Какие перспективы открывают эти исследования? К каким негативным последствиям могут привести неконтролируемые исследования в этой области?

Ответ. Уже сейчас молекулярная генетика открывает широкие перспективы для генной инженерии. Одно из таких перспективных направлений — создание трансгенных растений, животных, микроорганизмов, т.е. таких организмов, в собственный генетический материал которых «встроены» чужеродные гены.

На этом пути получены замечательные результаты. Так, за последние 15 лет прошли полевые испытания около 25 000 различных трансгенных растительных культур, одни из которых устойчивы к вирусам, другие — к гербицидам, третьи — к инсектицидам. Площадь посевов трансгенных гербицидоустойчивых сои, хлопка, кукурузы занимают 28 млн га во всем мире. Стоимость урожая трансгенного зерна 2000 г. оценен в 3 млрд долл. Развита и индустрия трансгенных животных. Они широко используются для научных целей как источник органов для трансплантации, как производители терапевтических белков, для тестирования вакцин и др. Например, в Германии трансгенный бык (по кличке Герман) содержит в своем геноме человеческий ген лактоферина, кодирующий синтез особого белка женского молока, от которого младенцы сладко спят.

Составной частью проектов создания трансгенных организмов являются исследования и разработки в области генной терапии — лечебные процедуры, такие, как введение нужных трансгенов в клетки больного организма, замена больных генов здоровыми, адресная доставка лекарств в пораженные клетки. Трансгены, попадая в клетку, компенсируют ее генетические дефекты, ослабляя или усиливая синтез того или иного белка.

В дальнейшем трансгенные технологии предполагается использовать для решения широкого круга проблем. Так, для решения ряда экологических проблем разрабатывается программа конструирования трансгенных микробов, которые могут: активно поглощать СО2 из атмосферы, а следовательно, снижать парниковый эффект; активно поглощать воду из атмосферы, значит превращать пустыни в плодородные земли; конструировать трансгенные микроорганизмы, повышающие плодородие почв, утилизирующие загрязнители, конвертирующие отходы, ослабляющие проблему дефицита сырья (трансгенные микробы, синтезирующие каучук) и т.п.

Для повышения эффективности сельского хозяйства предполагается создавать трансгенные растения с повышенной пищевой и кормовой ценностью, трансгенные деревья для производства бумаги, для наращивания древесины, трансгенных животных с повышенной продуктивностью биомассы и молока, трансгенные виды ценных пород рыб, в частности лососевых; и др.

Повышение эффективности здравоохранения с помощью трансгенных технологий предполагает, в частности, решение проблем контроля над наследственными заболеваниями (трансгенные вирусы для генной терапии, трансгенные микробы как живые вакцины и др.). Обсуждаются проблемы клонирования животных (и людей) и даже создания новых форм живого (для нового генетического кода синтезируются новые нуклеотиды и новые аминокислоты), способных осваивать другие планеты (обсуждается проект создания микробов для Марса, способных выделять углекислый газ, что приведет к потеплению марсианского климата).

В лабораторных условиях проведена значительная работа по конструированию трансгенных микробов с самыми разнообразными свойствами. Вместе с тем применение в открытой среде трансгенных микробов пока запрещено правовыми документами из-за неясности последствий, к которым может привести такой в принципе неконтролируемый процесс [1]. К тому же сам мир микроорганизмов изучен крайне слабо: наука знает в лучшем случае около 10% микроорганизмов, а об остальных практически ничего не известно; недостаточно исследованы закономерности взаимодействия микробов между собой, а также микробов и других биологических организмов. Эти и другие обстоятельства обусловливают критическое отношение не только к трансгенным микроорганизмам, но и вообще к трансгенным биоорганизмам, волну протестов против трансгенных биотехнологий — люди не хотят жить в генетически модифицированном мире.

Острейшая дискуссия длится около 25 лет. Высказываются — и вполне обоснованно — опасения, что, если трансгенные микробы и трансгенные растения и животные, не участвовавшие в эволюции наряду с «естественными» организмами, будут свободно выпущены в биосферу, это приведет к таким негативным последствиям, о которых ученые и не подозревают. Уже сейчас можно говорить о неизбежном переносе генов и трансгенных организмов в «обыкновенные», что может поменять генетическую программу животных и человека; об активизации дремлющих патогенных микробов и возникновении эпидемий ранее неизвестных заболеваний растений, животных и человека; о вытеснении природных организмов из их экологических ниш и новом витке экологической катастрофы; о появлении все уничтожающих на своем пути монстров; и т.д. На основе этого делается вывод о необходимости запрета не только генных биотехнологий, но и научных исследований в данной области.

Сторонники дальнейшего развития генной инженерии выдвигают свои аргументы. Они утверждают, что генная инженерия, по сути, занимается тем же (т.е. создает варианты генов), чем миллиарды лет занимается сама природа, создавая и отбирая в ходе эволюции генотипы биологических организмов; перенос генов между различными организмами также существует в природе (особенно между микробами и вирусами), поэтому появление трансгенных организмов в биосфере ничего нового не добавляет. В связи с этим они категорически возражают и против запрета исследований в области молекулярной генетики, и против запрета биотехнологий. Правда, наиболее осторожные из них допускают возможность ограничения или запрета отдельных исследований и технологических разработок по морально-этическим соображениям (например, клонирование человека) или в силу непредсказуемости последствий (исследования трансгенных микробов могут осуществляться лишь в лабораторных условиях, в открытую природу их выпускать рано).

Однако опасения результатов трансгенных технологий являются неопределенными, а выгода, измеряемая многими миллиардами долларов, конкретна и очевидна, и в ряде стран усиливаются настроения, нацеленные на разрешение (при наличии научно-технической экспертизы) полевых исследований трансгенных микроорганизмов. Это говорит о необходимости правового регулирования отношений в области новых генно-инженерных биотехнологий.

Большинство ученых сходятся на том, что попытки создать клон человека опасны и сомнительны с моральной точки зрения. Многие клоны животных появлялись на свет с теми или иными отклонениями. Здоровыми они рождались редко. Исследователи университета Питтсбургской школы медицины попытались клонировать макаку-резус с помощью технологии, использовавшейся при создании клона знаменитой овцы Долли. После сотен попыток им так ни разу не удалось добиться беременности у носителя клона. Другим группам ученым также не удалось клонировать обезьян. Судя по всему, у приматов при делении клонированных клеток ДНК не передается новым клеткам должным образом. Некоторые клетки в итоге получают либо слишком много, либо слишком мало ДНК, и оказываются нежизнеспособными. Ученые полагают, что попытки клонировать других приматов, в том числе и человека, похоже, обречены на провал. Клонированию успешно подвергаются некоторые животные, например мыши и овцы, однако появляются все более явные признаки того, что не все виды можно воспроизвести искусственным путем. Стоит рассмотреть и влияние новых открытий генетики на общественное мнение в целом. Весьма интересна точка зрения, которой придерживается Аксель Кан, директор Лаборатории исследований в области генетики и молекулярной патологии при Парижском институте молекулярной генетики. В своей статье, посвященной возможности клонирования человека, он в первую очередь рассматривает социальные последствия экспериментов в этой области. Он считает, что если раньше было возможным лечение наследственных болезней путем замены генов, то новые технологии, применяемые для клонирования, открывают куда более широкие перспективы. Кан отмечает, что в современном обществе все больше людей хочет иметь гарантию того, что все их наследственные признаки в точности будут переданы следующему поколению. Возможно, что это связано со все большей глобализацией культуры и потерей отдельными странами и культурами своей самобытности. Между тем проблема, связанная с неспособностью иметь детей вследствие заболеваний, определенного стиля жизни или иных причин, в развитых обществах приобретает все большее значение. Именно поэтому технология искусственного оплодотворения ICSI (intracytoplasmic sperm injection), позволяющая парам, не способным к воспроизводству, иметь детей, получила в обществе широкую поддержку. Что же касается технологий, применяемых при клонировании, то они дают возможность обходиться генофондом только одного из родителей, что делает вполне реальным рождение детей даже в гомосексуальных браках. Из этого следует, что при определенных условиях общественное мнение может склониться в пользу разрешения клонирования человека. На сегодняшний день, в соответствии с опросом общественного мнения, проведенным телекомпанией ABC (ЭйБиСи), 53 процента американцев поддерживают идею продолжения экспериментов по клонированию животных, при этом 90 процентов категорически отвергают возможность клонирования человека.Как будут развиваться события дальше, какие еще сюрпризы преподнесет нам генетика, сказать сложно, но то, что эта наука может сильно повлиять на ход мировой истории, не вызывает сомнений.

Источник