Генная инженерия и биотехнология

Человек использовал биотехнологию  многие тысячи лет: люди пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, используя  различные микроорганизмы, при этом, даже не подозревая об их существовании. Вероятно, древнейшим биотехнологическим процессом было сбраживание с  помощью микроорганизмов. В пользу этого свидетельствует описание процесса приготовления пива, обнаруженное в 1981г. при раскопках Вавилона на дощечке, которая датируется примерно 6-м тысячелетием до н. э.

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 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, но, несмотря на столь короткий срок своего существования, биотехнология привлекла пристальное  внимание, как ученых, так и широкой  общественности.

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 создания и использования генетически  трансформированных биологических  объектов для улучшения производства или получения новых видов  продуктов различного назначения.

Основные направления  биотехнологии

Условно можно выделить следующие основные направления  биотехнологии:

1) биотехнология пищевых продуктов;

2) биотехнология препаратов для сельского хозяйства;

3) биотехнология препаратов и продуктов для промышленного и бытового использования;

4) биотехнология лекарственных препаратов;

5) биотехнология средств диагностики и реактивов.

Практические достижения биотехнологии

С помощью биотехнологии  получено множество продуктов для  здравоохранения, сельского хозяйства, продовольственной и химической промышленности. Причем важно то, что  многие из них не могли быть получены без применения биотехнологических способов.

Особенно большие надежды  связываются с попытками использования  микроорганизмов и культур клеток для уменьшения загрязнения среды  и производства энергии.

В молекулярной биологии использование  биотехнологических методов позволяет  определить структуру генома, понять механизм экспрессии генов, смоделировать  клеточные мембраны с целью изучения их функций и т.д. Конструирование  нужных генов методами генной и клеточной  инженерии позволяет управлять  наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов  и создавать организмы с новыми полезными для человека свойствами, ранее не наблюдавшимися в природе.

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. В  ветеринарии широко используются такие  биотехнологические методы, как культура клеток и зародышей, развитие яйцеклетки вне организма, 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.

Биологизация и экологизация

В настоящее время все  больше приобретают популярность идеи экологизации и в более широком  смысле биологизации всей хозяйственной  и производственной деятельности. Под экологизацией, как начальным этапом биологизации, можно понимать сокращение вредных выбросов производства в окружающую среду, создание малоотходных и безотходных промышленных комплексов с замкнутым циклом и т. п. Биологизацию же следует понимать более широко, как радикальное преобразование производственной деятельности на основе биологических законов биотического круговорота биосферы. Целью подобного преобразования должно быть встраивание всей хозяйственно-производственной деятельности в биотический круговорот. Особенно наглядно эта необходимость видна на феномене стратегической беспомощности химической защиты растений: дело в том, что в настоящее время нет в мире ни одного пестицида, к которому бы не приспособились вредители растений.

Более того, теперь отчетливо  выявилась закономерность подобного  приспособления: если в 1917г. появился один вид насекомых, приспособившихся к  ДДТ, то в 1980г. таких видов стало  более 400.

Применяемые пестициды  и гербициды крайне вредны не только для всего животного мира, но и  для человека.

Точно так же в настоящее  время становится понятной и стратегическая бесперспективность применения химических удобрений. В этих условиях совершенно естественен переход к биологической защите растений и биоорганической технологии с минимумом химических удобрений.

Перспективы развития биотехнологии

Центральная проблема биотехнологии - интенсификация биопроцессов как  за счет повышения потенциала биологических  агентов и их систем, так и за счет усовершенствования оборудования, применения биокатализаторов (иммобилизованных ферментов и клеток) в промышленности, аналитической химии, медицине.

В основе промышленного  использования достижений биологии лежит техника создания рекомбинантных молекул ДНК. Конструирование нужных генов позволяет управлять наследственностью  и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать  организмы с новыми свойствами. В  частности, возможно управление процессом  фиксации атмосферного азота и перенос  соответствующих генов из клеток микроорганизмов в геном растительной клетки.

В качестве источников сырья  для биотехнологии все большее  значение будут приобретать воспроизводимые ресурсы непищевых растительных материалов, отходов сельского хозяйства, которые служат дополнительным источником как кормовых веществ, так и вторичного топлива (биогаза) и органических удобрений.

Не менее важным аспектом современной микробиологической технологии является изучения участия микроорганизмов  в биосферных процессах и направленная регуляция их жизнедеятельности  с целью решения проблемы охраны окружающей среды от техногенных, сельскохозяйственных и бытовых загрязнений. С этой проблемой тесно связаны исследования по выявлению роли микроорганизмов  в плодородии почв (гумусообразовании  и пополнении запасов биологического азота), борьбе с вредителями и  болезнями сельскохозяйственных культур, утилизации пестицидов и других химических соединений в почве. Имеющиеся в  этой области знания свидетельствуют  о том, что изменение стратегии  хозяйственной деятельности человека от химизации к биологизации земледелия оправдывается как с экономической, так и с экологической точек  зрения.

В данном направлении перед  биотехнологией также может быть поставлена цель регенерации ландшафтов.

Ведутся работы по созданию биополимеров, которые будут способны заменить современные пластмассы. Эти  биополимеры имеют существенное преимущество перед традиционными  материалами, так как нетоксичны и подвержены биодеградации, то есть легко разлагаются после их использования, не загрязняя окружающую среду.

Биотехнологии, основанные на достижениях микробиологии, наиболее экономически эффективны при комплексном  их применении и создании безотходных  производств, не нарушающих экологического равновесия. Их развитие позволит заменить многие огромные заводы химической промышленности экологически чистыми компактными  производствами.

Важным и перспективным  направлением биотехнологии является разработка способов получения экологически чистой энергии. Есть принципиально новые экспериментальные подходы в этом направлении. Одним из них является получение фотоводорода: «Если из хлоропластов выделить мембраны, содержащие фотосистему, то на свету происходит фотолиз воды - разложение ее на кислород и водород. Моделирование процессов фотосинтеза, происходящих в хлоропластах, позволило бы запасать энергию Солнца в ценном топливе - водороде».

Преимущества такого способа  получения энергии очевидны:

1) наличие избытка сырья (воды);

2) нелимитируемый источник энергии - Солнце;

3) продукт (водород) можно хранить, не загрязняя атмосферу;

4) водород имеет высокую теплотворную способность (29 ккал/г) по сравнению с углеводородами (3.5 ккал/г);

5) процесс идет при нормальной температуре без образования токсических промежуточных продуктов;

6) процесс циклический, так как при потреблении водорода регенерируется вода.