Биотехнология: генная, клеточная и эмбриональная инженерия Биотехнологическими приемами, еще 6000 лет тому назад пользовались народы Двуречья изготовляя пьянящий напиток, т.е. пиво тех времен. Умели варить пиво и древние египтяне используя дрожжи, сахар и брожение. Римляне и греки, используя виноградный сок, получали вино. На основании выше сказанного на вопрос, что такое биотехнология, можно сказать, что это наука об использовании живых организмов и биологических процессов в производстве.
Все основные технологии можно разделить на три основных класса.
Физико-механические технологии – исходный материал (сырье) в процессе получения продукта меняет форму или агрегатное состояние, но не изменяет своего химического состава. Примерами могут служить изготовление досок из бревен или отливка металлических изделий.
Химические технологии – в процессе получения продукта сырье претерпевает изменения химического состава. Примеры: производство из природного газа спирта, полиэтилена, синтетического каучука, производство из природного газа и воздуха удобрения аммиачной селитры, получение красителей и многих лекарств из простых химических соединений (кислоты, щелочи, бензола и др.).
Биотехнологии в отличие от физико-механических и химических технологий предполагают использование живых организмов или их компонентов.
По определению Европейской Биотехнологической Федерации (ЕБФ) биотехнология является такой интеграцией естественных и инженерных наук, при помощи которой использование клеток, клеточных структур и отдельных биомолекул дает возможность получения качественно улучшенных и дешевых продуктов медицинского и промышленного назначения или проведения других полезных манипуляций.
Современная биотехнология родилась на стыке нескольких наук. Она опирается на теоретические и методические положения микробиологии, биохимии, генетики, молекулярной биологии, а также использует достижения органической, неорганической и аналитической химии, процессы и аппараты химической и пищевой промышленности.
Историю возникновения и развития биотехнологии можно разделить на три этапа.
Первый этап – зарождение биотехнологии. Многие сотни лет человек, не имея научных представлений о микробиологии, биохимии и других науках, разработал и практически успешно использовал методы биотехнологии в хлебопечении, сыроделии, виноделии, изготовлении кисломолочных продуктов, т.е. древнейших отраслях хозяйственной деятельности.
Второй этап (XIX в.) – становление биотехнологии как науки. Начало бурного развития биотехнологических наук: генетики, микробиологии, биохимии, вирусологии, физиологии, эмбриологии и др.
Третий этап (середина 70-х годов XX в.) до настоящего времени – развитие биотехнологии в различных направлениях с помощью методов генной и клеточной инженерии.
Первыми биотехнологическими приемами в животноводстве стали искусственное осеменение животных и силосование кормов.
Эмбриональная инженерия. История трансплантации эмбрионов крупного рогатого скота начинается с 1950 г., когда О. Уиллем (США) пересадил оплодотворенную яйцеклетку от одной телки другой и получил живого теленка. Из европейских государств, которые стали использовать трансплантацию эмбрионов как метод, ускоряющий селекционный процесс и повышающий его эффективность, необходимо отметить Францию, Великобританию, Данию, Германию, Италию, Бельгию, Словакию.
Клеточная инженерия как метод конструирования клеток нового типа на основе их культивирования, гибридизации и реконструкции, в том числе с использованием индивидуального переноса хромосом. Генная инжене́рия – как совокупность приемов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения и переноса генов путем трансгенеза. Генетическая инженерия – в качестве инструмента биотехнологии, использующего методы таких биологических наук, как молекулярная и клеточная биология, цитология, генетика и др. Применяется как для целенаправленного изменения желаемых качеств, так и создания генетически модифицированных организмов. В отличие от традиционной селекции, в ходе которой генотип подвергается изменениям лишь косвенно, генная инженерия позволяет напрямую вмешиваться в генетический аппарат с помощью техники молекулярного клонирования. Клеточная инженерия (инженерия половых и соматических клеток) успешно применяется при трансплантации эмбрионов. Основные направления трансплантации эмбрионов в области животноводства следующие: - повышение эффективности и ускорение селекционного процесса; - повышение коэффициента размножаемости самок; -сохранение ценных, малых популяций генофонда исчезающих пород и др.
Примеры использования методов клеточной и генной инженерии в различных отраслях экономики, обсудить возникающие при этом этические проблемы. Современный этап развития биотехнологии связан с открытием новых закономерностей в процессах жизнедеятельности организмов на молекулярном уровне.
Современная генная инженерия пользуется комплексом разнообразных методов и технологий на уровне молекул, клеточных элементов (хромосом, ядра), соматических и половых клеток, на организме, находящемся на разных стадиях онтогенеза.
В основном, комплекс методов осуществляется в искусственных условиях (in vitro) иногда в природных (in vivo).
В условиях in vitro гены выделяют из природного вещества, содержащего ДНК, получают химическим синтезом, ферментативным или комплексным методом.
Толчком для дальнейшего развития генной инженерии стали работы по применению метода распознавания последовательности нуклеотидов во фрагментах нуклеиновых кислот.
Искусственный перенос гена проводят с использованием так называемого вектора, когда генетический материал из одной структуры переносят в генетическую структуру организма другого вида. Например, ген млекопитающего пересаживают в геном бактерии, где донорская молекула ДНК должна давать выход массы донорского гена. Такими векторами служат рекомбинантные молекулы ДНК-плазмид, которые сочетают в себе гены разных плазмид или несут гены, выделенные из хромосом разных видов. Выделенный или синтезированный ген, предназначенный для изменения наследственности каких-то клеток, должен быть доставлен и внедрен в эти клетки. Для создания рекомбинантных плазмид требуются многие ферменты типа рестриктаз, липаз, нуклеаз, ДНК – полимераз и др. С помощью рекомбинантных плазмид можно проводить множественное копирование молекул ДНК, необходимых для синтеза разнообразных белков. Этим путем были синтезированы гормоны роста человека и животных, гены инсулина человека, глобины кроликов и др. На основе генной инженерии создается генотерапия, позволяющая исправлять наследственные дефекты путем введения в организм полноценных генов. Этим путем получены мыши-гиганты. В их геном «встроили» ген гормона роста.
Развитие биотехнологии привело к созданию промышленного производства по получению различных биопрепаратов для использования их в медицине, ветеринарии, пищевой промышленности.
С каждым годом увеличивается число технологий, методов и препаратов, предназначенных повысить продуктивность животных и качество продукции. В мире насчитывают более 450 биотехнологических компаний, производящих препараты для поддержания здоровья животных и повышения их продуктивности.
Вопросы для контроля:
1. Дайте современное определение терминам «Биотехнология», «Клеточная инженерия», «Генная инженерия» и «Эмбриональная инженерия».
2. Опишите основные цели и задачи 4-х вышеназванных наук в ХХI в.
3. Охарактеризуйте историю развития биотехнологии.
4. Приведите примеры использования методов клеточной инженерии в современном мире
5. Приведите примеры использования методов эмбриональной инженерии в современном мире
6. Приведите примеры использования методов генной инженерии в современном мире
7. Охарактеризуйте несколько известных современных биотехнологических компаний мира
