De opkomst van de biotechnologie, de belangrijkste verworvenheden. Bio-engineering

INVOERING

1.1. Algemene bepalingen

De wet van de Russische Federatie "On Veterinary Medicine" definieert de belangrijkste taken van de diergeneeskunde "op het gebied van wetenschappelijke kennis en praktijk gericht op het voorkomen van dierziekten en hun behandeling, het produceren van complete en veterinair veilige dierlijke producten en het beschermen van de bevolking tegen veelvoorkomende ziekten voor mens en dier".

De oplossing van een aantal van deze problemen wordt uitgevoerd door biotechnologische methoden.

Een vrij volledige definitie van biotechnologie wordt gegeven door de European Biotechnology Federation, opgericht in 1978. Volgens deze definitie biotechnologie is een wetenschap die, gebaseerd op de toepassing van kennis op het gebied van microbiologie, biochemie, genetica, genetische manipulatie, immunologie, chemische technologie, instrumentatie en werktuigbouwkunde, gebruik maakt van biologische objecten (micro-organismen, cellen van dierlijke en plantaardige weefsels) of moleculen ( nucleïnezuren, eiwitten, enzymen, koolhydraten, enz.) voor de industriële productie van stoffen en producten die nuttig zijn voor mens en dier.

Totdat de overkoepelende term 'biotechnologie' algemeen aanvaard werd, werden namen als toegepaste microbiologie, toegepaste biochemie, enzymtechnologie, bio-engineering, toegepaste genetica en toegepaste biologie gebruikt om te verwijzen naar de verschillende technologieën die het nauwst verwant zijn aan biologie.

Het gebruik van wetenschappelijke prestaties in de biotechnologie wordt uitgevoerd op het hoogste niveau van de moderne wetenschap. Alleen biotechnologie creëert de mogelijkheid om uit relatief goedkope, toegankelijke en hernieuwbare materialen een verscheidenheid aan stoffen en verbindingen te verkrijgen.

In tegenstelling tot natuurlijke stoffen en verbindingen, vergen kunstmatig gesynthetiseerde stoffen grote investeringen, worden ze slecht opgenomen door dierlijke en menselijke organismen en hebben ze hoge kosten.

Biotechnologie maakt gebruik van micro-organismen en virussen die tijdens hun levensactiviteit op natuurlijke wijze de stoffen produceren die we nodig hebben: vitamines, enzymen, aminozuren, organische zuren, alcoholen, antibiotica en andere biologisch actieve verbindingen.

De levende cel overtreft elke plant in zijn organisatiestructuur, samenhang van processen, nauwkeurigheid van resultaten, efficiëntie en rationaliteit.

Momenteel worden micro-organismen voornamelijk gebruikt in drie soorten biotechnologische processen:

Voor biomassaproductie;

Om stofwisselingsproducten te verkrijgen (bijvoorbeeld ethanol, antibiotica, organische zuren, enz.);

Voor de verwerking van organische en anorganische verbindingen van zowel natuurlijke als antropogene oorsprong.

De belangrijkste taak van het eerste type processen dat de biotechnologische productie tegenwoordig moet oplossen, is het elimineren van eiwittekorten in het voer van landbouwhuisdieren en vogels, omdat in eiwitten van plantaardige oorsprong is er een tekort aan aminozuren en vooral waardevolle, zogenaamde essentiële.

De hoofdrichting van de tweede groep biotechnologische processen is momenteel de productie van microbiële syntheseproducten met behulp van afvalproducten uit verschillende industrieën, waaronder voedsel-, olie- en houtverwerkende industrieën, enz.

Biotechnologische verwerking van verschillende chemische verbindingen is vooral gericht op het waarborgen van het ecologisch evenwicht in de natuur, het verwerken van afvalstoffen van menselijk handelen en het minimaliseren van de negatieve antropogene effecten op de natuur.

Op industriële schaal is biotechnologie een bedrijfstak waarin de volgende branches kunnen worden onderscheiden:

Productie van polymeren en grondstoffen voor de textielindustrie;

Het verkrijgen van methanol, ethanol, biogas, waterstof en hun gebruik in de energie- en chemische industrie;

Productie van eiwitten, aminozuren, vitamines, enzymen, enz. door grootschalige kweek van gist, algen, bacteriën;

Het verhogen van de productiviteit van landbouwgewassen en dieren;

Het verkrijgen van herbiciden en bio-insecticiden;

Wijdverbreide introductie van genetische manipulatiemethoden voor het verkrijgen van nieuwe dierenrassen, plantenrassen en het kweken van weefselcelculturen van plantaardige en dierlijke oorsprong;

Verwerking van industrieel en huishoudelijk afval, riolering, productie van compost met behulp van micro-organismen;

Benutting van schadelijke uitstoot van olie, chemicaliën die de bodem en het water vervuilen;

Productie van therapeutische en profylactische en diagnostische preparaten (vaccins, serums, antigenen, allergenen, interferonen, antibiotica, enz.).

Bijna alle biotechnologische processen hangen nauw samen met de vitale activiteit van verschillende groepen micro-organismen - bacteriën, virussen, gisten, microscopische schimmels, enz., en hebben een aantal karakteristieke kenmerken:

1. Het proces van microbiële synthese maakt in de regel deel uit van een productie in meerdere fasen en het doelproduct van de biosynthesefase is vaak niet commercieel en is onderhevig aan verdere verwerking.

2. Bij het kweken van micro-organismen is het gewoonlijk noodzakelijk om aseptische omstandigheden te handhaven, wat de sterilisatie van apparatuur, communicatie, grondstoffen, enz. vereist.

3. De teelt van micro-organismen vindt plaats in heterogene systemen, waarvan de fysisch-chemische eigenschappen tijdens het proces aanzienlijk kunnen veranderen.

4. Het technologische proces wordt gekenmerkt door een hoge variabiliteit vanwege de aanwezigheid van een biologisch object in het systeem, d.w.z. populaties van micro-organismen.

5. De complexiteit en multifactoriële aard van de mechanismen voor het reguleren van de groei van micro-organismen en de biosynthese van metabole producten.

6. Complexiteit en, in de meeste gevallen, gebrek aan informatie over de kwalitatieve en kwantitatieve samenstelling van productiemedia.

7. Relatief lage concentraties doelproducten.

8. Het vermogen van het proces om zichzelf te reguleren.

9. De omstandigheden die optimaal zijn voor de groei van micro-organismen en voor de biosynthese van doelproducten vallen niet altijd samen.

Micro-organismen verbruiken stoffen uit de omgeving, groeien, vermenigvuldigen, geven vloeibare en gasvormige stofwisselingsproducten af ​​en realiseren daarmee die veranderingen in het systeem (ophoping van biomassa of stofwisselingsproducten, verbruik van verontreinigende stoffen) waarvoor het kweekproces wordt uitgevoerd. Daarom kan een micro-organisme worden beschouwd als een centraal element van een biotechnologisch systeem, dat de efficiëntie van zijn functioneren bepaalt.

1.2. Geschiedenis van de ontwikkeling van de biotechnologie

In de afgelopen 20 jaar heeft de biotechnologie, vanwege haar specifieke voordelen ten opzichte van andere wetenschappen, een beslissende doorbraak bereikt op industrieel niveau, wat ook grotendeels te danken is aan de ontwikkeling van nieuwe onderzoeksmethoden en intensivering van processen die voorheen onbekende kansen hebben geopend bij het verkrijgen van biologische preparaten, methoden voor het isoleren, identificeren en zuiveren van biologisch actieve stoffen.

Biotechnologie werd gevormd en geëvolueerd terwijl de menselijke samenleving zich vormde en ontwikkelde. De opkomst, vorming en ontwikkeling ervan kan voorwaardelijk worden onderverdeeld in 4 perioden.

1. De empirische periode of prehistorische - de langste, die ongeveer 8000 jaar beslaat, waarvan meer dan 6000 jaar voor Christus. en rond 2000 AD De oude volkeren van die tijd gebruikten intuïtief de technieken en methoden voor het maken van brood, bier en enkele andere producten, die we nu classificeren als biotechnologisch.

Het is bekend dat de Sumeriërs - de eerste bewoners van Mesopotamië (op het grondgebied van het moderne Irak) in die tijd een bloeiende beschaving creëerden. Ze bakten brood van zuurdesem, beheersten de kunst van het bier maken. De opgedane ervaring werd van generatie op generatie doorgegeven, verspreid onder naburige volkeren (Assyriërs, Babyloniërs, Egyptenaren en oude hindoes). Al enkele millennia is azijn bekend, dat al sinds de oudheid thuis wordt bereid. De eerste distillatie bij het maken van wijn vond plaats in de 12e eeuw; wodka uit granen werd voor het eerst verkregen in de 16e eeuw; Champagne is bekend sinds de 18e eeuw.

De empirische periode omvat de productie van gefermenteerde melkproducten, zuurkool, honingalcoholische dranken en het inkuilen van voer.

Zo gebruikten volkeren uit de oudheid biotechnologische processen in de praktijk en wisten ze niets van micro-organismen. Empirisme was ook kenmerkend voor het gebruik van nuttige planten en dieren.

In 1796 vond de belangrijkste gebeurtenis in de biologie plaats - E. Jenner voerde de eerste menselijke vaccinaties tegen koepokken uit.

2. De etiologische periode in de ontwikkeling van de biotechnologie beslaat de tweede helft van de 19e eeuw. en het eerste derde deel van de 20e eeuw. (1856 - 1933). Hij wordt geassocieerd met het uitmuntende onderzoek van de grote Franse wetenschapper L. Pasteur (1822 - 95) - de grondlegger van de wetenschappelijke microbiologie.

Pasteur stelde de microbiële aard van fermentatie vast, bewees de mogelijkheid van leven in zuurstofvrije omstandigheden, legde de wetenschappelijke basis voor vaccinatie, enz.

In dezelfde periode werkten zijn uitmuntende studenten, medewerkers en collega's: E. Duclos, E. Roux, Sh.E. Chamberlan, I.I. Mechnikov; R. Koch, D. Lister, G. Ricketts, D. Ivanovsky en anderen.

In 1859 bereidde L. Pasteur een vloeibaar voedingsmedium voor, R. Koch stelde in 1881 een methode voor voor het kweken van bacteriën op steriele aardappelschijfjes en op agar-voedingsmedia. En als gevolg hiervan was het mogelijk om de individualiteit van microben te bewijzen en ze in zuivere culturen te verkrijgen. Bovendien kan elke soort worden vermeerderd op voedingsbodems en worden gebruikt om de bijbehorende processen (fermentatie, oxidatie, enz.) te reproduceren.

Onder de prestaties van de 2e periode zijn de volgende vermeldenswaard:

1856 - De Tsjechische monnik G. Mendel ontdekte de wetten van dominantie van eigenschappen en introduceerde het concept van een eenheid van erfelijkheid in de vorm van een discrete factor die van ouders op nakomelingen wordt overgedragen;

1869 - F. Miler isoleerde "nucleïne" (DNA) uit leukocyten;

1883 - I. Mechnikov ontwikkelde de theorie van cellulaire immuniteit;

1984 - F. Leffler isoleerde en kweekte de veroorzaker van difterie;

1892 - D. Ivanovsky ontdekte virussen;

1893 - W. Ostwald stelt de katalytische functie van enzymen vast;

1902 - G. Haberland toonde de mogelijkheid om plantencellen te kweken in voedingsoplossingen;

1912 - C. Neuberg onthulde het mechanisme van fermentatieprocessen;

1913 - L. Michaelis en M. Menten ontwikkelden de kinetiek van enzymatische reacties;

1926 - X. Morgan formuleerde de chromosoomtheorie van erfelijkheid;

1928 - F. Griffith beschreef het fenomeen "transformatie" in bacteriën;

1932 - M. Knoll en E. Ruska vinden de elektronenmicroscoop uit.
Tijdens deze periode is de productie van geperst voedsel

gist, evenals producten van hun metabolisme - aceton, butanol, citroenzuur en melkzuur, in Frankrijk begonnen met het creëren van bio-installaties voor microbiologische zuivering Afvalwater.

Niettemin bleef de accumulatie van een grote massa cellen van dezelfde leeftijd een uiterst moeizaam proces. Daarom was een fundamenteel andere aanpak nodig om veel problemen op het gebied van biotechnologie op te lossen.

3. Biotechnische periode - begon in 1933 en duurde tot 1972.

In 1933 A. Kluiver en A.Kh. Perkin publiceerde het werk "Methoden voor het bestuderen van het metabolisme van schimmels", waarin ze de belangrijkste technieken schetsten, evenals benaderingen voor het beoordelen van de resultaten die zijn verkregen bij de diepe teelt van schimmels. De introductie van grootschalige hermetische apparatuur in de biotechnologie, die ervoor zorgt dat processen onder steriele omstandigheden worden uitgevoerd, is begonnen.

Een bijzonder krachtige impuls in de ontwikkeling van industriële biotechnologische apparatuur werd opgemerkt tijdens de vorming en ontwikkeling van de productie van antibiotica (tijdens de Tweede Wereldoorlog 1939-1945, toen er een dringende behoefte was aan antimicrobiële geneesmiddelen om patiënten met geïnfecteerde wonden te behandelen).

Alles wat toen vooruitstrevend was op het gebied van biotechnologische en technische disciplines, werd weerspiegeld in de biotechnologie:

1936 - de belangrijkste taken van het ontwerpen, maken en in praktijk brengen van de benodigde apparatuur werden opgelost, waaronder de belangrijkste - een bioreactor (fermentor, cultivatorapparaat);

1942 - M. Delbrück en T. Anderson zagen voor het eerst virussen met behulp van een elektronenmicroscoop;

1943 - penicilline wordt op industriële schaal geproduceerd;

1949 - J. Lederberg ontdekte het proces van vervoeging in e.collie;

1950 - J. Monot ontwikkeld theoretische basis continue gecontroleerde kweek van microben, die in hun onderzoek werden ontwikkeld door M. Stephenson, I. Molek, M. Ierusalimsky,
I. Rabotnova, I. Pomozgova, I. Basnakyan, V. Biryukov;

1951 - M. Theiler ontwikkelde een vaccin tegen gele koorts;

1952 - W. Hayes beschreef het plasmide als een extrachromosomale factor van erfelijkheid;

1953 - F. Crick en J. Watson ontcijferden de structuur van DNA. Dit is de aanzet geweest voor de ontwikkeling van methoden voor het op grote schaal kweken van cellen van verschillende oorsprong om celproducten en de cellen zelf te verkrijgen;

1959 - Japanse wetenschappers ontdekken antibioticaresistentie-plasmiden (K-factor) in een dysenterische bacterie;

1960 - S. Ochoa en A. Kornberg isoleerden eiwitten die nucleotiden kunnen "crosslinken" of "lijmen" in polymeerketens, waardoor DNA-macromoleculen worden gesynthetiseerd. Eén zo'n enzym is geïsoleerd uit Escherichia coli en wordt DNA-polymerase genoemd;

1961 - M. Nirenberg leest de eerste drie letters van de genetische
codeert voor het aminozuur fenylalanine;

1962 - X. Koran gesynthetiseerd met chemische middelen functioneel gen;

1969 - M. Beckwith en S. Shapiro isoleerden het 1ac-operon-gen uit e.collie;

- 1970 - het enzym restrictie-enzym (restrictie-endonuclease) werd geïsoleerd.

4. De periode van genetische manipulatie begon in 1972, toen P. Berg de eerste recombinatie van een DNA-molecuul creëerde, waarmee hij de mogelijkheid aantoonde van gerichte manipulaties met het genetische materiaal van bacteriën.

Zonder het fundamentele werk van F. Crick en J. Watson om de structuur van DNA vast te stellen, zou het natuurlijk onmogelijk zijn om moderne resultaten op het gebied van biotechnologie te bereiken. Opheldering van de mechanismen van DNA-functioneren en replicatie, isolatie en studie van specifieke enzymen leidden tot de vorming van een strikt wetenschappelijke benadering van de ontwikkeling van biotechnische processen op basis van genetische manipulatiemanipulaties.

Het creëren van nieuwe onderzoeksmethoden was een noodzakelijke voorwaarde voor de ontwikkeling van biotechnologie in de 4e periode:

1977 - M. Maxam en W. Gilbert ontwikkelden een methode voor het analyseren van de primaire structuur van DNA door chemische afbraak, en J. Sanger
- door polymerase-kopie met gebruikmaking van terminerende nucleotide-analogen;

1981 - de eerste diagnostische kit van monoklonale antilichamen wordt goedgekeurd voor gebruik in de VS;

1982 - humane insuline geproduceerd door E. coli-cellen ging in de verkoop; toegestaan ​​voor gebruik in Europese landen, het vaccin voor dieren verkregen door technologie
recombinant DNA; genetisch gemanipuleerde interferonen, tumornecrotiserende factor, interleukine-2, menselijk groeihormoon, enz. zijn ontwikkeld;

1986 - K. Mullis ontwikkelde de polymerasekettingreactiemethode (PCR);

1988 - begon de grootschalige productie van apparatuur en diagnostische kits voor PCR;

1997 - Het eerste zoogdier (Dolly the Sheep) wordt gekloond uit een gedifferentieerde lichaamscel.

Zulke uitstekende huiswetenschappers als L.S. Tsenkovski, S.N. Vyshelessky, M.V. Likhachev, NN Ginzburg, S.G. Kolesov, Ya.R. Kolyakov, R.V. Petrov, V.V. Kafarov en anderen hebben een onschatbare bijdrage geleverd aan de ontwikkeling van de biotechnologie.

De belangrijkste verworvenheden van de biotechnologie in de 4e periode:

1. Ontwikkeling van intensieve processen (in plaats van uitgebreide) op basis van gericht, fundamenteel onderzoek (met producenten van antibiotica, enzymen, aminozuren, vitamines).

2. Het verkrijgen van superproducenten.

3. Creatie van verschillende producten die nodig zijn voor een persoon op basis van genetische manipulatietechnologieën.

4. Creatie van ongebruikelijke organismen die voorheen niet in de natuur bestonden.

5. Ontwikkeling en praktijkintroductie van speciale apparatuur voor biotechnologische systemen.

6. Automatisering en automatisering van biotechnologische productieprocessen met maximaal gebruik van grondstoffen en minimaal energieverbruik.

Bovenstaande verworvenheden van biotechnologie worden momenteel geïmplementeerd in de nationale economie en zullen in de komende 10-15 jaar in de praktijk worden geïntroduceerd. In de nabije toekomst zullen nieuwe hoekstenen van de biotechnologie worden gedefinieerd en staan ​​ons nieuwe ontdekkingen en vorderingen te wachten.

1.3. Biosystemen, objecten en methoden in de biotechnologie

Een van de termen in de biotechnologie is het concept van "biosysteem". De algemene kenmerken van een biologisch (levend) systeem kunnen worden teruggebracht tot drie hoofdkenmerken die eraan inherent zijn:

1. Levende systemen zijn heterogene open systemen die materie en energie uitwisselen met de omgeving.

2. Deze systemen zijn zelfsturend, zelfregulerend en actief, d.w.z. in staat om informatie uit te wisselen met de omgeving om de structuur te behouden en metabolische processen te beheersen.

3. Levende systemen reproduceren zichzelf (cellen, organismen).

Volgens de structuur zijn biosystemen verdeeld in elementen (subsystemen), onderling verbonden en worden ze gekenmerkt door een complexe organisatie (atomen, moleculen, organellen, cellen, organismen, populaties, gemeenschappen).

Controle in een cel is een combinatie van de processen van synthese van eiwit-enzymmoleculen die nodig zijn voor de implementatie van een bepaalde functie, en continue processen van activiteitsveranderingen tijdens de interactie van DNA-tripletcodes in de kern en macromoleculen in ribosomen. Versterking en remming van enzymatische activiteit vindt plaats afhankelijk van de hoeveelheid initiële en eindproducten van de overeenkomstige biochemische reacties. Door deze complexe organisatie verschillen biosystemen van alle niet-levende objecten.

Het gedrag van een biosysteem is een reeks reacties in reactie op externe invloeden, d.w.z. de meest voorkomende taak van de controlesystemen van levende organismen is het behoud van hun energiebasis onder veranderende omgevingsomstandigheden.

NM Amosov verdeelt alle biosystemen in vijf hiërarchische niveaus van complexiteit: eencellige organismen, meercellige organismen, populaties, biogeocenose en biosfeer.

Eencellige organismen zijn virussen, bacteriën en protozoa. De functies van eencellige organismen zijn de uitwisseling van materie en energie met de omgeving, groei en deling, reacties op externe prikkels in de vorm van veranderingen in de stofwisseling en de vorm van beweging. Alle functies van eencellige organismen worden ondersteund door biochemische processen van enzymatische aard en door energiemetabolisme - van de methode om energie te verkrijgen tot de synthese van nieuwe structuren of de splitsing van bestaande structuren. Het enige mechanisme van eencellige organismen dat zorgt voor hun aanpassing aan: omgeving, is het mechanisme van veranderingen in individuele DNA-genen en als gevolg daarvan een verandering in enzymeiwitten en een verandering in biochemische reacties.

De basis van een systematische benadering van de analyse van de structuren van biosystemen is de weergave ervan in de vorm van twee componenten - energie en controle.

Op afb. 1. toont een algemeen schematisch diagram van energie- en informatiestromen in elk biosysteem. Het belangrijkste element is de energiecomponent, aangeduid met MS (metabool systeem), en de controlecomponent, aangeduid met P (genetische en fysiologische controle) en het verzenden van controlesignalen naar effectoren (E). Een van de belangrijkste functies van het metabolische systeem is om biosystemen van energie te voorzien.

Rijst. 1. Stromen van energie en informatie in een biosysteem.

De structuur van biosystemen wordt in stand gehouden door de mechanismen van genetische controle. Het ontvangen van energie en informatie van andere systemen in de vorm van stofwisselingsproducten (metabolieten), en tijdens de vormingsperiode - in de vorm van hormonen regelt het genetische systeem het proces van synthese van de noodzakelijke stoffen en ondersteunt het de vitale activiteit van andere organen systemen, en de processen in dit systeem verlopen nogal langzaam.

Ondanks de diversiteit van biosystemen blijft de relatie tussen hun biologische eigenschappen onveranderlijk voor alle organismen. V complex Systeem aanpassingsmogelijkheden zijn veel groter dan in een eenvoudige. In een eenvoudig systeem worden deze functies geleverd door een klein aantal mechanismen, terwijl ze gevoeliger zijn voor veranderingen in de externe omgeving.

Biosystemen worden gekenmerkt door kwalitatieve heterogeniteit, wat zich uit in het feit dat binnen hetzelfde functionele biosysteem subsystemen met kwalitatief verschillende adequate stuursignalen (chemisch, fysisch, informatief) harmonieus samenwerken.

De hiërarchie van biosystemen komt tot uiting in de geleidelijke complicatie van een functie op het ene niveau van de hiërarchie en een abrupte overgang naar een kwalitatief andere functie op het volgende niveau van de hiërarchie, evenals in de specifieke constructie van verschillende biosystemen, hun analyse en controle in een zodanige volgorde dat de uiteindelijke uitvoerfunctie van het lagere niveau van de hiërarchie wordt opgenomen als een element naar het hogere niveau.

Constante aanpassing aan de omgeving en evolutie zijn onmogelijk zonder de eenheid van twee tegengestelde eigenschappen: structureel-functionele organisatie en structureel-functionele waarschijnlijkheid, stochasticiteit en variabiliteit.

Structurele en functionele organisatie komt tot uiting op alle niveaus van biosystemen en wordt gekenmerkt door een hoge stabiliteit van de biologische soort en zijn vorm. Op het niveau van macromoleculen wordt deze eigenschap geleverd door de replicatie van macromoleculen, op het niveau van de cel - door deling, op het niveau van een individu en populatie - door de reproductie van individuen door reproductie.

Als biologische objecten of systemen die de biotechnologie gebruikt, is het allereerst noodzakelijk om eencellige micro-organismen te noemen, evenals dierlijke en plantaardige cellen. De keuze van deze objecten is te wijten aan de volgende punten:

1. Cellen zijn een soort "biofabrieken" die in de loop van het leven een verscheidenheid aan waardevolle producten produceren: eiwitten, vetten, koolhydraten, vitamines, nucleïnezuren, aminozuren, antibiotica, hormonen, antilichamen, antigenen, enzymen, alcoholen, enz. Veel van deze producten, die uiterst noodzakelijk zijn in het menselijk leven, zijn vanwege de schaarste of de hoge kosten van grondstoffen nog niet beschikbaar voor het verkrijgen met "niet-biotechnologische" methoden
of de complexiteit van technologische processen;

2. Cellen reproduceren extreem snel. Zo deelt een bacteriecel zich elke 20 - 60 minuten, een gistcel - elke 1,5 - 2 uur, een dier - na 24 uur, wat het mogelijk maakt om kunstmatig enorme hoeveelheden biomassa te kweken op een relatief goedkope en niet-deficiënte voedingsbodem op industriële schaal in relatief korte tijd microbiële, dierlijke of plantaardige cellen. In een bioreactor met een capaciteit van 100 m 3 kunnen bijvoorbeeld 10 "6 - 10 18 microbiële cellen worden gekweekt in 2 - 3 dagen. Tijdens de levensduur van de cellen, wanneer ze worden gekweekt, komen er een grote hoeveelheid waardevolle producten binnen de omgeving, en de cellen zelf zijn pantry's van deze producten;

3. Biosynthese van complexe stoffen zoals eiwitten, antibiotica, antigenen, antilichamen, enz. is veel economischer en technologisch toegankelijker dan chemische synthese. Tegelijkertijd is de initiële grondstof voor biosynthese in de regel eenvoudiger en toegankelijker dan grondstoffen voor andere
soorten synthese. Voor biosynthese, afval uit landbouw, visproducten, voedingsindustrie, plantaardige grondstoffen (wei, gist, hout, melasse, enz.)

4. De mogelijkheid om een ​​biotechnologisch proces op industriële schaal uit te voeren, d.w.z. beschikbaarheid van geschikte technologische apparatuur, beschikbaarheid van grondstoffen, verwerkingstechnologieën, enz.

Zo gaf de natuur onderzoekers een levend systeem dat unieke componenten bevat en synthetiseert, en in de eerste plaats nucleïnezuren, met de ontdekking waarvan de biotechnologie en de wereldwetenschap in het algemeen zich snel begonnen te ontwikkelen.

De objecten van de biotechnologie zijn virussen, bacteriën, schimmels, protozoaire organismen, cellen (weefsels) van planten, dieren en mensen, stoffen van biologische oorsprong (bijvoorbeeld enzymen, prostaglandinen, lectines, nucleïnezuren), moleculen.

In dit verband kan worden gezegd dat de objecten van de biotechnologie verwijzen naar micro-organismen of naar planten- en dierencellen. Op zijn beurt kan het lichaam worden gekarakteriseerd als een systeem van economische, complexe, compacte, doelgerichte synthese, die gestaag en actief voortgaat met optimaal onderhoud van alle noodzakelijke parameters.

De methoden die in de biotechnologie worden gebruikt, worden bepaald door twee niveaus: cellulair en moleculair. Beide worden bepaald door biologische objecten.

In het eerste geval gaat het om bacteriële cellen (voor de productie van vaccinpreparaten), actinomyceten (voor de productie van antibiotica), micromyceten (voor de productie van citroenzuur), dierlijke cellen (voor de productie van antivirale vaccins), menselijke cellen (voor de vervaardiging van interferon), enz.

In het tweede geval hebben ze te maken met moleculen, bijvoorbeeld met nucleïnezuren. In de laatste fase wordt het moleculaire niveau echter omgezet in het cellulaire. Cellen van dieren en planten, microbiële cellen in het levensproces (assimilatie en dissimilatie) vormen nieuwe producten en geven metabolieten af ​​van verschillende fysisch-chemische samenstelling en biologische werking.

Wanneer een cel groeit, vinden daarin een groot aantal door enzymen gekatalyseerde reacties plaats, waardoor tussenverbindingen worden gevormd, die op hun beurt celstructuren worden. Intermediaire verbindingen, bouwstenen omvatten 20 aminozuren, 4 ribonucleotiden, 4 deoxyribonucleotiden, 10 vitamines, monosachariden, vetzuren, hexosamines. Van deze "bouwstenen" worden "blokken" gebouwd: ongeveer 2000 eiwitten, DNA, drie soorten RNA, polysachariden, lipiden, enzymen. De resulterende "blokken" gaan naar de constructie van cellulaire structuren: de kern, ribosomen, membraan, celwand, mitochondriën, flagella, enz., waaruit de cel bestaat.

In elk stadium van de "biologische synthese" van de cel is het mogelijk om die producten te bepalen die in de biotechnologie kunnen worden gebruikt.

Gewoonlijk worden eencellige producten onderverdeeld in 4 categorieën:

a) de cellen zelf als bron van het doelproduct. Gekweekte bacteriën of virussen worden bijvoorbeeld gebruikt om een ​​levend of gedood deeltjesvormig vaccin te produceren; gist als voedingseiwit of als basis voor het verkrijgen van hydrolysaten van voedingsmedia, enz.;

b) grote moleculen die worden gesynthetiseerd door cellen in het groeiproces: enzymen, toxines, antigenen, antilichamen, peptidoglycanen, enz.;

c) primaire metabolieten - stoffen met een laag molecuulgewicht (minder dan 1500 dalton) die nodig zijn voor celgroei, zoals aminozuren, vitamines, nucleotiden, organische zuren;

d) secundaire metabolieten (idiolyten) - verbindingen met een laag molecuulgewicht die niet nodig zijn voor celgroei: antibiotica, alkaloïden, toxines, hormonen.

Alle micro-objecten die in de biotechnologie worden gebruikt, worden akaryoten, pro- of eukaryoten genoemd. Van de groep van eukaryoten bijvoorbeeld werkt het als biologische objecten met cellen van protozoa, algen en schimmels, van de groep van prokaryoten - met cellen van blauwgroene algen en bacteriën, akaryoten - met virussen.

Bioobjecten uit de microwereld variëren in grootte van nanometers (virussen, bacteriofagen) tot millimeters en centimeters (reuzenalgen) en worden gekenmerkt door een relatief hoge reproductiesnelheid. De moderne farmaceutische industrie gebruikt een gigantisch scala aan biologische objecten, waarvan de groepering zeer complex is en het beste kan worden gedaan op basis van het principe van hun evenredigheid.

Een enorme reeks biologische objecten put niet de hele elementaire basis uit, waarmee biotechnologie werkt. Recente ontwikkelingen in de biologie en genetische manipulatie hebben geleid tot de opkomst van volledig nieuwe biologische objecten - transgene (genetisch gemodificeerde) bacteriën, virussen, schimmels, planten, dieren, mensen en chimera cellen.

Ondanks het feit dat vertegenwoordigers van alle superkoninkrijken genetisch materiaal bevatten, missen verschillende akaryoten elk type nucleïnezuur (RNA of DNA). Ze kunnen niet functioneren (inclusief repliceren) buiten een levende cel, en daarom is het legitiem om ze kernvrij te noemen. Parasitisme van virussen ontwikkelt zich op genetisch niveau.

Gericht onderzoek van verschillende ecologische niches onthult steeds nieuwe groepen micro-organismen die nuttige stoffen produceren die in de biotechnologie kunnen worden gebruikt. Het aantal soorten micro-organismen dat in de biotechnologie wordt gebruikt, groeit voortdurend.

Bij het kiezen van een biologisch object moet in alle gevallen het principe van maakbaarheid in acht worden genomen. Dus als de eigenschappen van een biologisch object niet behouden blijven of significante veranderingen ondergaan tijdens talrijke kweekcycli, dan moet dit biologische object worden erkend als niet-technologisch, d.w.z. onaanvaardbaar voor technologische ontwikkelingen na de fase van laboratoriumonderzoek.

Met de ontwikkeling van de biotechnologie worden gespecialiseerde banken van biologische objecten van groot belang, met name verzamelingen van micro-organismen met bestudeerde eigenschappen, evenals cryobanken van dierlijke en plantaardige cellen, die nu al met succes kunnen worden gebruikt met behulp van speciale methoden om nieuwe organismen te bouwen bruikbaar voor biotechnologie. In feite zijn deze gespecialiseerde gewasbanken verantwoordelijk voor het in stand houden van een uiterst waardevolle genenpool.

Cultuurcollecties spelen een belangrijke rol bij de juridische bescherming van nieuwe gewassen en bij de standaardisatie van biotechnologische processen. In collecties wordt het conserveren, onderhouden en voorzien van micro-organismen met stammen, plasmiden, fagen, cellijnen uitgevoerd zowel voor wetenschappelijk en toegepast onderzoek, als voor relevante industrieën. Collecties van culturen dragen, naast de hoofdtaak - zorgen voor de levensvatbaarheid en het behoud van de genetische eigenschappen van stammen - bij aan de ontwikkeling van wetenschappelijk onderzoek (op het gebied van taxonomie, cytologie, fysiologie), en dienen ook als educatieve doeleinden. Ze vervullen een onmisbare functie als bewaarplaats van octrooieerbare stammen. Volgens internationale regels kunnen niet alleen effectieve producenten, maar ook gewassen die worden gebruikt in genetische manipulatie worden gepatenteerd en gedeponeerd.

Wetenschappers besteden veel aandacht aan het doelbewust creëren van nieuwe biologische objecten die niet in de natuur voorkomen. Allereerst moet worden opgemerkt dat door genetische manipulatie nieuwe cellen van micro-organismen, planten en dieren worden gecreëerd. Het creëren van nieuwe biologische objecten draagt ​​natuurlijk bij aan de verbetering van de rechtsbescherming van uitvindingen op het gebied van genetische manipulatie en biotechnologie in het algemeen. Er is een richting gevormd die zich bezighoudt met het ontwerp van kunstmatige cellen. Momenteel zijn er methoden die het mogelijk maken om kunstmatige cellen te verkrijgen met behulp van verschillende synthetische en biologische materialen, bijvoorbeeld een kunstmatig celmembraan met een bepaalde permeabiliteit en oppervlakte-eigenschappen. Sommige materialen kunnen in dergelijke cellen worden ingesloten: enzymsystemen, celextracten, biologische cellen, magnetische materialen, isotopen, antilichamen, antigenen, hormonen, enz. Het gebruik van kunstmatige cellen heeft positieve resultaten opgeleverd bij de productie van interferonen en monoklonale antilichamen, in de creatie van immunosorbents, enz.

Er worden benaderingen ontwikkeld om kunstmatige enzymen en enzymanalogen te maken met verhoogde stabiliteit en activiteit. Er wordt bijvoorbeeld synthese van polypeptiden met de gewenste stereoconfiguratie uitgevoerd, er wordt gezocht naar methoden voor gerichte mutagenese om het ene aminozuur door een ander aminozuur in het enzymmolecuul te vervangen. Er worden pogingen ondernomen om niet-enzymatische katalytische modellen te construeren.

De volgende groepen biologische objecten moeten als de meest veelbelovende worden aangemerkt:

Recombinanten, d.w.z. organismen verkregen door genetische manipulatie;

Plantaardige en dierlijke weefselcellen;

Thermofiele micro-organismen en enzymen;

anaërobe organismen;

Verenigingen voor de transformatie van complexe substraten;

Geïmmobiliseerde biologische objecten.

Het proces van kunstmatige creatie van een biologisch object (micro-organisme of weefselcel) bestaat uit het veranderen van zijn genetische informatie om ongewenste uit te sluiten en de gewenste eigenschappen te verbeteren of het geheel nieuwe kwaliteiten te geven. De meest gerichte veranderingen kunnen worden gedaan door recombinatie - het herverdelen van genen of delen van genen en het combineren van genetische informatie van twee of meer organismen in één organisme. Het verkrijgen van recombinante organismen in het bijzonder kan worden uitgevoerd door protoplastfusie, door overdracht van natuurlijke plasmiden en door genetische manipulatiemethoden.

Niet-traditionele biologische agentia in dit stadium van biotechnologische ontwikkeling omvatten plantaardige en dierlijke weefselcellen, waaronder hybridoma's, transplantaties. Zoogdiercelculturen produceren al interferon- en virale vaccins; in de nabije toekomst zal grootschalige productie van monoklonale antilichamen, oppervlakte-antigenen van menselijke cellen en angiogene factoren worden uitgevoerd.

Met de ontwikkeling van biotechnologische methoden zal er steeds meer aandacht komen voor het gebruik van thermofiele micro-organismen en hun enzymen.

Enzymen geproduceerd door thermofiele micro-organismen worden gekenmerkt door thermische stabiliteit en hogere weerstand tegen denaturatie in vergelijking met enzymen van mesofielen. Het uitvoeren van biotechnologische processen bij verhoogde temperaturen met behulp van enzymen van thermofiele micro-organismen heeft een aantal voordelen:

1) de reactiesnelheid neemt toe;

2) verhoogt de oplosbaarheid van reagentia en daardoor - de productiviteit van het proces;

3) de mogelijkheid van microbiële verontreiniging van het reactiemedium wordt verminderd.

Er is een heropleving van biotechnologische processen waarbij gebruik wordt gemaakt van anaërobe micro-organismen, die vaak ook thermofiel zijn. Anaërobe processen trekken de aandacht van onderzoekers vanwege het gebrek aan energie en de mogelijkheid om biogas te winnen. Omdat anaërobe teelt geen beluchting van het medium vereist en biochemische processen minder intens zijn, is het warmteafvoersysteem vereenvoudigd, anaërobe processen kunnen als energiebesparend worden beschouwd.

Anaërobe micro-organismen worden met succes gebruikt om afval (plantaardige biomassa, afval van de voedingsindustrie, huishoudelijk afval, enz.) en afvalwater (huishoudelijk en industrieel afvalwater, mest) te verwerken tot biogas.

In de afgelopen jaren is het gebruik van gemengde culturen van micro-organismen en hun natuurlijke associaties uitgebreid. In een reële biologische situatie in de natuur bestaan ​​micro-organismen in de vorm van gemeenschappen van verschillende populaties die nauw met elkaar verwant zijn en de circulatie van stoffen in de natuur bewerkstelligen.

De belangrijkste voordelen van gemengde culturen ten opzichte van monoculturen zijn als volgt:

Het vermogen om complexe, heterogene substraten te gebruiken, vaak ongeschikt voor monoculturen;

Het vermogen om complexe organische verbindingen te mineraliseren;

Verhoogd vermogen tot biotransformatie van organische stoffen;

Verhoogde weerstand tegen giftige stoffen, waaronder zware metalen;

Verhoogde weerstand tegen omgevingsinvloeden;

Toegenomen productiviteit;

Mogelijke uitwisseling van genetische informatie tussen individuele soorten van de gemeenschap.

Het is noodzakelijk om zo'n groep biologische objecten te benadrukken als enzymen-katalysatoren van biologische oorsprong, die in het toegepaste aspect worden bestudeerd door technische enzymologie. Haar belangrijkste taak is de ontwikkeling van biotechnologische processen die gebruik maken van de katalytische werking van enzymen, meestal geïsoleerd uit biologische systemen of gelokaliseerd in cellen die kunstmatig verstoken zijn van het vermogen om te groeien. Dankzij enzymen neemt de snelheid van reacties, vergeleken met reacties die plaatsvinden in de afwezigheid van deze katalysatoren, met 10 b - 10 12 keer toe.

Geïmmobiliseerde biologische objecten moeten worden aangemerkt als een aparte tak van het maken en gebruiken van biologische objecten. Het geïmmobiliseerde object is een harmonieus systeem waarvan de werking over het algemeen wordt bepaald door de juiste selectie van drie hoofdcomponenten: het biologische object, de drager en de methode om het object aan de drager te binden.

De volgende groepen methoden voor het mobiliseren van biologische objecten worden voornamelijk gebruikt:

Opname in gels, microcapsules;

Adsorptie op onoplosbare dragers;

Covalente binding aan een drager;

Verknoping met bifunctionele reagentia zonder gebruik van een drager;

- "zelfaggregatie" in het geval van intacte cellen.

De belangrijkste voordelen van het gebruik van geïmmobiliseerde biologische objecten zijn:

Hoge activiteit;

Mogelijkheid om de micro-omgeving van het middel te controleren;

de mogelijkheid van volledige en snelle scheiding van doelproducten;

De mogelijkheid om continue processen te organiseren bij meervoudig gebruik van het object.

Zoals uit het bovenstaande volgt, is het in biotechnologische processen mogelijk om een ​​aantal biologische objecten te gebruiken die worden gekenmerkt door verschillende niveaus van complexiteit van biologische regulatie, bijvoorbeeld cellulair, subcellulair, moleculair. De benadering van de totstandkoming van het gehele biotechnologische systeem als geheel hangt rechtstreeks af van de kenmerken van een bepaald biologisch object.

Door fundamenteel biologisch onderzoek wordt kennis over de natuur en daarmee over de mogelijkheden om een ​​bepaald biologisch systeem toe te passen als actief begin van een biotechnologisch proces verdiept en uitgebreid. De verzameling biologische objecten wordt continu bijgewerkt.

1.4. Hoofdrichtingen voor de ontwikkeling van methodenbiotechnologie in de diergeneeskunde

In de afgelopen 40 - 50 jaar is er een abrupte ontwikkeling geweest van de meeste wetenschappen, wat heeft geleid tot een uniforme revolutie in de productie van veterinaire en medische biopreparaten, de creatie van transgene planten en dieren met gespecificeerde unieke eigenschappen. Dergelijke studies zijn prioritaire gebieden van wetenschappelijke en technologische vooruitgang in de 21e eeuw. een leidende plaats innemen onder alle wetenschappen.

Zelfs een simpele opsomming van commerciële vormen van biologische producten geeft de onbegrensde mogelijkheden van biotechnologie aan. Deze belangrijke kwestie verdient echter enige detail.

Naar onze mening zijn de mogelijkheden van biotechnologie bijzonder indrukwekkend op drie hoofdgebieden.

De eerste is de grootschalige productie van microbieel eiwit voor voerdoeleinden (eerst op basis van houthydrolysaten, daarna op basis van oliekoolwaterstoffen).

Een belangrijke rol wordt gespeeld door de aanmaak van essentiële aminozuren die nodig zijn voor een evenwichtige aminozuursamenstelling. toevoegingsmiddelen.

Naast voereiwit, aminozuren, vitamines en andere voeradditieven die de voedingswaarde van voer verhogen, breiden de mogelijkheden van massaproductie en het gebruik van virale en bacteriële preparaten ter preventie van ziekten bij vogels en landbouwhuisdieren zich snel uit. effectieve strijd met landbouwongedierte. Microbiologische preparaten hebben, in tegenstelling tot veel chemische, een hoge specifieke werking op schadelijke insecten en fytopathogene micro-organismen, ze zijn onschadelijk voor mens en dier, vogels en nuttige insecten. Samen met de directe vernietiging van ongedierte tijdens de verwerkingsperiode, werken ze in op het nageslacht, verminderen ze de vruchtbaarheid en veroorzaken ze geen vorming van resistente vormen van schadelijke organismen.

De mogelijkheden van biotechnologie bij de productie van enzympreparaten voor de verwerking van agrarische grondstoffen en het creëren van nieuw voer voor de veehouderij zijn enorm.

De tweede richting zijn ontwikkelingen in het belang van de ontwikkeling van de biologische wetenschap, de volksgezondheid en de diergeneeskunde. Op basis van de resultaten van genetische manipulatie en moleculaire biologie kan biotechnologie de gezondheidszorg voorzien van zeer effectieve vaccins en antibiotica, monoklonale antilichamen, interferon, vitamines, aminozuren, evenals enzymen en andere biologische producten voor onderzoek en medische doeleinden. Sommige van deze medicijnen worden tegenwoordig al met succes gebruikt, niet alleen in wetenschappelijke experimenten, maar ook in de praktische geneeskunde en de diergeneeskunde.

Ten slotte is de derde richting de ontwikkelingen voor de industrie. Reeds vandaag worden de producten van de biotechnologische industrieën geconsumeerd of gebruikt door de voedings- en lichte industrie (enzymen), metallurgie (het gebruik van bepaalde stoffen in de processen van flotatie, precisiegieten, precisiewalsen), de olie- en gasindustrie (het gebruik van van een aantal voorbereidingen voor de complexe verwerking van plantaardige en microbiële biomassa tijdens het boren van putten, tijdens selectieve reiniging, enz.), rubber- en verf- en lakindustrieën (verbetering van de kwaliteit van synthetisch rubber door bepaalde eiwitadditieven), evenals een aantal andere industrieën.

Tot de actief ontwikkelde gebieden van de biotechnologie behoren bio-elektronica en bio-elektrochemie, bionica, nanotechnologie, die ofwel biologische systemen ofwel de werkingsprincipes van dergelijke systemen gebruiken.

wijd in wetenschappelijk onderzoek enzymatische sensoren worden gebruikt. Op basis daarvan is een aantal apparaten ontwikkeld, bijvoorbeeld goedkope, nauwkeurige en betrouwbare instrumenten voor analyse. Er zijn ook bio-elektronische immunosensoren in opkomst, waarvan sommige gebruikmaken van het veldeffect van transistors. Op basis daarvan is het de bedoeling om relatief goedkope apparaten te maken die in staat zijn om de concentratie van een breed scala aan stoffen in lichaamsvloeistoffen op een bepaald niveau te bepalen en te houden, wat een revolutie in de biologische diagnostiek kan veroorzaken.

Prestaties van veterinaire biotechnologie. In Rusland begon de biotechnologie als wetenschap zich in 1896 te ontwikkelen. De aanleiding was de noodzaak om preventieve en therapeutische middelen te ontwikkelen tegen ziekten als miltvuur, runderpest, hondsdolheid, mond- en klauwzeer en trichinose. Aan het einde van de 19e eeuw. meer dan 50.000 dieren en 20.000 mensen stierven elk jaar aan miltvuur. Voor 1881 - 1906 3,5 miljoen koeien stierven aan de pest. Sap veroorzaakte aanzienlijke schade, waarbij paardenvee en mensen stierven.

De successen van de binnenlandse veterinaire wetenschap en praktijk bij het uitvoeren van specifieke preventie van infectieziekten worden in verband gebracht met belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen die aan het eind van de 19e en het begin van de 20e eeuw zijn gedaan. Dit betrof de ontwikkeling en introductie in de veterinaire praktijk van preventieve en diagnostische geneesmiddelen tijdens quarantaine en vooral: gevaarlijke ziekten dieren (vaccins tegen miltvuur, pest, hondsdolheid, allergenen voor de diagnose van tuberculose, kwade droes, enz.). De mogelijkheid om therapeutische en diagnostische hyperimmune sera te bereiden is wetenschappelijk bewezen.

Deze periode markeert de feitelijke organisatie van een onafhankelijke biologische industrie in Rusland.

Sinds 1930 begonnen de veterinaire bacteriologische laboratoria en instituten in Rusland aanzienlijk uit te breiden, en op basis daarvan begon de bouw van grote biologische fabrieken en biocombines voor de productie van vaccins, sera en diagnosticums voor veterinaire doeleinden. Tijdens deze periode worden technologische processen, wetenschappelijke en technologische documentatie, evenals uniforme methoden (normen) voor de productie, controle en het gebruik van geneesmiddelen in de veehouderij en diergeneeskunde ontwikkeld.

In de jaren dertig werden onder leiding van V.N. Shaposhnikov de eerste fabrieken gebouwd voor de productie van voedergist op houthydrolysaten, landbouwafval en sulfietvloeistoffen. De technologie van microbiologische productie van aceton en butanol is met succes geïntroduceerd (Fig. 2).

Een belangrijke rol bij het leggen van de fundamenten van de binnenlandse biotechnologie werd gespeeld door zijn onderwijs over de tweefasige aard van fermentatie. In 1926 werden de bio-energie regelmatigheden van de oxidatie van koolwaterstoffen door micro-organismen bestudeerd in de USSR. In de jaren daarna werd in ons land op grote schaal gebruik gemaakt van biotechnologische ontwikkelingen om het 'assortiment' aan antibiotica voor geneeskunde en veeteelt, enzymen, vitamines, groeistoffen en bestrijdingsmiddelen uit te breiden.

Sinds de oprichting in 1963 van het All-Union Scientific Research Institute for the Biosynthesis of Protein Substances, vindt in ons land grootschalige productie plaats van eiwitrijke biomassa van micro-organismen als voer.

In 1966 werd de microbiologische industrie opgesplitst in een aparte industrie en het hoofddirectoraat van de microbiologische industrie onder de Raad van Ministers van de USSR - Glavmikrobioprom werd opgericht.

Sinds 1970 wordt in ons land intensief onderzoek gedaan naar de selectie van culturen van micro-organismen voor continue teelt voor industriële doeleinden.

Sovjet-onderzoekers sloten zich in 1972 aan bij de ontwikkeling van methoden voor genetische manipulatie. Opgemerkt moet worden dat het Revertase-project met succes werd geïmplementeerd in de USSR - de productie van het reverse transcriptase-enzym op industriële schaal.

De ontwikkeling van methoden voor het bestuderen van de structuur van eiwitten, opheldering van de werkingsmechanismen en regulering van enzymactiviteit opende de weg naar gerichte modificatie van eiwitten en leidde tot de geboorte van technische enzymologie. Geïmmobiliseerde enzymen met een hoge stabiliteit worden een krachtig hulpmiddel voor katalytische reacties in verschillende industrieën.

Al deze prestaties hebben de biotechnologie naar een nieuw niveau gebracht, kwalitatief verschillend van het vorige door het vermogen om de cellulaire processen van biosynthese bewust te beheersen.

Tijdens de jaren van de vorming van de industriële productie van biologische preparaten in ons land, zijn er significante kwalitatieve veranderingen geweest in de biotechnologische methoden voor hun productie:

Er zijn studies uitgevoerd om stabiele, met erfelijke vaste eigenschappen te verkrijgen, avirulente stammen van micro-organismen waaruit levende vaccins worden bereid;

Voor de teelt van micro-organismen zijn nieuwe voedingsbodems ontwikkeld, waaronder die op basis van hydrolysaten en extracten uit grondstoffen voor non-food doeleinden;

Er zijn hoogwaardige serumvoedingsmedia voor leptospira en andere moeilijk te kweken micro-organismen verkregen;

Er is een diepe reactormethode ontwikkeld voor het kweken van vele soorten bacteriën, schimmels en sommige virussen;

Er werden nieuwe stammen en cellijnen verkregen die gevoelig zijn voor veel virussen, wat zorgde voor de bereiding en productie van standaard en actievere antivirale vaccins;

Alle productieprocessen zijn gemechaniseerd en geautomatiseerd;

Moderne methoden voor het concentreren van culturen van micro-organismen en sublimatiedroging van biologische producten zijn ontwikkeld en in productie genomen;

Lagere energiekosten voor het verkrijgen van een productie-eenheid, gestandaardiseerde en verbeterde kwaliteit van biologische producten;

De cultuur van de productie van biologische producten is verbeterd.

Met veel aandacht voor de ontwikkeling van veterinaire biologische producten voor de preventie, diagnose van infectieziekten en behandeling van zieke dieren, werkt ons land voortdurend aan het verbeteren van de industriële technologie, het beheersen van de productie van effectievere, goedkopere en standaardgeneesmiddelen. In dit geval zijn de belangrijkste vereisten:

Gebruik van wereldervaring;

middelen besparen;

Behoud van productiegebieden;

Aankoop en installatie van moderne apparatuur en technologische lijnen;

Het uitvoeren van wetenschappelijk onderzoek naar de ontwikkeling en ontdekking van nieuwe soorten bioproducten, nieuwe en goedkope recepten voor de bereiding van voedingsmedia;

De zoektocht naar actievere stammen van micro-organismen in relatie tot hun antigene, immunogene en productieve eigenschappen.

Federale staat Algemene onderwijsinstelling voor hoger beroepsonderwijs "Moskovskaya staatsacademie diergeneeskunde en biotechnologie hen. KI Skryabian»

Biotechnologie essay

"Lezing nr. 1"

Werk voltooid

FVM-student

4 gangen, 11 groepen

Gordon Maria

Biotechnologie is een wetenschap die de mogelijkheid bestudeert om levende organismen of hun stofwisselingsproducten te gebruiken om bepaalde technologische problemen op te lossen.

Met behulp van biotechnologie wordt in bepaalde menselijke behoeften voorzien, bijvoorbeeld: de ontwikkeling van medicijnen, het wijzigen of creëren van nieuwe soorten planten en dieren, waardoor de kwaliteit etenswaren.

Biotechnologie in de moderne geneeskunde

Biotechnologie, als wetenschap, vestigde zich aan het einde van de twintigste eeuw, namelijk in het begin van de jaren '70. Het begon allemaal met genetische manipulatie, toen wetenschappers genetisch materiaal van het ene organisme naar het andere konden overbrengen zonder seksuele processen. Hiervoor werd recombinant DNA of rDNA gebruikt. Deze methode wordt gebruikt om een ​​bepaald organisme te veranderen of te verbeteren.

Om een ​​rDNA-molecuul te maken heb je nodig:

• een DNA-molecuul extraheren uit een dierlijke of plantencel;
• verwerk de geïsoleerde cel en het plasmide en meng ze vervolgens;
• vervolgens wordt het gemodificeerde plasmide overgebracht naar de bacterie, die op zijn beurt kopieën vermenigvuldigt van de informatie die erin is geïntroduceerd.

Medische biotechnologieën zijn onderverdeeld in 2 grote groepen:

1. Diagnostisch, die op hun beurt zijn: chemisch (bepaling van diagnostische stoffen en metabole parameters); fysiek (bepaling van de fysieke velden van het lichaam);
2. therapeutisch.

Medische biotechnologie omvat: productieprocessen, waarbij biologische voorwerpen of stoffen voor medische doeleinden worden gecreëerd. Dit zijn enzymen, vitamines, antibiotica, individuele microbiële polysachariden die kunnen worden gebruikt als: onafhankelijke middelen of als hulpstoffen bij het maken van verschillende doseringsvormen, aminozuren.

Zo worden biotechnologische methoden toegepast:

• voor de productie van humane insuline door het gebruik van genetisch gemodificeerde bacteriën;
• om erytropoëtine aan te maken (een hormoon dat de vorming van rode bloedcellen in het beenmerg stimuleert.

Medische genetica zal in de toekomst niet alleen in staat zijn om de geboorte van gehandicapte kinderen te voorkomen door genetische ziekten te diagnosticeren, maar ook om gentransplantatie uit te voeren om het bestaande probleem op te lossen.

Biotechnologie in de toekomst zal de mensheid grote kansen bieden, niet alleen in de geneeskunde, maar ook op andere gebieden van de moderne wetenschap.

Biotechnologie in de moderne wetenschap

Biotechnologie in de moderne wetenschap is van groot voordeel. Door de ontdekking van genetische manipulatie is het mogelijk geworden om nieuwe planten- en dierrassen te ontwikkelen die de landbouw ten goede komen.

De studie van biotechnologie is niet alleen verbonden met de wetenschappen van de biologische richting. In de micro-elektronica zijn ion-selectieve transistoren ontwikkeld op basis van het veldeffect (HpaI). Biotechnologie is nodig om de oliewinning uit oliereservoirs te verbeteren. De meest ontwikkelde richting is het gebruik van biotechnologie in de ecologie voor de behandeling van industrieel en huishoudelijk afvalwater. Veel andere disciplines hebben bijgedragen aan de ontwikkeling van de biotechnologie, en daarom moet biotechnologie worden geclassificeerd als een complexe wetenschap.

Een andere reden voor het actief bestuderen en verbeteren van kennis in de biotechnologie was het ontbreken (of toekomstig tekort) van sociaal-economische behoeften.

In de wereld zijn er problemen als:

• gebrek aan vers of gezuiverd water (in sommige landen);
• milieuvervuiling door verschillende chemicaliën;
• gebrek aan energiebron;
• de noodzaak om te verbeteren en volledig nieuwe milieuvriendelijke schone materialen en producten;
• het niveau van de geneeskunde verhogen.

Wetenschappers zijn er zeker van dat het mogelijk is om deze en vele andere problemen op te lossen met behulp van biotechnologie.

De belangrijkste typische technologische methoden van de moderne biotechnologie

Biotechnologie kan niet alleen worden onderscheiden als een wetenschap, maar ook als een gebied van menselijke praktische activiteit, die verantwoordelijk is voor de productie van verschillende soorten producten met de deelname van levende organismen of hun cellen.

De theoretische basis voor biotechnologie was ooit zo'n wetenschap als genetica, dit gebeurde in de twintigste eeuw. Maar praktisch was biotechnologie gebaseerd op de microbiologische industrie. De microbiologische industrie kreeg op haar beurt een sterke impuls aan de ontwikkeling na de ontdekking en actieve productie van antibiotica.

De objecten waar de biotechnologie mee werkt zijn virussen, bacteriën, verschillende vertegenwoordigers van flora en fauna, schimmels, maar ook organellen en geïsoleerde cellen.

Visuele biotechnologie. Genetische en celmanipulatie

Genetische en celmanipulatie gecombineerd met biochemie zijn de belangrijkste gebieden van de moderne biotechnologie.

Celtechniek - teelt in speciale condities cellen van verschillende levende organismen (planten, dieren, bacteriën), verschillende soorten onderzoek daarop (combinatie, extractie of transplantatie).

Plantaardige celtechniek wordt als de meest succesvolle beschouwd. Met behulp van plantencelengineering is het mogelijk geworden om veredelingsprocessen te versnellen, waardoor het mogelijk wordt om nieuwe variëteiten van landbouwgewassen te ontwikkelen. Nu is de veredeling van een nieuw ras teruggebracht van 11 jaar naar 3-4 jaar.

Genetische (of genetische) manipulatie is een afdeling van de moleculaire biologie waarin ze genen bestuderen en isoleren uit de cellen van levende organismen, waarna ze worden gemanipuleerd om een ​​bepaald doel te bereiken. De belangrijkste instrumenten die bij genetische manipulatie worden gebruikt, zijn enzymen en vectoren.

Klonen van biotechnologie

Klonen is het proces van het verkrijgen van klonen (dat wil zeggen, afstammelingen die volledig identiek zijn aan het prototype). De eerste kloonervaring werd uitgevoerd op planten die vegetatief werden gekloond. Elke individuele plant die het resultaat was van klonen werd een kloon genoemd.

Tijdens het ontwikkelingsproces van de genetica begon deze term niet alleen te worden toegepast op planten, maar ook op het genetisch fokken van bacteriën.

Al aan het einde van de twintigste eeuw begonnen wetenschappers een actieve discussie over het klonen van mensen. Zo begon de term 'kloon' te worden gebruikt in de media en later in literatuur en kunst.

Wat bacteriën betreft, is klonen praktisch de enige manier waarop ze zich kunnen voortplanten. Het is "klonen van bacteriën" dat wordt gebruikt in gevallen waarin het proces kunstmatig is en wordt gecontroleerd door een persoon. Deze term verwijst niet naar de natuurlijke reproductie van micro-organismen.

genetische manipulatie

Genetische manipulatie is een kunstmatige verandering in het genotype van een micro-organisme, veroorzaakt door menselijk ingrijpen, om culturen met de nodige kwaliteiten te verkrijgen.

Genetische manipulatie houdt zich bezig met onderzoek en studie van niet alleen micro-organismen, maar ook van mensen, waarbij actief ziekten worden bestudeerd die verband houden met het immuunsysteem en oncologie.

Plantencel biotechnologie

Celbiotechnologie is gebaseerd op het gebruik van cellen, weefsels en protoplasten. Om cellen met succes te beheren, is het noodzakelijk om ze van de plant te scheiden en alle noodzakelijke voorwaarden te scheppen zodat ze met succes kunnen bestaan ​​en zich buiten het plantenlichaam kunnen voortplanten. Deze methode voor het kweken en vermenigvuldigen van cellen wordt "geïsoleerde weefselkweek" genoemd en is bijzonder belangrijk geworden vanwege de mogelijkheid van toepassing in de biotechnologie.

Biotechnologie in de moderne wereld en het menselijk leven

Het potentieel dat biotechnologie voor de mens opent, is niet alleen groot in de fundamentele wetenschap, maar ook op andere werkterreinen en kennisgebieden. Met behulp van biotechnologische methoden werd het mogelijk om alle benodigde eiwitten in massa te produceren.

De processen voor het verkrijgen van fermentatieproducten zijn veel eenvoudiger geworden. In de toekomst zal biotechnologie dieren en planten verbeteren. Wetenschappers onderzoeken mogelijkheden om erfelijke ziekten te bestrijden met behulp van genetische manipulatie.

Genetische manipulatie, als de belangrijkste richting in de biotechnologie, versnelt aanzienlijk de oplossing van het probleem van voedsel-, agrarische, energie- en milieucrises.

Biotechnologie heeft de grootste impact op medicijnen en farmaceutica. Er wordt voorspeld dat het in de toekomst mogelijk zal zijn om die ziekten te diagnosticeren en te behandelen die de status van "ongeneeslijk" hebben.

Ethische aspecten van enkele vorderingen in de biotechnologie

Nadat bekend werd dat sommige wetenschappelijke laboratoria niet alleen experimenten op menselijke embryo's uitvoerden, maar ook probeerden mensen te klonen, ontstond er een golf van verhitte discussies over dit onderwerp, niet alleen onder wetenschappers, maar ook onder gewone mensen.

In de biotechnologie zijn er twee ethische kwesties verbonden aan het klonen van mensen:

• therapeutisch klonen (kweken van menselijke embryo's voor het gebruik van hun cellen voor behandeling);
• reproductief klonen (het maken van menselijke klonen).

Moderne prestaties en problemen van biotechnologie

Met behulp van biotechnologie is en zal een groot aantal producten voor de gezondheidszorg worden verkregen, landbouw eten en chemische industrie. Het is vermeldenswaard dat veel van de producten niet op een andere manier konden worden verkregen.

Wat de problemen betreft, zijn de belangrijkste de ethische aspecten die verband houden met het feit dat de samenleving het klonen van een persoon of een menselijk embryo als negatief beschouwt en ontkent.

Huidige staat en vooruitzichten van biotechnologie

In de biotechnologie begon de tak van microbiële synthese van stoffen die waardevol zijn voor de mensheid zich actief te ontwikkelen. Dit kan een verschuiving met zich meebrengen in de verdeling van de rol van de voedselbasis op basis van planten en dieren, naar microbiële synthese.

Het verkrijgen van schone energie met behulp van biotechnologie is een ander belangrijk en veelbelovend gebied in de wetenschap.

Bedrijven die nieuwe biotechnologieën ontwikkelen

Het tijdschrift Forbes presenteerde een lijst van 's werelds meest innovatieve biotechnologiebedrijven, waaronder bedrijven als: Genentech, Novartis International AG, Merck & Co, Pfizer, Sanofi, Perrigo. Al deze bedrijven zijn direct gerelateerd aan farmaceutica en ontwikkelen zich in deze richting.

Veel van de bedrijven nemen met succes actief deel aan de ontwikkeling van de Russische biotechnologiemarkt:

1. "Novartis International AG" - het bedrijf houdt zich bezig met de ontwikkeling van vaccins en de productie van geneesmiddelen op het gebied van oncologie, een van de ondernemingen is actief in St. Petersburg.
2. "Pfizer" - produceert vrij verkrijgbare medicijnen in verschillende takken van de geneeskunde. Pfizer implementeert al enkele jaren het More Than Education-programma in Rusland op basis van overeenkomsten met de Staatsuniversiteit van Moskou. MV Lomonosov en St. Petersburg State Chemical Pharmaceutical Academy.
3. "Sanofi" - het bedrijf houdt zich bezig met de productie van geneesmiddelen voor de behandeling van diabetes en sclerose. De unieke onderneming van het bedrijf, de Sanofi-Aventis Vostok, een fabriek voor insulineproductie met volledige cyclus, is met succes actief in Rusland.

In Rusland is een speciale rol weggelegd voor het Cluster of Biomedical Technologies van het Skolkovo Innovation Center, JSC RVC en JSC Rusnano. Farmaceutische en medische biotechnologieën worden behandeld door Akrikhin OJSC, Geropharm LLC, Scientific and Production Company Litekh. centrum geavanceerde technologie Himrar brengt hightech-organisaties samen die leiding geven aan de ontwikkeling en productie van 14 innovatieve bedrijven die geneesmiddelen ontwikkelen op basis van de nieuwste "post-genomische" technologieën.

Daarnaast zijn er jonge startups die nieuwe biotechnologieën ontwikkelen:

• 3D Bioprinting Solutions creëert organen uit de stamcellen van de patiënt op basis van 3D bioprinting;
• "BioMicroGels" biedt ontwikkelingen op het gebied van water- en bodemzuivering met behulp van microgels.
• Biomedische holding "Atlas" analyseert de microbiota van het lichaam als onderdeel van het "OhmyGut"-project.

Lees onze andere artikelen:

Biotechnologie is een discipline die de mogelijkheden bestudeert om levende organismen, hun systemen of producten van hun vitale activiteit te gebruiken om technologische problemen op te lossen, evenals de mogelijkheid om levende organismen met de nodige eigenschappen te creëren door middel van genetische manipulatie.

Biotechnologie wordt vaak aangeduid als het gebruik van genetische manipulatie in de 20e en 21e eeuw, maar de term verwijst ook naar een bredere reeks processen voor het aanpassen van biologische organismen om aan de menselijke behoeften te voldoen, te beginnen met de wijziging van planten en gedomesticeerde dieren door middel van kunstmatige selectie en hybridisatie. Met behulp van moderne methoden heeft de traditionele biotechnologische productie de kwaliteit van voedingsproducten kunnen verbeteren en de productiviteit van levende organismen kunnen verhogen.

Biotechnologie is gebaseerd op genetica, moleculaire biologie, biochemie, embryologie en celbiologie, evenals toegepaste disciplines - chemische en informatietechnologie en robotica.

Geschiedenis van de biotechnologie.

De wortels van biotechnologie gaan terug tot het verre verleden en worden geassocieerd met bakken, wijnmaken en andere kookmethoden, bekend bij de mens zelfs in de oudheid. Een biotechnologisch proces als fermentatie met de deelname van micro-organismen was bijvoorbeeld bekend en werd veel gebruikt in het oude Babylon, zoals blijkt uit de beschrijving van de bereiding van bier, die ons is overgeleverd als een record op een tablet dat in 1981 werd gevonden tijdens opgravingen in Babylon. Biotechnologie werd een wetenschap dankzij het onderzoek en het werk van de Franse wetenschapper, de grondlegger van de moderne microbiologie en immunologie, Louis Pasteur (1822-1895). De term "biotechnologie" werd voor het eerst gebruikt door de Hongaarse ingenieur Karl Ereki in 1917.

In de 20e eeuw was er een snelle ontwikkeling van moleculaire biologie en genetica met behulp van de verworvenheden van scheikunde en natuurkunde. De belangrijkste onderzoekslijn was de ontwikkeling van methoden voor het kweken van plantaardige en dierlijke cellen. En als tot voor kort alleen bacteriën en schimmels werden gekweekt voor industriële doeleinden, is het nu mogelijk om niet alleen cellen te kweken voor de productie van biomassa, maar ook om hun ontwikkeling te beheersen, vooral in planten. Zo zijn nieuwe wetenschappelijke en technologische benaderingen belichaamd in de ontwikkeling van biotechnologische methoden die het mogelijk maken om genen direct te manipuleren, nieuwe producten en organismen te creëren en de eigenschappen van bestaande te veranderen. Het belangrijkste doel van het toepassen van deze methoden is een vollediger gebruik van het potentieel van levende organismen in het belang van: economische activiteit persoon.
In de jaren zeventig verschenen belangrijke gebieden van de biotechnologie als genetische (of genetische) en celtechnologie en werden actief ontwikkeld, wat de basis legde voor een "nieuwe" biotechnologie, in tegenstelling tot de "oude" biotechnologie die gebaseerd was op traditionele microbiologische processen. De gebruikelijke productie van alcohol in het fermentatieproces is dus een "oude" biotechnologie, maar het gebruik van gist in dit proces, verbeterd door genetische manipulatie om de opbrengst aan alcohol te verhogen, is een "nieuwe" biotechnologie.

Dus, in 1814, ontdekte de St. Petersburgse academicus K. S. Kirchhoff (biografie) het fenomeen van biologische katalyse en probeerde biokatalytisch suiker te verkrijgen uit beschikbare binnenlandse grondstoffen (tot het midden van de 19e eeuw werd suiker alleen verkregen uit suikerriet). In 1891, in de VS, de Japanse biochemicus Dz. Takamine kreeg het eerste patent voor het gebruik van enzympreparaten voor industriële doeleinden: de wetenschapper stelde het gebruik van diastase voor voor de versuikering van plantaardig afval.

Aan het begin van de 20e eeuw waren de fermentatie- en microbiologische industrieën actief in ontwikkeling. In dezelfde jaren werden de eerste pogingen ondernomen om de productie van antibiotica, voedingsconcentraten verkregen uit gist, vast te stellen om de fermentatie van producten van plantaardige en dierlijke oorsprong te beheersen.

Het eerste antibioticum, penicilline, werd in 1940 geïsoleerd en gezuiverd tot een acceptabel niveau, wat nieuwe uitdagingen met zich meebracht: het zoeken naar en opzetten van industriële productie van geneeskrachtige stoffen geproduceerd door micro-organismen, werken aan het verlagen van de kosten en het verhogen van het niveau van bioveiligheid van nieuwe drugs.

Naast de brede toepassing ervan in de landbouw, is op basis van genetische manipulatie een hele tak van de farmaceutische industrie ontstaan, de zogenaamde "DNA-industrie", die een van de moderne takken van de biotechnologie is. Meer dan een kwart van alle medicijnen die momenteel in de wereld worden gebruikt, bevatten ingrediënten uit planten. Genetisch gemodificeerde planten zijn een goedkope en veilige bron voor het verkrijgen van volledig functionele medicinale eiwitten (antilichamen, vaccins, enzymen, enz.) voor zowel mens als dier. Voorbeelden van toepassing van genetische manipulatie in de geneeskunde zijn ook de productie van humane insuline door gebruik te maken van genetisch gemodificeerde bacteriën, de productie van erytropoëtine (een hormoon dat de vorming van rode bloedcellen in het beenmerg stimuleert. De fysiologische rol van dit hormoon is om reguleren de productie van rode bloedcellen afhankelijk van de behoefte van het lichaam aan zuurstof) in celcultuur (d.w.z. buiten het menselijk lichaam) of nieuwe rassen van experimentele muizen voor wetenschappelijk onderzoek.

In de 20e eeuw waren in de meeste landen van de wereld de belangrijkste inspanningen van de geneeskunde gericht op het bestrijden van infectieziekten, het terugdringen van kindersterfte en het verhogen van de levensverwachting. Landen met meer ontwikkelde gezondheidsstelsels zijn in deze richting zo succesvol geweest dat ze het mogelijk hebben gevonden om de aandacht te verleggen naar de behandeling van chronische ziekten, ziekten van het cardiovasculaire systeem en oncologische ziekten, aangezien deze groepen ziekten verantwoordelijk waren voor de grootste procentuele toename bij sterfelijkheid.

Op dit moment zijn er al praktische mogelijkheden om aanzienlijk te verminderen of te corrigeren negatieve impact erfelijke factoren. Medische genetica heeft uitgelegd dat de oorzaak van veel genmutaties de interactie is met ongunstige omgevingsomstandigheden, en daarom beslissend: ecologische problemen kan de incidentie van kanker, allergieën, hart- en vaatziekten, diabetes, geestesziekten en zelfs sommige infectieziekten verminderen. Tegelijkertijd konden wetenschappers de genen identificeren die verantwoordelijk zijn voor de manifestatie van verschillende pathologieën en die bijdragen aan een toename van de levensverwachting. Bij gebruik van medische genetica mooie resultaten verkregen bij de behandeling van 15% van de ziekten, is er in verhouding tot bijna 50% van de ziekten een significante verbetering.

Zo hebben belangrijke prestaties in de genetica het niet alleen mogelijk gemaakt om het moleculaire niveau van het bestuderen van de genetische structuren van het lichaam te bereiken, maar ook om de essentie van veel ernstige menselijke ziekten te onthullen, om dicht bij gentherapie te komen.

Klonen is een van de methoden die in de biotechnologie worden gebruikt om identieke nakomelingen te produceren door middel van ongeslachtelijke voortplanting. Anders kan klonen worden gedefinieerd als het proces waarbij genetisch identieke kopieën van een enkele cel of organisme worden gemaakt. Dat wil zeggen, de organismen die als resultaat van klonen zijn verkregen, lijken niet alleen qua uiterlijk op elkaar, maar ook de genetische informatie die erin is ingebed is absoluut hetzelfde.

Het schaap Dolly werd in 1997 het eerste kunstmatig gekloonde meercellige organisme. In 2007 kende een van de makers van het gekloonde schaap, Elizabeth II, een ridderorde toe voor deze wetenschappelijke prestatie.

Prestaties in de biotechnologie.

Er zijn al transgene muizen, konijnen, varkens, schapen verkregen, in het genoom waarvan vreemde genen van verschillende oorsprong werken, waaronder genen van bacteriën, gisten, zoogdieren, mensen, maar ook transgene planten met genen van andere, niet-verwante soorten. Zo is er de laatste jaren een nieuwe generatie transgene planten ontstaan, die zich kenmerken door waardevolle eigenschappen als resistentie tegen herbiciden, insecten, etc.

Tot op heden hebben genetische manipulatiemethoden het mogelijk gemaakt om in industriële hoeveelheden hormonen zoals insuline, interferon en somatotropine (groeihormoon) te synthetiseren, die nodig zijn voor de behandeling van een aantal menselijke genetische ziekten - diabetes mellitus, bepaalde soorten kwaadaardige tumoren , dwerggroei,

Met behulp van genetische methoden werden ook stammen van micro-organismen (Ashbya gossypii, Pseudomonas denitrificans, enz.) verkregen, die tienduizenden keren meer vitamines (C, B 3, B 13, enz.) produceren dan de oorspronkelijke vormen.

Een zeer belangrijk gebied van celtechnologie wordt geassocieerd met de vroege stadia van embryogenese. Bijvoorbeeld, in vitro bevruchting van eieren maakt het nu al mogelijk om enkele veelvoorkomende vormen van onvruchtbaarheid bij mensen te overwinnen.

Het is voordelig om plantencelcultuur te gebruiken voor de snelle vermeerdering van langzaam groeiende planten - ginseng, oliepalm, frambozen, perziken, enz.

Al vele jaren worden door biotechnologen ontwikkelde biologische methoden gebruikt om het probleem van milieuvervuiling op te lossen. Zo worden bacteriën van de geslachten Rhodococcus en Nocardia met succes gebruikt voor emulgering en sorptie van oliekoolwaterstoffen uit aquatisch milieu. Ze zijn in staat om water- en oliefasen te scheiden, olie te concentreren en afvalwater te zuiveren van olie-onzuiverheden.

Bibliografie.

1) NA Lemeza, LV Kamlyuk N.D. Lisov "Handboek biologie voor aanvragers van universiteiten"

Autonome non-profitorganisatie

KALININGRAD BUSINESS COLLEGE

Afdeling Informele Vormen van Onderwijs

abstract

Over het onderwerp: Problemen en prestaties van de moderne biotechnologie

Per discipline: natuurwetenschap

Ingevuld door een student

groep 14-ZG-1

Gerner EA

Gecontroleerd:

Vasilenko N.A.

Kaliningrad 2015

Invoering

Grootste deel

1.1 Praktische vooruitgang in de biotechnologie

2 Biologie en vergroening

1.3 Vooruitzichten voor de ontwikkeling van biotechnologie

1.4 Toepassingen van biotechnologie

1.5 Belang van biotechnologie voor geneeskunde

Gevolgtrekking

Lijst met gebruikte bronnen

Invoering

In mijn werk onthul ik het onderwerp van biotechnologische prestaties. De mogelijkheden die het voor de mensheid opent, zowel op het gebied van fundamentele wetenschap als op vele andere gebieden, zijn zeer groot en vaak zelfs revolutionair.

Biotechnologie is een vakgebied menselijke activiteit, die wordt gekenmerkt door het brede gebruik van biologische systemen van alle niveaus in een breed scala van gebieden van wetenschap, industriële productie, geneeskunde, landbouw en andere gebieden.

Biotechnologie verschilt in de eerste plaats van landbouwtechnologieën door het brede gebruik van micro-organismen: prokaryoten (bacteriën, actinomyceten), schimmels en algen. Dit komt door het feit dat micro-organismen een breed scala aan biochemische reacties kunnen uitvoeren.

Traditionele biotechnologieën zijn ontwikkeld op basis van de empirische ervaring van vele generaties mensen, ze worden gekenmerkt door conservatisme en relatief lage efficiëntie. In de 19e-20e eeuw begonnen zich echter technologieën van een hoger niveau te vormen op basis van traditionele biotechnologieën: technologieën voor het verbeteren van de bodemvruchtbaarheid, technologieën voor biologische afvalwaterzuivering, technologieën voor de productie van biobrandstoffen.

De relevantie van het gekozen onderwerp ligt in het feit dat biotechnologie als een kennisgebied en een zich dynamisch ontwikkelende industriële sector is ontworpen om veel belangrijke problemen van onze tijd op te lossen, met behoud van een evenwicht in het systeem van relaties "mens - natuur - samenleving" , omdat biologische technologieën (biotechnologieën) gebaseerd op het gebruik van het potentieel van de levenden per definitie gericht zijn op de vriendelijkheid en harmonie van een persoon met de wereld om hem heen.

De nieuwigheid van het werk ligt in het feit dat het gaat over het feit dat biotechnologie een van de belangrijkste richtingen is van wetenschappelijke en technologische vooruitgang, die actief bijdraagt ​​aan de versnelling van de oplossing van vele problemen, zoals voedsel, landbouw, energie en milieuproblemen.

De praktische betekenis van het werk ligt in het feit dat het ons in staat zal stellen de evolutie van de biotechnologie te volgen.

Het doel van het werk is om te bewijzen dat geavanceerde biotechnologieën een belangrijke rol kunnen spelen bij het verbeteren van de kwaliteit van leven en de menselijke gezondheid.

De praktische betekenis van biotechnologie onthullen.

De vooruitzichten voor de ontwikkeling van de biotechnologie identificeren.

Onderzoeksmethoden:

1.Analyse van literaire bronnen.

2.Generalisatie van informatie.

1. Hoofdgedeelte:

1.1 Praktische vooruitgang in de biotechnologie

Met behulp van biotechnologie zijn er veel producten verkregen voor de gezondheidszorg, de landbouw, de voedingsmiddelenindustrie en de chemische industrie.

Bovendien is het belangrijk dat veel ervan niet kunnen worden verkregen zonder het gebruik van biotechnologische methoden.

Vooral hoge verwachtingen worden geassocieerd met pogingen om micro-organismen en celculturen te gebruiken om milieuvervuiling en energieproductie te verminderen.

In de moleculaire biologie maakt het gebruik van biotechnologische methoden het mogelijk om de structuur van het genoom te bepalen, het mechanisme van genexpressie te begrijpen, celmembranen te modelleren om hun functies te bestuderen, enz.

De constructie van de noodzakelijke genen door middel van genetische en celmanipulatie maakt het mogelijk om de erfelijkheid en vitale activiteit van dieren, planten en micro-organismen te beheersen en organismen te creëren met nieuwe eigenschappen die nuttig zijn voor de mens, niet eerder waargenomen in de natuur.

De microbiologische industrie gebruikt momenteel duizenden stammen van verschillende micro-organismen. In de meeste gevallen worden ze verbeterd door geïnduceerde mutagenese en daaropvolgende selectie. Dit maakt grootschalige synthese van verschillende stoffen mogelijk.

Sommige eiwitten en secundaire metabolieten kunnen alleen worden verkregen door eukaryote cellen te kweken. Plantencellen kunnen dienen als een bron van een aantal verbindingen - atropine, nicotine, alkaloïden, saponinen, enz.

In de biochemie, microbiologie en cytologie zijn methoden voor het immobiliseren van zowel enzymen als hele cellen van micro-organismen, planten en dieren van onbetwistbaar belang.

In de diergeneeskunde worden biotechnologische methoden zoals cel- en embryocultuur, in vitro oögenese en kunstmatige inseminatie veel gebruikt.

Dit alles wijst erop dat biotechnologie niet alleen een bron zal worden van nieuwe voedingsmiddelen en medicijnen, maar ook van het verkrijgen van energie en nieuwe chemicaliën, evenals van organismen met gewenste eigenschappen.

.2 Biologie en vergroening

Momenteel worden de ideeën van vergroening en, in bredere zin, biologisering van alle economische en productieactiviteiten steeds populairder.

Onder vergroening, als de eerste fase van biologisering, kan men de vermindering van schadelijke productie-emissies in het milieu, het creëren van afvalarme en afvalvrije industriële complexen met een gesloten kringloop, enz. begrijpen.

Biologisering moet ruimer worden begrepen als een radicale transformatie van productieactiviteit op basis van de biologische wetten van de biotische cyclus van de biosfeer.

Het doel van een dergelijke transformatie zou de integratie van alle economische en productieactiviteiten in de biotische cyclus moeten zijn.

Deze behoefte is vooral duidelijk zichtbaar bij het fenomeen van strategische hulpeloosheid van chemische gewasbescherming:

Feit is dat er op dit moment geen enkel bestrijdingsmiddel ter wereld is waaraan plagen van planten zich niet hebben aangepast.

Bovendien komt de regelmaat van een dergelijke aanpassing nu duidelijk naar voren: als in 1917. verscheen één soort insecten aangepast aan DDT, toen in 1980. er zijn 432 van dergelijke soorten.

De toegepaste pesticiden en herbiciden zijn uiterst schadelijk, niet alleen voor de hele dierenwereld, maar ook voor de mens.

Op dezelfde manier wordt de strategische zinloosheid van het gebruik van kunstmest nu duidelijk. Onder deze omstandigheden is de overgang naar biologische gewasbescherming en bio-organische technologie met een minimum aan kunstmest heel natuurlijk.

Biotechnologie kan een beslissende rol spelen in het proces van biologisering van de landbouw.

Het is mogelijk en noodzakelijk om te praten over de biologisering van technologie, industriële productie en energie.

De bloeiende bio-energie-industrie belooft revolutionaire verandering, aangezien ze zich richt op hernieuwbare energie en grondstoffen.

.3 Vooruitzichten voor de ontwikkeling van biotechnologie

Het centrale probleem van biotechnologie is de intensivering van bioprocessen, zowel door het vergroten van het potentieel van biologische agentia en hun systemen, als door het verbeteren van apparatuur, met behulp van biokatalysatoren (geïmmobiliseerde enzymen en cellen) in de industrie, analytische chemie en geneeskunde.

Het industriële gebruik van de verworvenheden van de biologie is gebaseerd op de techniek van het creëren van recombinante DNA-moleculen.

De constructie van de nodige genen stelt u in staat om de erfelijkheid en vitale activiteit van dieren, planten en micro-organismen te beheersen en organismen met nieuwe eigenschappen te creëren.

In het bijzonder is het mogelijk om het proces van het fixeren van stikstof uit de lucht en de overdracht van de overeenkomstige genen van microbiële cellen naar het plantencelgenoom te controleren.

Als bronnen van grondstoffen voor biotechnologie zijn alle grotere waarde verwerft hernieuwbare bronnen van non-food plantaardig materiaal, landbouwafval, die dienen als een aanvullende bron van zowel voedermiddelen als secundaire brandstof (biogas) en organische meststoffen.

Een van de zich snel ontwikkelende takken van de biotechnologie is de technologie van microbiële synthese van stoffen die waardevol zijn voor de mens. Volgens prognoses zal de verdere ontwikkeling van deze industrie leiden tot een herverdeling van rollen in de vorming van de voedselbasis van de mensheid - plantengroei en veeteelt enerzijds en microbiële synthese anderzijds.

Een even belangrijk aspect van moderne microbiologische technologie is de studie van de deelname van micro-organismen aan biosferische processen en de gerichte regulering van hun vitale activiteit om het probleem van de bescherming van het milieu tegen technogene, landbouwkundige en huishoudelijke vervuiling op te lossen.

Dit probleem hangt nauw samen met onderzoek naar het identificeren van de rol van micro-organismen bij bodemvruchtbaarheid (humusvorming en aanvulling van biologische stikstofreserves), bestrijding van plagen en ziekten van landbouwgewassen, gebruik van pesticiden en andere chemische bestanddelen in de grond.

De kennis die op dit gebied beschikbaar is, geeft aan dat een verandering in de strategie van menselijke economische activiteit van chemicalisatie naar biologisering van de landbouw zowel vanuit economisch als ecologisch oogpunt gerechtvaardigd is.

In deze richting kan biotechnologie het doel van landschapsvernieuwing worden.

Er wordt gewerkt aan biopolymeren die moderne kunststoffen kunnen vervangen. Deze biopolymeren hebben een aanzienlijk voordeel ten opzichte van traditionele materialen, omdat ze niet giftig en biologisch afbreekbaar zijn, dat wil zeggen dat ze na gebruik gemakkelijk ontleden zonder het milieu te vervuilen.

Biotechnologieën gebaseerd op de verworvenheden van de microbiologie zijn het meest kosteneffectief wanneer ze op een complexe manier worden toegepast en wanneer afvalvrije productiefaciliteiten worden gecreëerd die het ecologische evenwicht niet verstoren.

Hun ontwikkeling zal het mogelijk maken om veel enorme fabrieken in de chemische industrie te vervangen door milieuvriendelijke compacte productiefaciliteiten.

Een belangrijk en veelbelovend gebied van biotechnologie is de ontwikkeling van methoden voor het verkrijgen van milieuvriendelijke energie.

De productie van biogas en ethanol is hierboven besproken, maar er zijn ook fundamenteel nieuwe experimentele benaderingen in deze richting.

Een daarvan is de productie van fotowaterstof:

"Als membranen met fotosysteem 2 worden geïsoleerd uit chloroplasten, vindt fotolyse van water plaats in het licht - de ontbinding ervan in zuurstof en waterstof. Modellering van de processen van fotosynthese die plaatsvinden in chloroplasten zou het mogelijk maken om de energie van de zon op te slaan in waardevolle brandstof - waterstof.

De voordelen van deze methode om energie te verkrijgen liggen voor de hand:

de aanwezigheid van een teveel aan substraat, water;

onbeperkte energiebron - de zon;

het product (waterstof) kan worden opgeslagen zonder de atmosfeer te vervuilen;

waterstof heeft een hoge calorische waarde(29 kcal/g) vergeleken met koolwaterstoffen (3,5 kcal/g);

het proces verloopt bij normale temperatuur zonder de vorming van giftige tussenproducten;

het proces is cyclisch, omdat het verbruik van waterstof het substraat regenereert - water.

.4 Toepassing van biotechnologie

Mensen hebben altijd nagedacht over hoe je de natuur kunt leren beheersen en zochten naar manieren om bijvoorbeeld planten te verkrijgen met verbeterde eigenschappen: met hoge opbrengsten, grotere en smakelijkere vruchten, of met een verhoogde koudebestendigheid. Selectie is al sinds de oudheid de belangrijkste methode die hiervoor wordt gebruikt. Het is tot op heden veel gebruikt en is gericht op het creëren van nieuwe en het verbeteren van bestaande variëteiten van gekweekte planten, rassen van huisdieren en stammen van micro-organismen met eigenschappen en eigenschappen die waardevol zijn voor de mens.

Veredeling is gebaseerd op de selectie van planten (dieren) met uitgesproken gunstige eigenschappen en verdere kruising van dergelijke organismen, terwijl genetische manipulatie u in staat stelt rechtstreeks te interfereren met het genetische apparaat van de cel. Het is belangrijk op te merken dat het in de loop van de traditionele fokkerij erg moeilijk is om hybriden te verkrijgen met de gewenste combinatie van nuttige eigenschappen, aangezien zeer grote fragmenten van het genoom van elk van de ouders worden overgedragen aan de nakomelingen, terwijl genetische manipulatiemethoden het is mogelijk om het vaakst met een of meerdere genen te werken, en hun modificaties hebben geen invloed op het werk van andere genen. Hierdoor is het mogelijk om, zonder andere nuttige eigenschappen van de plant te verliezen, één of meer nuttige eigenschappen toe te voegen, wat zeer waardevol is voor het creëren van nieuwe variëteiten en nieuwe vormen van planten. Het werd mogelijk om planten te veranderen, bijvoorbeeld de weerstand tegen klimaat en stress, of hun gevoeligheid voor insecten of ziekten die in bepaalde regio's voorkomen, voor droogte, enz. Wetenschappers hopen zelfs zulke boomsoorten te krijgen die bestand zijn tegen branden. Er wordt uitgebreid onderzoek gedaan om de voedingswaarde van verschillende gewassen zoals maïs, sojabonen, aardappelen, tomaten, erwten, enz. te verbeteren.

Historisch gezien zijn er "drie golven" bij het creëren van genetisch gemodificeerde planten:

De tweede golf - het begin van de jaren 2000 - de creatie van planten met nieuwe consumenteneigenschappen: oliezaden met een hoog gehalte en een gewijzigde samenstelling van oliën, fruit en groenten met een hoog gehalte aan vitamines, meer voedzame granen, enz.

Tegenwoordig creëren wetenschappers fabrieken van de "derde golf", die de komende 10 jaar op de markt zullen verschijnen: vaccinfabrieken, bioreactorfabrieken voor de productie van industriële producten (componenten voor verschillende soorten plastic, kleurstoffen, technische oliën, enz. .), planten - medicijnfabrieken, enz.

Genetische manipulatie in de veehouderij heeft een andere taak. Een volledig haalbare doelstelling met de huidige stand van de techniek is het creëren van transgene dieren met een specifiek doelwitgen. Het gen voor een waardevol dierlijk hormoon (bijvoorbeeld groeihormoon) wordt bijvoorbeeld kunstmatig geïntroduceerd in een bacterie, die het in grote hoeveelheden begint te produceren. Een ander voorbeeld: transgene geiten kunnen door de introductie van het overeenkomstige gen een specifiek eiwit produceren, factor VIII, dat bloedingen bij patiënten met hemofilie voorkomt, of een enzym, trombokinase, dat de resorptie van een bloedstolsel in het bloed bevordert bloedvaten, wat belangrijk is voor de preventie en behandeling van tromboflebitis bij mensen. Transgene dieren produceren deze eiwitten veel sneller en de methode zelf is veel goedkoper dan de traditionele.

Aan het einde van de jaren 90 van de XX eeuw. Amerikaanse wetenschappers zijn dicht bij het verkrijgen van landbouwhuisdieren gekomen door embryonale cellen te klonen, hoewel deze richting nog serieus onderzoek behoeft. Maar bij xenotransplantatie - de transplantatie van organen van het ene type levend organisme naar het andere - zijn ongetwijfeld resultaten geboekt. Grootste successen verkregen door varkens met overgedragen menselijke genen in het genotype te gebruiken als donoren van verschillende organen. In dit geval is er een minimaal risico op orgaanafstoting.

Wetenschappers suggereren ook dat genoverdracht de allergie van een persoon voor koemelk zal helpen verminderen. Gerichte veranderingen in het DNA van koeien moeten ook leiden tot een verlaging van het gehalte aan verzadigde vetzuren en cholesterol in melk, waardoor het nog gunstiger wordt voor de gezondheid. Het potentiële gevaar van het gebruik van genetisch gemodificeerde organismen komt tot uiting in twee aspecten: voedselveiligheid voor de menselijke gezondheid en gevolgen voor het milieu. Dus mijlpaal bij het maken van een genetisch gemodificeerd product moet dit uitgebreid worden onderzocht om het risico te vermijden dat het product eiwitten bevat die allergieën, giftige stoffen of nieuwe gevaarlijke componenten veroorzaken.

.5 Belang van biotechnologie voor geneeskunde

biotechnologie bioproces farmaceutisch

Naast het wijdverbreide gebruik in de landbouw, is er een hele tak van de farmaceutische industrie ontstaan ​​op basis van genetische manipulatie, genaamd DNA-industrie en vertegenwoordigt een van de moderne takken van biotechnologie. Meer dan een kwart van alle medicijnen die momenteel in de wereld worden gebruikt, bevatten ingrediënten uit planten. Genetisch gemodificeerde planten zijn een goedkope en veilige bron voor het verkrijgen van volledig functionele medicinale eiwitten (antilichamen, vaccins, enzymen, enz.) voor zowel mens als dier. Voorbeelden van toepassing van genetische manipulatie in de geneeskunde zijn ook de productie van humane insuline door gebruik te maken van genetisch gemodificeerde bacteriën, de productie van erytropoëtine (een hormoon dat de vorming van rode bloedcellen in het beenmerg stimuleert. De fysiologische rol van dit hormoon is om reguleren de productie van rode bloedcellen afhankelijk van de behoefte van het lichaam aan zuurstof) in celcultuur (d.w.z. buiten het menselijk lichaam) of nieuwe rassen van experimentele muizen voor wetenschappelijk onderzoek.

De ontwikkeling van genetische manipulatiemethoden op basis van de creatie van recombinant DNA heeft geleid tot de "biotechnologische boom" waarvan we getuige zijn. Dankzij de prestaties van de wetenschap op dit gebied is het niet alleen mogelijk geworden om "biologische reactoren", transgene dieren, genetisch gemodificeerde planten te creëren, maar ook om genetische certificering uit te voeren (een volledige studie en analyse van het menselijke genotype, meestal uitgevoerd onmiddellijk na de geboorte uit om de aanleg voor verschillende ziekten vast te stellen, een mogelijk ontoereikende (allergische) reactie op bepaalde medicijnen, evenals een neiging tot bepaalde activiteiten). Genetische certificering maakt het mogelijk de risico's van cardiovasculaire en oncologische ziekten te voorspellen en te verminderen, neurodegeneratieve ziekten en verouderingsprocessen te onderzoeken en te voorkomen, de neurofysiologische kenmerken van een persoon op moleculair niveau te analyseren), genetische ziekten te diagnosticeren, DNA-vaccins te creëren, gentherapie voor verschillende ziekten, enz. .

In de 20e eeuw waren in de meeste landen van de wereld de belangrijkste inspanningen van de geneeskunde gericht op het bestrijden van infectieziekten, het terugdringen van kindersterfte en het verhogen van de levensverwachting. Landen met meer ontwikkelde gezondheidsstelsels zijn in deze richting zo succesvol geweest dat ze het mogelijk hebben gevonden om de aandacht te verleggen naar de behandeling van chronische ziekten, ziekten van het cardiovasculaire systeem en oncologische ziekten, aangezien deze groepen ziekten verantwoordelijk waren voor de grootste procentuele toename bij sterfelijkheid.

Tegelijkertijd werd gezocht naar nieuwe methoden en benaderingen. Het was essentieel dat de wetenschap de significante rol van erfelijke aanleg bij het optreden van wijdverbreide ziekten als coronaire hartziekte, hypertensie, maagzweer van de maag en twaalfvingerige darm, psoriasis, bronchiale astma, enz. bewees. Het werd duidelijk dat voor de effectieve behandeling en preventie van deze ziekten die voorkomen in de praktijk van artsen van alle specialismen, is het noodzakelijk om de mechanismen van interactie tussen omgevingsfactoren en erfelijke factoren bij het optreden en de ontwikkeling ervan te kennen, en bijgevolg is verdere vooruitgang in de gezondheidszorg onmogelijk zonder de ontwikkeling van biotechnologische methoden in de geneeskunde. In de afgelopen jaren zijn het deze gebieden die als prioriteit worden beschouwd en zich snel ontwikkelen.

De relevantie van betrouwbaar genetisch onderzoek op basis van biotechnologische benaderingen is ook duidelijk omdat er tot nu toe meer dan 4.000 erfelijke ziekten bekend zijn. Ongeveer 5-5,5% van de kinderen wordt geboren met erfelijke of aangeboren ziekten. Minstens 30% van de kindersterfte tijdens de zwangerschap en in de periode na de bevalling is te wijten aan aangeboren afwijkingen en erfelijke ziekten. Na 20-30 jaar beginnen veel ziekten te verschijnen, waarvoor een persoon alleen een erfelijke aanleg had. Dit gebeurt onder invloed van verschillende omgevingsfactoren: leefomstandigheden, slechte gewoontes, complicaties na ziekte, enz.

Op dit moment zijn er al praktische mogelijkheden gebleken om de negatieve invloed van erfelijke factoren aanzienlijk te verminderen of te corrigeren. Medische genetica legde uit dat de oorzaak van veel genmutaties de interactie met ongunstige omgevingsomstandigheden is, en daarom is het door het oplossen van milieuproblemen mogelijk om de incidentie van kanker, allergieën, hart- en vaatziekten, diabetes, geestesziekten en zelfs sommige infectieziekten te verminderen . Tegelijkertijd konden wetenschappers de genen identificeren die verantwoordelijk zijn voor de manifestatie van verschillende pathologieën en die bijdragen aan een toename van de levensverwachting. Bij gebruik van de methoden van medische genetica werden goede resultaten verkregen bij de behandeling van 15% van de ziekten, met betrekking tot bijna 50% van de ziekten wordt een significante verbetering waargenomen.

Zo hebben belangrijke prestaties in de genetica het niet alleen mogelijk gemaakt om het moleculaire niveau van het bestuderen van de genetische structuren van het lichaam te bereiken, maar ook om de essentie van veel ernstige menselijke ziekten te onthullen, om dicht bij gentherapie te komen.

Daarnaast zijn er op basis van medisch-genetische kennis mogelijkheden ontstaan ​​voor vroege diagnostiek van erfelijke ziekten en tijdige preventie van erfelijke pathologie.

Het belangrijkste gebied van de medische genetica op dit moment is de ontwikkeling van nieuwe methoden voor het diagnosticeren van erfelijke ziekten, waaronder ziekten met een erfelijke aanleg. Tegenwoordig wordt niemand verrast door pre-implantatiediagnostiek - een methode voor het diagnosticeren van een embryo in een vroeg stadium van de intra-uteriene ontwikkeling, wanneer een geneticus, die slechts één cel van een toekomstig kind extraheert met een minimale bedreiging voor zijn leven, een nauwkeurige diagnose stelt of waarschuwt voor erfelijke aanleg voor een bepaalde ziekte.

Als theoretische en klinische discipline blijft de medische genetica zich snel ontwikkelen in verschillende richtingen: de studie van het menselijk genoom, cytogenetica, moleculaire en biochemische genetica, immunogenetica, ontwikkelingsgenetica, populatiegenetica en klinische genetica.

Dankzij het toenemende gebruik van biotechnologische methoden in de farmacie en de geneeskunde is een nieuw concept van "gepersonaliseerde geneeskunde" ontstaan, waarbij de behandeling van een patiënt wordt uitgevoerd op basis van zijn individu, inclusief genetische kenmerken, en zelfs de medicijnen die worden gebruikt in het behandelingsproces wordt voor elke specifieke patiënt individueel gemaakt, rekening houdend met zijn toestand. De opkomst van dergelijke medicijnen werd met name mogelijk door het gebruik van een dergelijke biotechnologische methode als hybridisatie (kunstmatige fusie) van cellen. De processen van celhybridisatie en de productie van hybriden zijn nog niet volledig bestudeerd en ontwikkeld, maar het is belangrijk dat het met hun hulp mogelijk werd om monoklonale antilichamen te produceren. Monoklonale antilichamen zijn speciale "beschermende" eiwitten die worden geproduceerd door cellen van het menselijk immuunsysteem als reactie op het verschijnen van vreemde stoffen (antigenen genaamd) in het bloed: bacteriën, virussen, vergiften, enz. Monoklonale antilichamen hebben een buitengewone, unieke specificiteit en elk antilichaam herkent alleen zijn eigen antigeen, bindt eraan en maakt het veilig voor mensen. In de moderne geneeskunde worden monoklonale antilichamen veel gebruikt voor diagnostische doeleinden. Momenteel worden ze ook gebruikt als zeer effectieve geneesmiddelen voor de individuele behandeling van patiënten die lijden aan ernstige ziekten zoals kanker, AIDS, enz.

Gevolgtrekking

Op basis van het voorgaande kunnen we concluderen dat geavanceerde biotechnologieën een belangrijke rol kunnen spelen bij het verbeteren van de kwaliteit van leven en de menselijke gezondheid, en zorgen voor de economische en sociale groei van staten (vooral in ontwikkelingslanden).

Met behulp van biotechnologie, nieuwe diagnostiek, vaccins en medicijnen. Biotechnologie kan de productiviteit van belangrijke graangewassen helpen verhogen, wat vooral belangrijk is in verband met de groei van de wereldbevolking. In veel landen waar grote hoeveelheden biomassa niet of niet volledig worden gebruikt, zou biotechnologie manieren kunnen bieden om deze om te zetten in waardevolle producten en om ze te verwerken met behulp van biotechnologische methoden om verschillende soorten biobrandstoffen te produceren. Bovendien, bij goede planning en beheer, kan biotechnologie in kleine regio's worden gebruikt als een instrument voor de industrialisering van plattelandsgebieden om kleine industrieën te creëren, die een actievere ontwikkeling van lege gebieden zullen garanderen en het werkgelegenheidsprobleem zullen oplossen.

Een kenmerk van de ontwikkeling van biotechnologie in de 21e eeuw is niet alleen de snelle groei als toegepaste wetenschap, het wordt steeds meer opgenomen in het dagelijks leven van een persoon, en wat nog belangrijker is - het bieden van uitzonderlijke kansen voor de effectieve (intensieve, niet omvangrijk) ontwikkeling van bijna alle sectoren van de economie, een noodzakelijke voorwaarde wordt voor de duurzame ontwikkeling van de samenleving, en heeft dus een transformerend effect op het paradigma van de ontwikkeling van de samenleving als geheel.

De wijdverbreide penetratie van biotechnologie in de wereldeconomie wordt weerspiegeld in het feit dat er zelfs nieuwe termen zijn gevormd om globaliteit aan te duiden. dit proces. Zo begon het gebruik van biotechnologische methoden in de industriële productie "witte biotechnologie" te worden genoemd, in de farmaceutische productie en geneeskunde - "rode biotechnologie", in de landbouwproductie en veeteelt - "groene biotechnologie", en voor de kunstmatige teelt en verdere verwerking van aquatische organismen (aquacultuur of maricultuur) - "blauwe biotechnologie". En de economie die al deze innovatieve gebieden integreert, wordt "bio-economie" genoemd. De taak om over te stappen van een traditionele economie naar een nieuw type economie - een bio-economie die gebaseerd is op innovaties en op grote schaal gebruik maakt van de mogelijkheden van biotechnologie in verschillende industrieën, maar ook in het dagelijks leven, is al uitgeroepen tot een strategisch doel in veel landen van de wereld.

Lijst met gebruikte bronnen

1.Biotechnologie. Principes en toepassing / Higgins I., Best D., Jones JM: Mir, 1988.

2. Biotechnologie van landbouwgewassen. Moskou: Agropromizdat, 1987.

3. Biotechnologie - landbouw / Lobanok A.G., Zalashko M.V., Anisimova N.I. et al. Minsk, 1988.

4. Kolesnikov, S.I. Wij dragen de basis van ecologisch natuurbeheer uit:

5. serie wiegjes / S.I. Kolesnikov. - Rostov n.v.t.: Phoenix, 2004. - 160 p.

6. Lukyanchikov, NN Economie en organisatie van natuurbeheer: een leerboek voor universiteiten / N.N. Lukyanchikov, I.M. Travny. - Ed.2e, herzien. en extra - M.: UNITI-DANA, 2002. - 454 d.

7. Protasov, V.F. Ecologie, gezondheid en milieubeheer in Rusland / V.F. Protasov, AV Molchanov - M.: Izd - in Financiën en statistiek, 1995. 528 p.

8. Rychkov R.S., Popov V.G. Ontwikkelingsvooruitzichten voor biotechnologie // Biotechnologie. Moskou: Nauka, 1984.

9. Technologie van de eenentwintigste eeuw in Rusland. Zijn of niet zijn // Wetenschap en leven. - 2001. - Nr. 1. S.3-8.

Bijles geven

Hulp nodig bij het leren van een onderwerp?

Onze experts zullen u adviseren of bijles geven over onderwerpen die u interesseren.
Dien een aanvraag in met vermelding van het onderwerp om meer te weten te komen over de mogelijkheid om een ​​consult te krijgen.

Het leerboek is in overeenstemming met de federale staat educatieve standaard gemiddeld (vol) algemene educatie aanbevolen door het Ministerie van Onderwijs en Wetenschappen van de Russische Federatie en opgenomen in de federale lijst van leerboeken.

Het leerboek is bedoeld voor leerlingen van groep 10 en is ontworpen om het vak 1 of 2 uur per week te onderwijzen.

Modern design, meerlagige vragen en taken, aanvullende informatie en de mogelijkheid van parallel werken met een elektronische applicatie dragen bij aan de effectieve assimilatie van educatief materiaal.

Wat is het belang van de selectie van micro-organismen voor industrie en landbouw?

Biotechnologie - het is het gebruik van organismen, biologische systemen of biologische processen in industriële productie. De term "biotechnologie" is wijdverbreid sinds het midden van de jaren zeventig. XX eeuw, hoewel de mensheid sinds onheuglijke tijden micro-organismen gebruikt bij het bakken en wijnmaken, bij de productie van bier en bij het maken van kaas. Elke productie op basis van een biologisch proces kan als biotechnologie worden beschouwd. Genetische, chromosoom- en celmanipulatie, het klonen van landbouwgewassen en dieren zijn verschillende aspecten van de moderne biotechnologie.

Biotechnologie maakt het niet alleen mogelijk om producten te verkrijgen die belangrijk zijn voor de mens, zoals antibiotica en groeihormoon, ethylalcohol en kefir, maar ook om organismen met vooraf bepaalde eigenschappen veel sneller te creëren dan met traditionele kweekmethoden. Er zijn biotechnologische processen voor afvalwaterzuivering, afvalverwerking, verwijdering van olielozingen in waterlichamen en brandstofproductie. Deze technologieën zijn gebaseerd op de kenmerken van de vitale activiteit van bepaalde micro-organismen.

Opkomende moderne biotechnologieën veranderen onze samenleving, openen nieuwe kansen, maar creëren tegelijkertijd bepaalde sociale en ethische problemen.

Genetische manipulatie. Handige objecten van biotechnologie zijn micro-organismen die een relatief eenvoudig georganiseerd genoom hebben, een korte levenscyclus en hebben een grote verscheidenheid aan fysiologische en biochemische eigenschappen.

Een van de oorzaken van diabetes is het gebrek aan insuline in het lichaam - een hormoon van de alvleesklier. Injecties met insuline geïsoleerd uit de pancreas van varkens en runderen redden miljoenen levens, maar leiden bij sommige patiënten tot de ontwikkeling van allergische reacties. De optimale oplossing zou zijn om humane insuline te gebruiken. Door genetische manipulatie werd het gen voor humane insuline in het DNA van Escherichia coli ingebracht. De bacterie begon actief insuline te synthetiseren. In 1982 werd humane insuline het eerste genetisch gemanipuleerde geneesmiddel.

Rijst. 107. Landen die transgene planten kweken. Bijna het hele areaal van transgene gewassen wordt ingenomen door genetisch gemodificeerde variëteiten van vier planten: sojabonen (62%), maïs (24%), katoen (9%) en koolzaad (4%). Er zijn al rassen van transgene aardappelen, tomaten, rijst, tabak, bieten en andere gewassen gemaakt

Groeihormoon wordt momenteel op een vergelijkbare manier verkregen. Een menselijk gen dat in het genoom van bacteriën is ingebracht, zorgt voor de synthese van een hormoon, waarvan injecties worden gebruikt bij de behandeling van dwerggroei en het herstel van de groei van zieke kinderen tot bijna normale niveaus.

Net als bij bacteriën kan ook het erfelijk materiaal van eukaryote organismen worden veranderd met behulp van genetische manipulatiemethoden. Deze genetisch gemodificeerde organismen heten transgeen of genetisch gemodificeerde organismen(GGO).

In de natuur is er een bacterie die een gif afgeeft dat veel schadelijke insecten doodt. Het gen dat verantwoordelijk is voor de synthese van dit toxine werd geïsoleerd uit het bacteriële genoom en geïntegreerd in het genoom van gekweekte planten. Tot op heden zijn er al ongediertebestendige variëteiten van maïs, rijst, aardappelen en andere landbouwgewassen ontwikkeld. Het kweken van dergelijke transgene planten waarvoor geen pesticiden nodig zijn, heeft enorme voordelen, omdat pesticiden ten eerste niet alleen schadelijke, maar ook nuttige insecten doden, en ten tweede omdat veel pesticiden zich ophopen in het milieu en een mutageen effect hebben op levende organismen (Fig. .107).

Een van de eerste succesvolle experimenten met het creëren van genetisch gemodificeerde dieren werd uitgevoerd op muizen, in het genoom waarvan het groeihormoongen van de rat was ingebracht. Als gevolg hiervan groeiden de transgene muizen veel sneller en werden ze twee keer zo groot als normale muizen. Als deze ervaring van uitsluitend theoretische betekenis was, dan hadden de experimenten in Canada al een duidelijke praktische toepassing. Canadese wetenschappers introduceerden het gen van een andere vis in het erfelijk materiaal van zalm, waardoor het groeihormoongen werd geactiveerd. Dit resulteerde in een zalm die 10 keer sneller groeide en meerdere keren zijn normale gewicht aannam.

Klonen. Het creëren van meerdere genetische kopieën van een enkel individu door middel van ongeslachtelijke voortplanting wordt genoemd klonen. Bij een aantal organismen kan dit proces van nature plaatsvinden, denk aan vegetatieve voortplanting bij planten en fragmentatie bij sommige dieren (). Als er per ongeluk een stukje straal afbreekt van een zeester, wordt daaruit een nieuw volwaardig organisme gevormd (fig. 108). Bij gewervelde dieren komt dit proces niet van nature voor.

Het eerste succesvolle experiment met het klonen van dieren werd eind jaren 60 uitgevoerd door de onderzoeker Gurdon. 20ste eeuw aan de Universiteit van Oxford. De wetenschapper transplanteerde een kern uit de darmepitheelcel van een albinokikker in een onbevrucht ei van een gewone kikker, waarvan de kern eerder was vernietigd. Uit zo'n ei slaagde de wetenschapper erin een kikkervisje te laten groeien, dat vervolgens in een kikker veranderde, wat een exacte kopie was van een albino-kikker. Zo werd voor het eerst aangetoond dat de informatie in de kern van een cel voldoende is voor de ontwikkeling van een volwaardig organisme.

Rijst. 108. Regeneratie van een zeester uit één straal

Verder onderzoek dat in 1996 in Schotland werd uitgevoerd, leidde tot de succesvolle klonering van het schaap Dolly uit de borstepitheelcel van de moeder (Fig. 109).

Klonen lijkt een veelbelovende methode in de veehouderij. Bij het fokken van runderen wordt bijvoorbeeld de volgende techniek gebruikt. In een vroeg ontwikkelingsstadium, wanneer de cellen van het embryo nog niet gespecialiseerd zijn, wordt het embryo opgedeeld in verschillende delen. Uit elk fragment dat bij een pleeg(draag)moeder wordt geplaatst, kan een volwaardig kalfje ontstaan. Op deze manier kunt u veel identieke kopieën maken van een enkel dier met waardevolle eigenschappen.

Voor speciale doeleinden kunnen ook enkele cellen worden gekloond, waardoor weefselculturen ontstaan ​​die in de juiste media oneindig kunnen groeien. Gekloonde cellen dienen als vervanging voor proefdieren, omdat ze kunnen worden gebruikt om de effecten op levende organismen van verschillende chemicaliën, zoals medicijnen, te bestuderen.

Bij het klonen van planten wordt gebruik gemaakt van een unieke eigenschap van plantencellen. Begin jaren 60. 20ste eeuw voor het eerst werd aangetoond dat plantencellen, zelfs na het bereiken van volwassenheid en specialisatie, onder geschikte omstandigheden, in staat zijn om een ​​​​hele plant voort te brengen (Fig. 110). Daarom maken moderne methoden van celmanipulatie het mogelijk om plantenveredeling op cellulair niveau uit te voeren, d.w.z. om geen volwassen planten met bepaalde eigenschappen te selecteren, maar cellen, waaruit vervolgens volwaardige planten worden gekweekt.

Rijst. 109. Dolly schapen klonen

Ethische aspecten van de ontwikkeling van biotechnologie. Het gebruik van moderne biotechnologieën roept veel serieuze vragen op voor de mensheid. Kan een gen dat is ingebracht in transgene tomatenplanten migreren en integreren in het genoom van bijvoorbeeld bacteriën die in de menselijke darm leven wanneer de vruchten worden gegeten? Zou een transgeen gewas dat resistent is tegen herbiciden, ziekten, droogte en andere stressoren, kruisbestuiven met verwante wilde planten, deze eigenschappen kunnen overbrengen op onkruid? Zal dit niet resulteren in "superonkruiden" die zeer snel landbouwgrond zullen bevolken? Komt de jongen van reuzenzalm per ongeluk in de open zee en verstoort dit het evenwicht in de natuurlijke populatie? Is het lichaam van transgene dieren bestand tegen de belasting die ontstaat bij het functioneren van vreemde genen? En heeft de mens het recht om levende organismen voor zijn eigen bestwil opnieuw te maken?

Deze en vele andere kwesties die verband houden met het creëren van genetisch gemodificeerde organismen worden veel besproken door experts en het publiek over de hele wereld. Speciale regelgevende instanties en commissies die in alle landen zijn opgericht, beweren dat, ondanks bestaande zorgen, er geen schadelijke effecten van GGO's op de natuur zijn vastgesteld.

Rijst. 110. Stadia van het klonen van planten (naar het voorbeeld van wortelen)

In 1996 nam de Raad van Europa het Verdrag inzake de rechten van de mens bij het gebruik van genomische technologieën in de geneeskunde aan. De focus van het document ligt op de ethiek van het gebruik van dergelijke technologieën. Er wordt beweerd dat geen enkel individu kan worden gediscrimineerd op basis van informatie over de kenmerken van zijn genoom.

Het inbrengen van vreemd genetisch materiaal in menselijke cellen kan negatieve gevolgen hebben. Het ongecontroleerd inbrengen van vreemd DNA in bepaalde delen van het genoom kan leiden tot verstoring van de genen. Het risico van het gebruik van gentherapie bij het werken met kiemcellen is veel groter dan bij het gebruik van somatische cellen. Wanneer genetische constructies in kiemcellen worden geïntroduceerd, kan een ongewenste verandering in het genoom van toekomstige generaties optreden. Daarom wordt in de internationale documenten van UNESCO, de Raad van Europa, de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) benadrukt dat elke verandering in het menselijk genoom alleen kan worden uitgevoerd op somatische cellen.

Maar misschien rijzen de meest serieuze vragen in verband met het theoretisch mogelijke klonen van mensen. Onderzoek op het gebied van het klonen van mensen is nu in alle landen verboden, voornamelijk om ethische redenen. De vorming van een persoon als persoon is niet alleen gebaseerd op erfelijkheid. Het wordt bepaald door de familie, de sociale en culturele omgeving, daarom is het bij elke kloning onmogelijk om een ​​persoonlijkheid te recreëren, net zoals het onmogelijk is om alle opvoedings- en opvoedingsvoorwaarden te reproduceren die de persoonlijkheid van zijn prototype vormden (kerndonor ). Alle grote religieuze denominaties van de wereld veroordelen elke inmenging in het proces van menselijke voortplanting, en benadrukken dat conceptie en geboorte op natuurlijke wijze moeten plaatsvinden.

Experimenten met het klonen van dieren hebben geleid tot een aantal serieuze vragen voor de wetenschappelijke gemeenschap, waarvan de oplossing afhangt van de verdere ontwikkeling van dit wetenschapsgebied. Het schaap Dolly was niet de enige kloon die door Schotse wetenschappers werd verkregen. Er waren enkele tientallen klonen en alleen Dolly overleefde. In de afgelopen jaren hebben verbeteringen in kloontechnieken het mogelijk gemaakt om het percentage overlevende klonen te verhogen, maar hun sterftecijfer is nog steeds erg hoog. Er is echter een probleem dat vanuit wetenschappelijk oogpunt nog ernstiger is. Ondanks Dolly's zegevierende geboorte, bleven haar echte biologische leeftijd, bijbehorende gezondheidsproblemen en relatief vroege dood onduidelijk. Volgens wetenschappers beïnvloedde het gebruik van de celkern van een bejaard zesjarig donorschaap het lot en de gezondheid van Dolly.

Het is noodzakelijk om de levensvatbaarheid van gekloonde organismen aanzienlijk te vergroten, om erachter te komen of het gebruik van specifieke methoden de levensverwachting, gezondheid en vruchtbaarheid van dieren beïnvloedt. Het is erg belangrijk om het risico op een gebrekkige ontwikkeling van het gereconstrueerde ei te minimaliseren.

De actieve introductie van biotechnologie in de geneeskunde en de menselijke genetica heeft geleid tot de opkomst van een speciale wetenschap - bio-ethiek. Bio-ethiek- de wetenschap van ethische houding ten opzichte van alle levende wezens, inclusief mensen. Ethiek komt nu naar voren. Die morele geboden die de mensheid al eeuwenlang toepast, voorzien helaas niet in nieuwe kansen die in het leven worden gebracht. moderne wetenschap. Daarom moeten mensen nieuwe wetten bespreken en aannemen die rekening houden met de nieuwe realiteit van het leven.

Vragen en opdrachten nakijken

1. Wat is biotechnologie?

2. Welke problemen lost genetische manipulatie op? Wat zijn de uitdagingen van onderzoek op dit gebied?

3. Waarom denk je dat de selectie van micro-organismen nu van het grootste belang is?

4. Geef voorbeelden van de industriële productie en het gebruik van de producten van vitale activiteit van micro-organismen.

5. Welke organismen worden transgeen genoemd?

6. Wat is het voordeel van klonen ten opzichte van traditionele kweekmethoden?

Denken! uitvoeren!

1. Wat zijn de ontwikkelingsperspectieven? nationale economie het gebruik van transgene dieren openstelt?

2. Kan de moderne mensheid zonder biotechnologie? Organiseer een tentoonstelling of maak een muurkrant "Biotechnologie: verleden, heden, toekomst".

3. Organiseer en leid een discussie over het onderwerp "Klonen: voor- en nadelen".

4. Geef voorbeelden van voedingsmiddelen in uw dieet die zijn gemaakt met behulp van biotechnologische processen.

5. Bewijs dat biologische waterbehandeling een biotechnologisch proces is.

Werken met computer

Raadpleeg de elektronische aanvraag. Bestudeer de stof en maak de opdrachten.

Cellulaire techniek. In de jaren 70. van de vorige eeuw begon celtechnologie zich actief te ontwikkelen in de biotechnologie. Celengineering maakt het mogelijk om cellen van een nieuw type te creëren op basis van verschillende manipulaties, meestal hybridisatie, d.w.z. fusie van de oorspronkelijke cellen of hun kernen. Een kern van een cel van een ander organisme wordt in een van de onderzochte cellen geplaatst. Er worden omstandigheden gecreëerd waaronder deze kernen samensmelten, en dan vindt mitose plaats en worden twee enkelvoudige kerncellen gevormd, die elk gemengd genetisch materiaal bevatten. Voor het eerst werd een dergelijk experiment in 1965 uitgevoerd door de Engelse wetenschapper G. Harris, die menselijke en muizencellen combineerde. Vervolgens werden hele organismen verkregen, dit zijn interspecifieke hybriden die zijn verkregen door celmanipulatie. Dergelijke hybriden verschillen van seksueel verkregen hybriden doordat ze het cytoplasma van beide ouders bevatten (denk eraan dat tijdens normale bevruchting het cytoplasma van het sperma niet in het ei dringt). Celfusie wordt gebruikt om hybriden te produceren met nuttige eigenschappen tussen verre soorten die normaal niet kruisen. Het is ook mogelijk celhybriden te verkrijgen van planten die cytoplasmatische genen dragen (d.w.z. genen die worden aangetroffen in mitochondriën en plastiden), die de weerstand tegen verschillende schadelijke invloeden verhogen.

Jouw toekomstige beroep

1. Wat is het onderwerp van studie van de wetenschap van gerontologie? Beoordeel hoe ontwikkeld deze wetenschap in ons land is. Zijn er specialisten op dit gebied in uw regio?

2. Welke persoonlijke kwaliteiten zouden mensen die werkzaam zijn in de erfelijkheidsadvisering volgens u moeten hebben? Leg je standpunt uit.

3. Wat weet je over beroepen die verband houden met de stof in dit hoofdstuk? Zoek de namen van verschillende beroepen op internet en bereid een kort (niet meer dan 7-10 zinnen) bericht voor over het beroep dat de meeste indruk op je heeft gemaakt. Verklaar jouw keuze.

4. Zoek met behulp van aanvullende informatiebronnen uit wat het onderwerp is van het onderzoek van de embryoloog. Waar kan men zo'n vaardigheid verwerven?

5. Welke kennis moeten specialisten die betrokken zijn bij selectiewerk hebben? Leg je standpunt uit.

<<< Назад

Doorsturen >>>