Biotechnologie Lezing #1

Inleiding tot biotechnologie. Ecologische, agrarische, industriële biotechnologie.

Biotechnologische productie van eiwitten, enzymen, antibiotica, vitamines, interferon.

Vraag 1

Sinds de oudheid heeft de mens biotechnologie gebruikt bij het maken, brouwen of bakken van wijn. Maar de processen die aan deze industrieën ten grondslag liggen, zijn lang mysterieus gebleven. Hun aard werd pas aan het einde van de 19e - het begin van de 20e eeuw duidelijk, toen methoden voor het kweken van micro-organismen, pasteurisatie werden ontwikkeld, zuivere lijnen van bacteriën en enzymen werden geïsoleerd. Om de meest verwante met biologie aan te duiden, gebruikten verschillende technologieën namen als "toegepaste microbiologie", "toegepaste biochemie", "enzymtechnologie", "bio-engineering", "toegepaste genetica", "toegepaste biologie". Dit leidde tot de opkomst van een nieuwe industrie - biotechnologie.

De Franse chemicus Louis Pasteur bewees in 1867 dat fermentatie het resultaat is van de vitale activiteit van micro-organismen. De Duitse biochemicus Eduard Buchner verduidelijkte dat het ook wordt veroorzaakt door een celvrij extract dat enzymen bevat die chemische reacties katalyseren. Het gebruik van pure enzymen voor de verwerking van grondstoffen was de aanzet voor de ontwikkeling van zymologie. Alfa-amylase is bijvoorbeeld nodig om zetmeel af te breken.

Tegelijkertijd werden er belangrijke ontdekkingen gedaan op het gebied van opkomende genetica, zonder welke moderne biotechnologie ondenkbaar zou zijn. In 1865 introduceerde de Oostenrijkse monnik Gregor Mendel de Brünn Society of Naturalists met zijn "Experimenten op plantenhybriden", waarin hij de wetten van de overdracht van erfelijkheid beschreef. In 1902 suggereerden biologen Walter Sutton en Theodore Boveri dat de overdracht van erfelijkheid geassocieerd is met materiële dragers - chromosomen. Toen al was bekend dat een levend organisme uit cellen bestaat. De Duitse patholoog Rudolf Virchow vult de celtheorie aan met het principe "elke cel komt uit een cel". En de experimenten van de botanicus Gottlieb Haberlandt toonden aan dat een cel in een kunstmatige omgeving en los van het lichaam kan bestaan. De experimenten van laatstgenoemde leidden tot de ontdekking van de rol van vitamines, mineralensupplementen en hormonen.

Toen was er het woord

Het geboortejaar van de term "biotechnologie" zelf wordt beschouwd als 1919, toen het manifest "Biotechnologie voor de verwerking van vlees, vetten en melk op grote landbouwbedrijven" werd gepubliceerd. De auteur is een Hongaarse agro-econoom, destijds minister van Voedsel, Carl Ereki. Het manifest beschreef de verwerking van agrarische grondstoffen tot andere voedingsproducten met behulp van biologische organismen. Ereki voorspelde een nieuw tijdperk in de geschiedenis van de mensheid en vergeleek de ontdekking van deze methode met de grootste technologische revoluties uit het verleden: de opkomst van een productie-economie in het Neolithicum en metallurgie in de Bronstijd. Maar tot het einde van de jaren twintig betekende biotechnologie alleen het gebruik van micro-organismen voor fermentatie. In de jaren dertig ontwikkelt zich de medische biotechnologie. In 1928 ontdekt door Alexander Fleming, werd penicilline, geproduceerd uit de schimmel Penicillium notatum, al in de jaren veertig op industriële schaal geproduceerd. En eind jaren zestig en begin jaren zeventig werd een poging gedaan om de voedingsindustrie te combineren met de olieraffinage-industrie. British Petroleum heeft een technologie ontwikkeld voor de bacteriële synthese van voereiwit uit afval van de olie-industrie.

In 1953 werd een ontdekking gedaan die vervolgens een revolutie veroorzaakte in de biotechnologie: James Watson en Francis Crick ontcijferden de structuur van DNA. En in de jaren zeventig werd de manipulatie van erfelijk materiaal toegevoegd aan biotechnologische technieken. Letterlijk in twee decennia zijn alle tools ontdekt die hiervoor nodig zijn: reverse transcriptase, een enzym waarmee je de genetische code van RNA terug in DNA kunt 'herschrijven', enzymen om DNA te knippen en een polymerasekettingreactie voor herhaalde reproductie van individuele DNA-fragmenten werden ontdekt.

In 1973 ontstond het eerste genetisch recombinante organisme: een genetisch element van een kikker werd overgebracht naar een bacterie. Het tijdperk van genetische manipulatie begon, dat vrijwel onmiddellijk eindigde: in 1975, in de stad Asilomar (VS), op het internationale congres gewijd aan de studie van recombinante DNA-moleculen, werd voor het eerst bezorgdheid geuit over het gebruik van nieuwe technologieën.

“De alarmbel werd niet getrokken door politici, religieuze groeperingen of journalisten, zoals je zou verwachten. Het waren de wetenschappers zelf”, herinnert Paul Berg zich, een van de organisatoren van de conferentie en een pionier in de creatie van recombinante DNA-moleculen. "Veel wetenschappers vreesden dat het publieke debat zou leiden tot ongerechtvaardigde beperkingen op de moleculaire biologie, maar ze moedigden een verantwoorde discussie aan die tot consensus leidde." De congresdeelnemers riepen op tot een moratorium op een aantal potentieel gevaarlijke onderzoeken.

Ondertussen is synthetische biologie een spin-off van biotechnologie en genetische manipulatie, waarbij nieuwe biologische componenten en systemen worden ontworpen en bestaande worden herontworpen. Het eerste teken van synthetische biologie was de kunstmatige synthese van transfer-RNA in 1970, en vandaag is de synthese van volledige genomen uit elementaire structuren al mogelijk. In 1978 ontwierp het bedrijf Genentech in het laboratorium de bacterie E. coli, die humane insuline synthetiseert. Vanaf dat moment komt genetische recombinatie eindelijk in het arsenaal van de biotechnologie terecht en wordt het bijna als synoniem beschouwd. Tegelijkertijd vond de eerste overdracht van nieuwe genen in de genomen van dierlijke en plantaardige cellen plaats. 1980 Nobelprijswinnaar Walter Gilbert verklaarde: "We kunnen voor medische doeleinden of voor commercieel gebruik vrijwel elk menselijk eiwit verkrijgen dat belangrijke functies van het menselijk lichaam kan beïnvloeden."

In 1985 vinden de eerste veldproeven plaats van transgene planten die resistent zijn tegen herbiciden, insecten, virussen en bacteriën. Plantenoctrooien verschijnen. De hoogtijdagen van de moleculaire genetica beginnen, analytische methoden ontwikkelen zich snel, zoals sequencing, dat wil zeggen het bepalen van de primaire sequentie van eiwitten en nucleïnezuren.

In 1995 kwam de eerste transgene plant (de Flavr Savr-tomaat) op de markt en in 2010 werden in 29 landen transgene gewassen verbouwd op 148 miljoen hectare (10% van de totale cultuurgrond). In 1996 werd het eerste gekloonde dier, Dolly het schaap, geboren. In 2010 waren er meer dan 20 diersoorten gekloond: katten, honden, wolven, paarden, varkens, moeflons.

Aanwijzingen voor biotechnologie en producten verkregen met zijn hulp

Technologie en biotechnologie

Technologie- dit zijn de methoden en technieken die worden gebruikt om een ​​bepaald product uit het bronmateriaal (grondstof) te halen. Heel vaak zijn voor het verkrijgen van één product niet één, maar meerdere bronnen van grondstoffen nodig, niet één methode of methode, maar een reeks van meerdere. De hele verscheidenheid aan technologieën kan worden onderverdeeld in drie hoofdklassen:

Fysische en mechanische technologieën;

Chemische technologieën;

Biotechnologie.

In fysieke en mechanische technologieën het oorspronkelijke materiaal (grondstof) tijdens het verkrijgen van het product verandert van vorm of staat van aggregatie zonder zijn chemische samenstelling(bijvoorbeeld houtverwerkingstechnologie voor de productie) houten meubels, verschillende methoden om metalen producten te verkrijgen: spijkers, machineonderdelen, enz.).

In chemische technologieën tijdens het verkrijgen van een product ondergaat de grondstof veranderingen in de chemische samenstelling (bijvoorbeeld het verkrijgen van polyethyleen uit aardgas, alcohol uit aardgas of hout, synthetisch rubber uit aardgas).

Biotechnologie als wetenschap kan worden beschouwd in twee temporele en essentiële dimensies: modern en traditioneel, klassiek.

De nieuwste biotechnologie (bioengineering)- dit is de wetenschap van genetische manipulatie en cellulaire methoden en technologieën voor het creëren en gebruiken van genetisch getransformeerde (gemodificeerde) planten, dieren en micro-organismen om de productie te intensiveren en nieuwe soorten producten voor verschillende doeleinden te verkrijgen.

In traditioneel, klassiek zin kan biotechnologie worden gedefinieerd als de wetenschap van methoden en technologieën voor de productie, het transport, de opslag en de verwerking van landbouw- en andere producten waarbij gebruik wordt gemaakt van conventionele, niet-transgene (natuurlijke en fok)planten, dieren en micro-organismen, in natuurlijke en kunstmatige omstandigheden.

De hoogste prestatie van de nieuwste biotechnologie is: genetische transformatie, overdracht van vreemde (natuurlijke of kunstmatig gecreëerde) donorgenen naar ontvangende cellen van planten, dieren en micro-organismen, het verkrijgen van transgene organismen met nieuwe of verbeterde eigenschappen en kenmerken.

Doel van biotechnologisch onderzoek- het verhogen van de efficiëntie van de productie en het zoeken naar biologische systemen die kunnen worden gebruikt om het doelproduct te verkrijgen.

Biotechnologie maakt het mogelijk om de gewenste producten in onbeperkte hoeveelheden te reproduceren, met behulp van nieuwe technologieën die het mogelijk maken om genen over te dragen in producerende cellen of in het hele organisme (transgene dieren en planten), peptiden te synthetiseren en kunstmatige vaccins te maken.

De belangrijkste ontwikkelingsrichtingen van de biotechnologie

De uitbreiding van het toepassingsgebied van de biotechnologie heeft een aanzienlijke impact op de verbetering van de levensstandaard van een persoon (Fig. 1.2). De snelste introductie van biotechnologische processen geeft resultaten in de geneeskunde, maar volgens veel experts zal het belangrijkste economische effect worden verkregen in de landbouw en chemische industrie.

Microarrays, celculturen, monoklonale antilichamen en eiwittechnologie zijn slechts enkele van de moderne biotechnologische technieken die in verschillende stadia van de ontwikkeling van veel soorten producten worden gebruikt. Inzicht in de moleculaire basis van biologische processen maakt het mogelijk om de kosten voor de ontwikkeling en voorbereiding van de productie van een bepaald product aanzienlijk te verlagen en de kwaliteit ervan te verbeteren. Landbouwbiotechbedrijven die insectenresistente plantenrassen ontwikkelen, kunnen bijvoorbeeld de hoeveelheid van een beschermend eiwit in een celcultuur meten en geen middelen verspillen aan het kweken van de planten zelf; Farmaceutische bedrijven kunnen celculturen en microarrays gebruiken om de veiligheid en werkzaamheid van geneesmiddelen te testen, evenals om mogelijke bijwerkingen in een vroeg stadium van de ontdekking van geneesmiddelen te identificeren.

Genetisch gemodificeerde dieren, in wiens organismen processen plaatsvinden die de fysiologie van verschillende menselijke ziekten weerspiegelen, bieden wetenschappers behoorlijk geschikte modellen om het effect van een bepaalde stof op het lichaam te testen. Het stelt bedrijven ook in staat om de veiligste en meest effectieve medicijnen in een vroeger ontwikkelingsstadium te identificeren.

Dit alles wijst op het belang van biotechnologie en de brede toepassingsmogelijkheden ervan in verschillende sectoren van de nationale economie. Wat zijn de topprioriteiten op dit gebied? Laten we ze eens bekijken.

1. Verbetering van de veiligheid van biotechnologische productie voor mens en milieu. Het is noodzakelijk om dergelijke werkende systemen te creëren die alleen onder strikt gecontroleerde omstandigheden zullen functioneren. Bijvoorbeeld stammen van Escherichia coli die in de biotechnologie worden gebruikt, missen supramembraanstructuren (schillen); dergelijke bacteriën kunnen eenvoudigweg niet bestaan ​​buiten laboratoria of buiten speciale technologische installaties. Systemen met meerdere componenten, die elk niet zelfstandig kunnen bestaan, hebben ook een verhoogde veiligheid.

2. Het aandeel afval van menselijke productieactiviteiten verminderen. Productieafval zijn bijproducten die niet door mensen of andere componenten van de biosfeer kunnen worden gebruikt en waarvan het gebruik onrendabel is of gepaard gaat met een of ander risico. Dergelijk afval hoopt zich op in de productieruimten (territoria) of komt vrij in het milieu. We moeten ernaar streven om de verhouding "nuttig product/afval" te veranderen ten gunste van een nuttig product. Dit wordt op verschillende manieren bereikt. Eerst moet het afval gevonden worden nuttige toepassing. Ten tweede kunnen ze worden verzonden voor recycling, waardoor een gesloten technologische kringloop ontstaat. Ten slotte kan het werksysteem zelf worden aangepast om verspilling te verminderen.

3. Vermindering van energiekosten voor de productie van het product, dat wil zeggen de introductie van energiebesparende technologieën. Een fundamentele oplossing voor dit probleem is vooral mogelijk door het gebruik van hernieuwbare energiebronnen. Het jaarlijkse energieverbruik van fossiele brandstoffen is bijvoorbeeld evenredig met de netto bruto-output van alle fotosynthetische organismen op aarde. Om zonne-energie om te zetten in vormen die toegankelijk zijn voor moderne energiecentrales, worden energieplantages van snelgroeiende planten aangelegd (onder meer door celtechnologie). De resulterende biomassa wordt gebruikt voor de productie van cellulose, biobrandstoffen en biohumus. De uitgebreide voordelen van dergelijke technologieën zijn duidelijk. Het gebruik van celmanipulatiemethoden voor de constante vernieuwing van plantmateriaal zorgt voor de productie van een groot aantal planten vrij van virussen en mycoplasma's in de kortst mogelijke tijd; dit elimineert de noodzaak om moederplantages te creëren. De druk op natuurlijke plantages van houtige planten wordt verminderd (voor een groot deel worden ze gekapt voor cellulose en brandstof), de vraag naar fossiele brandstoffen wordt verminderd (in het algemeen is dit ongunstig voor het milieu, omdat er ondergeoxideerde stoffen worden gevormd tijdens de verbranding). Bij het gebruik van biobrandstoffen worden kooldioxide en waterdamp gevormd, die in de atmosfeer terechtkomen en vervolgens weer worden gebonden door planten in energieplantages.

4. Creatie van multicomponent plantsystemen. De kwaliteit van landbouwproducten gaat aanzienlijk achteruit bij het gebruik van minerale meststoffen en pesticiden, die enorme schade aanrichten aan natuurlijke ecosystemen. Er zijn verschillende manieren om de negatieve gevolgen van de chemicalisering van de landbouwproductie te boven te komen. Allereerst is het noodzakelijk om monoculturen te verlaten, d.w.z. het gebruik van een beperkt aantal biotypes (variëteiten, rassen, stammen). De nadelen van monocultuur werden al aan het einde van de 19e eeuw onderkend; ze zijn duidelijk. Ten eerste nemen in een monocultuur de concurrentieverhoudingen tussen volwassen organismen toe; tegelijkertijd heeft monocultuur slechts een eenzijdig effect op concurrerende organismen (onkruiden). Ten tweede is er een selectieve verwijdering van minerale voedingselementen, wat leidt tot bodemdegradatie. Ten slotte is monocultuur resistent tegen ziekteverwekkers en plagen. Daarom tijdens de XX eeuw. het werd ondersteund door een uitzonderlijk hoge productie-intensiteit. Natuurlijk vereenvoudigt het gebruik van monoculturen van intensieve variëteiten (rassen, rassen) de ontwikkeling van productietechnologie. Gebruik bijvoorbeeld geavanceerde technologie Er zijn plantenrassen ontstaan ​​die resistent zijn tegen een bepaald bestrijdingsmiddel, die bij de teelt van deze rassen in hoge doseringen gebruikt kunnen worden. In dit geval rijst echter de vraag naar de veiligheid van een dergelijk werkend systeem voor mens en milieu. Bovendien zullen vroeg of laat rassen van ziekteverwekkers (plagen) verschijnen die resistent zijn tegen dit bestrijdingsmiddel.

Daarom is een systematische overgang van monocultuur naar multicomponent (polyklonale) samenstellingen, inclusief verschillende biotypes van gekweekte organismen, noodzakelijk. Samenstellingen met meerdere componenten moeten organismen bevatten met verschillende ontwikkelingsritmes, met een verschillende houding ten opzichte van de dynamiek van fysische en chemische omgevingsfactoren, concurrenten, ziekteverwekkers en plagen. In genetisch heterogene systemen treden compenserende interacties op van individuen met verschillende genotypen, die het niveau van intraspecifieke concurrentie verminderen en automatisch de druk van gekweekte organismen op concurrerende organismen van andere soorten (onkruiden) verhogen. Met betrekking tot pathogenen en plagen wordt een dergelijk heterogeen ecosysteem gekenmerkt door collectieve groepsimmuniteit, die wordt bepaald door de interactie van veel structurele en functionele kenmerken individuele biotypes.

5. Ontwikkeling van nieuwe medicijnen voor medicijnen. Momenteel wordt actief onderzoek gedaan op het gebied van geneeskunde: verschillende soorten nieuwe medicijnen - gericht en individueel.

Doelmedicijnen. De belangrijkste oorzaken van kanker zijn ongecontroleerde celdeling en verstoring van apoptoseprocessen. De werking van geneesmiddelen die bedoeld zijn om ze te elimineren, kan worden gericht op elk van de moleculen of cellulaire structuren die bij deze processen zijn betrokken. Onderzoek op het gebied van functionele genomics heeft ons al informatie opgeleverd over de moleculaire veranderingen die plaatsvinden in precancereuze cellen. Op basis van de verkregen gegevens kunnen diagnostische tests worden gemaakt om moleculaire markers te identificeren die het begin van het oncologische proces signaleren voordat de eerste zichtbare cellulaire afwijkingen verschijnen of symptomen van de ziekte verschijnen.

De meeste geneesmiddelen voor chemotherapie werken op eiwitten die betrokken zijn bij celdeling. Helaas sterven niet alleen kwaadaardige cellen, maar vaak sterven ook normaal delende cellen van het lichaam, zoals cellen van het hematopoëtische systeem en haarzakjes. Om dit te voorkomen bijwerking, zijn sommige bedrijven begonnen met het ontwikkelen van geneesmiddelen die de celcycli van gezonde cellen zouden stoppen net voordat een dosis van een chemotherapeutisch middel wordt toegediend.

Individuele voorbereidingen. In het huidige ontwikkelingsstadium van de wetenschap begint het tijdperk van geïndividualiseerde geneeskunde, waarin rekening zal worden gehouden met de genetische verschillen van patiënten voor het meest effectieve gebruik van geneesmiddelen. Met behulp van gegevens uit functionele genomics kunnen genetische varianten worden geïdentificeerd die verantwoordelijk zijn voor de aanleg van individuele patiënten voor de negatieve bijwerkingen van sommige geneesmiddelen en de gevoeligheid voor andere. Deze individuele therapeutische benadering, gebaseerd op kennis van het genoom van de patiënt, wordt farmacogenomica genoemd.

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 van voedselproducten toeneemt.

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.

NAAR medische biotechnologie omvatten dergelijke 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 moderne wetenschap is van groot voordeel. Door de ontdekking van genetische manipulatie werd het mogelijk om nieuwe variëteiten van planten en dierenrassen te ontwikkelen die de landbouw ten goede komen.

De studie van biotechnologie is niet alleen verbonden met de wetenschappen 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 het reinigen van industrieel en huishoudelijk gebruik 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);
• vervuiling omgeving 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), ander soort studies hierover (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. Elk enkele plant, die werd verkregen als resultaat 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 controleren, is het noodzakelijk om ze van de plant te scheiden en alles voor hen te creëren. de noodzakelijke voorwaarden voor een succesvol bestaan ​​en voortplanting buiten het plantenlichaam. 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, de landbouw, de voedsel- en de chemische industrie worden verkregen. 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. Het Himrar Center for High Technologies brengt hightech-organisaties samen die leiding geven aan de ontwikkeling en productie van innovatieve 14 bedrijven die zich bezighouden met de ontwikkeling medicijnen gebaseerd op de nieuwste "postgenomische" 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:

Bezoekers van de Startup Village-conferentie, die vorige week in Skolkovo werd gehouden, hadden een unieke kans om in de nabije toekomst te kijken, wanneer de mensheid, gedwongen om haar dieet te herzien, een aanzienlijk deel van de eiwitten van insecten zal gaan ontvangen

Een van de stands op de start-up tentoonstelling werd ingenomen door fabrikanten van voedereiwitten van vliegenlarven, die het Lipetsk-bedrijf New Biotechnologies vertegenwoordigden. Tot nu toe is voedsel bedoeld voor dieren, maar in de toekomst zullen insectengerechten, zoals blijkt uit tal van voorspellingen, niet langer exotisch zijn op het menselijke menu. Vijf waaghalzen waagden het om een ​​product met uitzonderlijke voedingseigenschappen te proberen bij Startup Village. De correspondent van de site durfde hun voorbeeld niet te volgen, maar in plaats daarvan vroeg hij de proevers in detail hoe de smaak van het voedsel van de toekomst is, en tegelijkertijd leerde hij dat vliegen uit Lipetsk, omringd door warmte en zorg van fokkers, worden veel productiever dan hun verwanten.

Alexey Istomin met nieuwe biotechnologieproducten bij Startup Village. Foto: site

New Biotechnologies is gespecialiseerd in de productie van eiwitrijk voedsel van gedroogde en gekneusde groene blaasvlieglarven, vergelijkbaar met het mechanisme waar de natuur al miljoenen jaren aan werkt. “Dieren, vissen, vogels broeden, voeden zich, laten mest en uitwerpselen achter, sterven, en de natuur verwerkt dit alles onvermoeibaar.. - Vliegen leggen eieren op afval, er komen larven uit, die enzymen afscheiden die het proces van afbraak en mineralisatie van afval. Tegelijkertijd worden de larven zelf voedsel voor dieren, vissen en vogels. En het resterende substraat onder invloed van regen en zon in de vorm organische mest komt in de bodem en draagt ​​bij aan de snelle groei van fytomassa, die ook voedsel is voor alle levende wezens. Met andere woorden, er is een recycling van voedingsstoffen, en zonder pesticiden en vergiften. Alleen biologisch.

Dit natuurlijke proces is geleend door New Biotechnologies. De biomassa die voortkomt uit de toepassing van de technologie, vliegenlarven, heeft een hoog gehalte aan nutriënten. 50-70% van de biomassa bestaat uit ruw eiwit, 20-30% uit ruw vet, 5-7% uit ruwe celstof.

Bij het beschrijven van het positieve effect van het gebruik van voedereiwit (commerciële naam - "Zooproteïne") in verschillende sectoren van de landbouw, was Alexei Istomin zeer overtuigend. “In de varkensfokkerij maakt het gebruik van eiwit-lipidenconcentraat in microdoses als additief in het dieet van biggen, varkens en beren het mogelijk om de verteerbaarheid van voedsel en de natuurlijke weerstand van het lichaam tegen ziekten en virussen te verhogen, gewichtstoename te verhogen, activiteit en nakomelingen”, somt dhr. Istomin de voordelen van vliegenlarven op. - Dit komt door het gehalte in het "Zooproteïne" van een groot aantal enzymen, chitine, melanine, immunomodulatoren. In de pluimvee-industrie kunt u uw dagelijkse gewichtstoename verhogen en uw voerratio verlagen door onze voedereiwitten in het dieet van vleeskuikens, kalkoenen, eenden en ander pluimvee op te nemen. Bij legkippen wordt een toename van de eierproductie waargenomen, de weerstand van het lichaam tegen ziekten en virussen neemt toe en de sterfte neemt af. In de pelsdierhouderij leidt de toevoeging van "Zooproteïne" aan het voer van nertsen, poolvossen, vossen tot een verbetering van de kwaliteit van de vacht en een afname van het afstotingspercentage. Dieren hebben een grote lichaamslengte en borstomvang, daarom kunnen er meer huiden van worden verkregen.

Van links naar rechts: bereid voedsel, gedroogde en levende larven. Foto: site

Het uiterlijk van vliegenvoer zal ook eigenaren van gezelschapsdieren bevallen. Volgens Aleksey Istomin, "zijn bij katten en honden oestrus en vervelling gemakkelijker, nemen de spiertonus en activiteit toe, de vacht wordt dichter; dieren worden minder ziek. Wanneer eiwit van vliegenlarven aan het voer wordt toegevoegd, wordt pluimvee ook gezonder, hun kleur wordt feller. frituren aquariumvissen ontwikkelen zich twee keer zo snel en de overlevingskans van jongen benadert 100%.

Wonderbaarlijke technologie is niet helemaal opnieuw ontstaan ​​- het is theoretische basis werden een halve eeuw geleden gelegd bij het All-Union Research Institute of Animal Husbandry, evenals bij het Novosibirsk State Agricultural Institute. Daar, in het laboratorium, hebben ze uitgebreid bestudeerd toevoegingsmiddelen van vliegenlarven. Het werk in deze richting wordt nu voortgezet door de staat Novosibirsk agrarische universiteit, VNIIZ ze. OKE. Ernst, Instituut voor problemen van ecologie en evolutie. EEN. Severtsov. Volgens Alexei Istomin is de effectiviteit van het gebruik van eiwitrijk voer dat is verkregen als gevolg van afvalverwerking door vliegenlarven, in vergelijking met andere dierlijke eiwitten (vis- en vlees- en beendermeel) bevestigd door studies uitgevoerd door het All-Russian Research Institute of Animal Breeding en het All-Russian Research and Technological pluimvee-instituut. Opmerkelijk is dat de relevantie van deze technologie in de loop van de tijd alleen maar toeneemt, omdat de wereld kampt met een nijpend tekort aan dierlijke eiwitten.

"Wat ons stoort, stinkt en duur is, kan helpen en werken in het voordeel van de binnenlandse landbouw, wat extra winst oplevert en het milieu minder belast"

Het bedrijf New Biotechnologies schat het op 25 miljoen ton; in Rusland is dezelfde indicator 1 miljoen ton. Sinds 1961 is de wereldbevolking meer dan verdubbeld en is de wereldvleesconsumptie verviervoudigd. Tegen 2030 zal de wereldwijde consumptie van dierlijke eiwitten naar verwachting met 50% toenemen. In de landbouw zijn de belangrijkste bronnen vis (vismeel) en vlees- en beendermeel. "De beste kwaliteit vismeel wordt geproduceerd in Marokko, Mauritanië en Chili, en de kosten stijgen evenredig met de logistieke kosten. De prijs van vismeel is de afgelopen 15 jaar 8 keer gestegen, - Aleksey Istomin deelt statistieken. - Veel landbouwproducenten stappen af ​​van geïmporteerd vismeel van hoge kwaliteit ten gunste van goedkopere en minderwaardige analogen, en stappen ook over op vlees- en beendermeel of plantaardige eiwitten, met name soja. Het gebruik van plantaardige eiwitten laat niet toe om het gewenste resultaat te bereiken - zo'n eiwit vereist een grote hoeveelheid landbronnen en kunnen dierlijke eiwitten qua samenstelling niet volledig vervangen.

Het New Biotechnologies-project wekte belangstelling van vice-premier Arkady Dvorkovich en gouverneur van de regio Rostov Vasily Golubev. Foto: site

Naast economische zijn er ook milieuvoorwaarden om het voederparadigma te veranderen. Dus voor de productie van 1 ton meel is het nodig om 5 ton commerciële vis te vangen. Aangezien de behoefte aan dierlijke eiwitten groot is, heeft de visvangst aanzienlijke niveaus bereikt (170 miljoen ton in 2015). Het ecosysteem heeft geen tijd om de visbestanden in de zeeën te reproduceren. Bij de productie van één ton vismeel komt bijna 11 ton koolstofdioxide vrij in de atmosfeer. De extra kosten voor het milieu worden in dit geval geschat op 3,5 duizend dollar. Bij de productie van één ton meel van vliegenlarven komt er 5 keer minder CO2 in de atmosfeer. Dat wil zeggen, elke ton eiwit geproduceerd door vliegenlarven bespaart 5 ton vis in de zee.

“De smaak is ongebruikelijk, niet zoals iets anders. Maar dit eiwit versterkt het immuunsysteem en bevordert de spiergroei.

Denken aan alternatieve bronnen dierlijk eiwit, richtten de onderzoekers hun aandacht op insecten. Er zijn meer dan 90 duizend soorten vliegen op de planeet, en elk van hen voedt zich met bepaald afval: groente, mest / uitwerpselen, voedselverspilling, enz. "Wat ons stoort, stinkt en veel kosten vereist - milieu, financiën, energie - kan helpen en werken in het voordeel van de binnenlandse landbouw, wat extra winst oplevert en het milieu minder belast", zegt Alexei Istomin. De proefproductie van het bedrijf New Biotechnologies in Lipetsk bewijst op zijn minst de belofte van het gebruik van de technologie in industriële omstandigheden.

Gehakt van Lucy

Bij velen bekend, worden de metaalgroene heldere vliegen Lucilia caesar (het bedrijf noemt deze insectensoort liefkozend Lucy) gehouden in speciale insectaria in de productiefaciliteit van Lipetsk. Daar leven enkele tientallen miljoenen vliegen. Dit zijn in veel opzichten unieke insecten. Om hun voortplantingsvermogen te verbeteren, zijn wetenschappers al meer dan twee jaar nauw bezig met selectiewerk, waarbij ze insecten kruisen volgens een bepaalde methode. Als één vlieg in de natuur 60 eieren legt, dan is bij Lipetsk-insecten de legsel (en dus het aantal larven en het resulterende voedsel) gemiddeld drie keer groter. Specialisten van New Biotechnologies voeren geen genetische manipulaties uit op vliegen, we hebben het over “traditionele” selectie, verzekert meneer Istomin.6 vliegen; in slechts een dag tijd bereikte hun aantal enkele honderden. Dit werd mogelijk dankzij de juiste selectie van de ontwikkelingscyclus van poppen, ook wel puparia genoemd. We hebben de cyclus zo aangepast dat het er tegenwoordig veel meer zijn. Morgen zal hun aantal nog groeien.” Dit proces werd gedeeltelijk afgeremd door niet al te geschikt weer: optimale temperatuur om een ​​pop in een vlieg te veranderen - ongeveer 30 graden. Ondanks dat de insecten 's nachts bij Startup Village naar binnen werden gebracht, was de temperatuur daar lager.

In de productie in Lipetsk zijn vliegen volledig gratis. Foto: "Nieuwe biotechnologie".

In de productie in Lipetsk zijn vliegen volledig vrij, waar ze worden beschermd tegen ongunstige omstandigheden en stress. De vliegen worden gehouden in speciale kooien, die water, suiker, melkpoeder en dozen met gehakt bevatten, waar de vliegen hun eieren leggen. De koppelingen worden dagelijks uitgenomen. Kwaliteitscontrole en zuiverheid van de bevolking wordt uitgevoerd door de hoofdtechnoloog. Hiervoor worden larven geselecteerd, die onder speciale omstandigheden verpoppen en in de vorm van poppen in koude winkel. Indien nodig worden de poppen in insectariumkooien geplaatst en na een tijdje verschijnen er vliegen uit.

Zodra de larven uit de eieren komen, worden ze overgebracht naar de kwekerij. In speciale trays op een bed van zaagsel worden een voedersubstraat en het leggen van eieren gelegd. De larven zijn zeer vraatzuchtig en groeien snel, tot wel 350 keer per dag in omvang. De periode van mesten en actieve groei is 3-4 dagen. Dan zijn de volwassen larven in de broeierij. Dit is de naam van het proces van scheiding van larven van het organische substraat. Nadat de biomassa is gedroogd en naar de opslag is gestuurd.

Vliegen groeien op vlees van een pluimveebedrijf, dat is gevestigd in de buurt van de proefproductie van het bedrijf New Biotechnologies. Larven gekweekt op pluimveevlees hebben een hoger gehalte aan voedingsstoffen dan die gekweekt op mest en uitwerpselen. Tegelijkertijd moeten er veel vleesvoorraden zijn - om 1 kg "Zooproteïne" te produceren, is het noodzakelijk om 3,5 kg levende larven te kweken, waarvoor 10 kg vleesafval nodig is.

Sinds 1961 is de wereldbevolking meer dan verdubbeld en is de wereldvleesconsumptie verviervoudigd. De wereldwijde consumptie van dierlijke eiwitten zal tegen 2030 naar verwachting met 50% toenemen

“Het gemiddelde sterftecijfer op pluimveebedrijven is 5% van de totale populatie. Dit soort afval zorgt voor veel overlast voor pluimveebedrijven. Dit zijn milieuzaken (moeten worden afgevoerd), en financieel (je moet betalen voor recycling), en organisatorisch (ophalen, opslaan, afleveren, rekening mee houden). Daarom is de toepassing van onze methode het meest effectief direct op de pluimveehouderij, wat het mogelijk maakt om de pluimveeproductie afvalvrij te maken, - legde Alexey Istomin uit. - In het algemeen gaat de groei van de landbouwproductie onvermijdelijk gepaard met een toename van de negatieve impact in de omgeving. Volgens het ministerie van Landbouw is in Rusland de totale oppervlakte verontreinigd met landbouwafval groter dan 2,4 miljoen hectare. In 2015 bedroeg de totale hoeveelheid dergelijk afval meer dan 380 miljoen ton. Er is praktisch geen cultuur van verwerking van landbouwafval in het land. De rekening van dergelijke producties gaat naar eenheden.

Proefproductie in Lipetsk. Foto: "Nieuwe biotechnologieën"

De complexiteit van de industriële implementatie van de technologie is voornamelijk te wijten aan administratieve en omgevingsfactoren. “Met name in het buitenland, in China en Indonesië, wordt de bekken (“open”) methode gebruikt, legt Istomin uit. - Het is onaanvaardbaar in onze omstandigheden, omdat de larven tijdens het leven een grote hoeveelheid ammoniak produceren. Ons project stelt een "gesloten" methode voor met behulp van vliegenkwekerijen uitgerust met lokale afzuiging, een microbiologisch filter voor luchtzuivering, speciale systemen voorbereiding van grondstoffen, infrarood drogen. Dit alles stelt ons in staat om zoveel mogelijk te voldoen aan de eisen voor milieuveiligheid.”

De larven zijn zeer vraatzuchtig en groeien snel, tot wel 350 keer per dag in omvang. Foto: "Nieuwe biotechnologieën"

Nu is New Biotechnologies bezig met het verkrijgen van de status van inwoner van Skolkovo. Het team rekent voornamelijk op de hulp van het Fonds bij de productcertificering. In Rusland is er geen regelgevend kader met betrekking tot de regulering van het gebruik van afvalverwerkingstechnologie door vliegenlarven, daarom, zegt Alexei Istomin, "je moet slim zijn." Tegelijkertijd verklaren regelgevende instanties de veiligheid van producten: Lipetsk Regional Veterinary Laboratory voert studies uit van levende biomassa voor de aanwezigheid van salmonella, het genoom van ornithose en influenzapathogenen bij vogels, eieren en wormlarven. In de gedroogde biomassa van vliegenlarven, massafractie ruw eiwit, ruwe vetmassafractie, vocht en toxiciteit. "Tula interregionaal veterinair laboratorium" doet onderzoek van organische meststof zoohumus op de aanwezigheid van pathogene flora. De resultaten van elk onderzoek worden gedocumenteerd.

De gesprekspartner van de site is ervan overtuigd dat binnen afzienbare tijd alleen dieren, maar ook mensen kennis zullen maken met de smaak van eiwit uit insecten. Dit standpunt wordt door steeds meer experts gedeeld. Dus, drie jaar geleden, bracht de Voedsel- en Landbouworganisatie van de Verenigde Naties een onderzoek uit waarin staat dat insecten in meer of mindere mate al aanwezig zijn in het dieet van 2 miljard mensen. Om honger en vervuiling het hoofd te bieden, moet de mensheid eten meer insecten, drongen de auteurs van het rapport aan.

Bovendien, zoals bewezen persoonlijke ervaring Alexei Istomin, het is niet zo eng. Al maanden voegt hij een eetlepel insecteneiwit toe aan zijn ochtendshake, gemaakt van melk, banaan en andere traditionele ingrediënten. “De smaak is ongebruikelijk, niet zoals iets anders. Maar het versterkt het immuunsysteem en bevordert de groei van spiermassa ', zegt Alexey.

Baklanov Mikhail en 8 anderen zoals dit" data-format=" mensen die dit leuk vinden" data-configuration="Format=%3Ca%20class%3D%27who-likes%27%3Epeople%20who%20like%20this%3C%2Fa%3E" >

- 20,37 Kb

Moderne prestaties in de biotechnologie

Voltooid:

Gecontroleerd:

2011

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

Een revolutionaire fase in de ontwikkeling van biotechnologie was het gebruik van gen- en cellulaire biotechnologieën, die zich de afgelopen decennia snel hebben ontwikkeld en die al verschillende aspecten van het menselijk leven aanzienlijk hebben beïnvloed: gezondheid, geneeskunde, voeding, demografie en ecologie.

De eerste producten van genbiotechnologie waren biologisch actieve eiwitten, die tegenwoordig veel worden gebruikt in de geneeskunde als medicijnen. Traditionele biotechnologie die wordt gebruikt om verschillende biologische verbindingen te produceren door grote hoeveelheden microbieel, dierlijk of plantaardig materiaal te verwerken, waarbij gebruik wordt gemaakt van het natuurlijke vermogen van organismen om deze verbindingen te synthetiseren. Dus voor de behandeling van diabetes werd eerder insuline gebruikt, dat werd geïsoleerd uit de pancreas van varkens. Dergelijke insuline was duur en bovendien ineffectief. De situatie is drastisch veranderd sinds de eerste genetisch gemanipuleerde humane insuline, gesynthetiseerd door E. coli-cellen, in 1982 in de VS werd verkregen.

Momenteel worden veel biofarmaceutica verkregen met behulp van gencelbiotechnologie gebruikt in de praktische geneeskunde. Naast insuline worden er al verschillende interferonen, interleukines, hemofiliegeneesmiddelen, kanker- en pijnstillers, essentiële aminozuren, groeihormoon, monoklonale antilichamen en nog veel meer geproduceerd. En deze lijst wordt jaarlijks aangevuld met tientallen items. Laboratoria en klinieken over de hele wereld zijn voortdurend op zoek naar en testen nieuwe medicijnen, waaronder die voor gevaarlijke ziekten als hartaandoeningen, verschillende vormen van kanker, aids en verschillende virale infecties. Volgens experts wordt tegenwoordig ongeveer 25% van alle medicijnen in de wereld geproduceerd met behulp van genbiotechnologieën.

Een belangrijke stap in de ontwikkeling van de moderne gencelbiotechnologie was de ontwikkeling van methoden voor het verkrijgen van transgene dieren en planten (ze worden ook wel genetisch gemodificeerde organismen genoemd, afgekort als ggo's). Een transgeen organisme is een organisme dat in alle opzichten lijkt op een niet-transgeen, gewoon organisme, maar dat in alle cellen tussen tienduizenden van zijn eigen genen 1 (zelden 2) een extra gen bevat (het wordt een transgen genoemd), dat ongebruikelijk voor het in de natuur.

De technologie voor het maken van transgene planten heeft geleid tot een revolutie op het gebied van gewasproductie. Het maakte het mogelijk om planten te verkrijgen die resistent waren tegen een aantal hoogpathogene virussen, schimmel- en bacteriële infecties, insectenplagen, om planten te creëren met een hoog gehalte aan vitamine A, bestand tegen kou, bodemzout, droogte, planten met een verbeterd gehalte en samenstelling van eiwitten, enz. Dus tussenbeide komen genetische programma's planten, is het mogelijk om ze de functies van resistentie tegen verschillende ongunstige omgevingsstressfactoren te geven. Het gebruik van ggo's heeft de efficiëntie van de landbouw aanzienlijk verhoogd en daarom bleek deze technologie in de markt veel gevraagd te zijn, waar andere mogelijkheden om de productiviteit te verhogen (meststoffen, pesticiden, enz.) grotendeels zijn uitgeput.

In 1994, na rigoureuze uitgebreide veldtesten in de Verenigde Staten, werd de eerste transgene voedselplant, de tomaat, goedgekeurd voor commerciële verkoop. unieke eigenschap: hij kan maanden onrijp liggen bij een temperatuur van 12°C, maar zodra hij warm wordt, rijpt hij in slechts enkele uren. Sindsdien zijn er veel andere transgene planten op de markt gebracht; al in geslaagd om veel verschillende vormen van sojabonen, aardappelen, tomaten, tabak, koolzaad, resistent tegen verschillende landbouwongedierte te verkrijgen. Zo is er een transgene aardappel verkregen die onbereikbaar is voor de coloradokever. In deze aardappel wordt een van de eiwitten van bodembacteriën gesynthetiseerd, die giftig is voor de kever, maar volkomen onschadelijk voor de mens. Er zijn transgene planten die in staat zijn om zelfstandig stikstof vast te leggen, zonder de hulp van micro-organismen, Soddan "gouden" rijst met een hoog gehalte aan vitamine A, enz.

Er zijn al kuddes transgene geiten en koeien in de wereld, waarin medisch bruikbare stoffen worden gesynthetiseerd in de borstklier, die vervolgens worden uitgescheiden met de melk van deze dieren. Tegenwoordig is het medicijn de melk van transgene dieren, die eiwitten bevat zoals insuline, menselijk groeihormoon, antitrombine, interferon. In Rusland hebben genetische technologen bijvoorbeeld een schapenras gecreëerd dat, samen met melk, ook het enzym produceert dat nodig is voor de productie van kaas; Russische wetenschappers werken samen met collega's uit Brazilië met succes aan de creatie van transgene geiten, waarvan de melk een farmaceutisch product zal bevatten dat granulocyt wordt genoemd, een koloniestimulerende factor die nodig is voor de behandeling van verschillende bloedziekten, waarvan de behoefte is enorm in de wereld.

Veel wetenschappelijke centra werken aan de creatie van transgene dieren die als model worden gebruikt voor verschillende erfelijke ziekten bij de mens. Er zijn al transgene proefdieren met een verhoogde incidentie van tumoren verkregen, er zijn lijnen van dieren gefokt in wier lichaam onder meer menselijke ziekten als sikkelcelanemie, diabetes, neurologische ziekten, artritis, geelzucht, hart- en vaatziekten en een aantal erfelijke ziekten worden voortgeplant. Dergelijke diermodellen maken een dieper begrip mogelijk van de aard van verschillende menselijke pathologieën en, op basis daarvan, de zoektocht naar effectieve medicijnen.

De technologie van transgenese kan in de toekomst ook worden gebruikt om transgene dieren te creëren die kunnen worden gebruikt als bronnen van organen en weefsels voor transplantatie (ze hebben met name geïnactiveerde antigenen die verantwoordelijk zijn voor weefselcompatibiliteit). Op dit gebied is al onderzoek gestart naar varkens, die worden beschouwd als mogelijke kandidaten voor transplantatie van hun organen op mensen. Transgene planten zullen ook voor medische doeleinden worden gebruikt. Op basis daarvan worden bijvoorbeeld vaccins ontwikkeld, die "eetbaar" worden genoemd. Om dit te doen, wordt een of ander viraal gen in de plant geïntroduceerd, dat zorgt voor de synthese van het overeenkomstige eiwit dat de eigenschap heeft van een antigeen. Het gebruik van deze plant in voedsel stelt een persoon in staat geleidelijk immuniteit tegen een bepaald virus te verwerven. Nog een voorbeeld: in Japan is een rijstvariëteit gecreëerd waarmee patiënten met diabetes het zonder medicijnen kunnen stellen, omdat het gebruik ervan de synthese van insuline door de pancreas stimuleert.

Waarschijnlijk waren het de opmerkelijke successen op het gebied van de creatie van GGO's die de aanzet gaven tot de opkomst in 1990 van een ander belangrijk gebied van gen-celbiotechnologie - gentherapie. Met behulp van gentherapie is het mogelijk om een ​​'goed' gen af ​​te leveren aan cellen die lijden aan een defect van een gen dat het werk van een 'slecht' gen kan compenseren. Toegegeven, soms wordt de ziekte veroorzaakt door het overmatige werk van individuele genen die ongebruikelijk zijn voor een normale cel (bijvoorbeeld tijdens een virale infectie). In dergelijke gevallen is het juist nodig om het werk van het "schadelijke" gen te onderdrukken. Een van de meest veelbelovende benaderingen hiervoor is RNA-interferentie - het proces van onderdrukking van het werk van een gen met behulp van fragmenten van RNA-moleculen, waarvan het mechanisme werd ontdekt door A. Fire en C. Mello (en opnieuw de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde voor 2006). Dit alles proberen ze vandaag te doen met behulp van gentherapie. Het doelwit voor gentherapie kan zowel lichaamscellen (somatische cellen) als geslachtscellen (eieren, sperma) zijn. Bij erfelijke ziekten zijn geslachtscellen wellicht meer geschikt voor gentherapie, waarvan de correctie bij het nageslacht behouden moet blijven. In praktische termen is somatische therapie nu echter van groter belang en is kiemcelgentherapie een probleem van de verre toekomst, hoewel in werkelijkheid erfelijke ziekten voor eens en voor altijd kunnen worden genezen door specifiek in te werken op geslachtscellen of embryonale cellen in de vroege stadia van ontwikkeling. Het geïntroduceerde gen, dat door kunstmatige overdracht in veel snel delende cellen van het embryo terechtkomt, kan de ontwikkeling van de ziekte voorkomen. Maar dit type gentherapie gaat gepaard met een aantal problemen, zowel technisch als vooral ethisch. Er zijn met name zorgen dat een dergelijke aanpak zou kunnen worden gebruikt om een ​​nieuwe generatie "kinderen op bestelling" te produceren.

Momenteel lijkt alleen gentherapie gericht op somatische cellen van een volwassen organisme een realiteit te zijn. Van het totale aantal bekende ziekten bij de mens is ongeveer 30-40% de zogenaamde genetische of erfelijke ziekten. Veel van deze pathologieën zijn geassocieerd met de verstoring van een enkel gen. Gentherapie is vooral van toepassing op dergelijke ziekten, omdat in deze gevallen het behandelproces aanzienlijk wordt vergemakkelijkt. Momenteel gebruiken wetenschappers informatie over de structuur van het menselijk genoom en zijn individuele genen om op grote schaal op zoek te gaan naar behandelingen voor veel erfelijke en verworven ziekten die traditioneel als dodelijk worden beschouwd voor de mens, waarvoor een "slecht" gen en/of zijn product is bekend. In de eerste plaats zijn dit ziekten zoals hemofilie, cystische fibrose, adenosinedeaminasedeficiëntie, Duchenne-myodystrofie, de ziekte van Parkinson, de ziekte van Alzheimer, verschillende cardiovasculaire pathologieën, enz. Zo werden in de VS en Groot-Brittannië tests uitgevoerd op patiënten met een defect in het gen dat codeert voor een eiwit dat nodig is voor de normale werking van het netvlies. Tijdens operaties kregen deze patiënten 'gezonde' kopieën van het beschadigde gen achter in één oog. Zes maanden later konden patiënten die vóór gentherapie alleen handbewegingen konden onderscheiden, alle lijnen op de zichtkaart zien. Er zijn enkele successen in het gebruik van gentherapie voor de behandeling van een aantal niet-erfelijke pathologieën (bepaalde vormen van kanker, ischemie) en infectieziekten (AIDS, hepatitis). Op dit moment in verschillende landen De wereld heeft al meer dan 600 protocollen goedgekeurd voor klinische proeven met behulp van gen- en genceltherapie.

De technologie van gentherapie heeft in de loop der jaren aanzienlijke veranderingen ondergaan. Om genen in het lichaam over te brengen, vertrouwden ze in de vroege stadia voornamelijk op het natuurlijke vermogen van virussen die een therapeutisch gen dragen om cellen binnen te dringen en zich te vermenigvuldigen. Nu is het tijd om deel te nemen aan deze nanobiotechnologie. De ontwikkeling van benaderingen voor gerichte genoverdracht naar bepaalde soorten cellen met behulp van nanodeeltjes die antilichamen tegen specifieke antigenen van deze cellen op hun oppervlak bevatten, is al begonnen. Dergelijke nanodeeltjes "geladen" met genen en antilichamen verplaatsen zich doelbewust in het lichaam naar de getroffen gebieden en hebben een gericht therapeutisch effect. Met alle positieve resultaten die met behulp van gentherapie zijn verkregen, blijft het echter nog steeds ineffectief. Belangrijke kwesties zoals gerichte afgifte van genen en hun langdurige en efficiënte werking in aangetaste weefsels blijven onopgelost. De toekomst van gentherapie hangt grotendeels af van het oplossen van deze problemen.

Het succes van genbiotechnologieën werd grotendeels mogelijk gemaakt door de parallelle ontwikkeling van cellulaire biotechnologieën met hen. Een van de belangrijke verwezenlijkingen was de productie en teelt van stamcellen. Eind jaren zeventig werden overtuigende gegevens verkregen over de mogelijkheid om beenmergstamceltransplantatie te gebruiken bij de behandeling van acute leukemie. Sinds die tijd is een nieuw tijdperk in de geneeskunde aangebroken. Eerst werden zogenaamde embryonale stamcellen verkregen uit muizenembryo's en vervolgens uit menselijke embryo's. De laatste gebeurtenis is erkend als een van de drie belangrijkste prestaties in de biologie in de 20e eeuw (samen met de ontdekking van de dubbele DNA-helix en de volledige decodering van het menselijk genoom).

Er is aanzienlijke vooruitgang geboekt in de moderne biotechnologie in verband met de ontwikkeling van de technologie voor het reproductief klonen van dierlijke organismen, d.w.z. het verkrijgen van kunstmatig identieke kopieën van dergelijke organismen. Ongeveer 10 jaar geleden ontstond er een ongelooflijke ophef rond de geboorte van Dolly het schaap, waar iedereen nu van weet.

Bio-engineering is een van de meest veelbelovende wetenschappelijke gebieden, met behulp waarvan het mogelijk is om nieuwe organen of zelfs lichaamsdelen te creëren voor hun verdere transplantatie in een levend persoon. Op de lange termijn zal bio-engineering een zieke in staat stellen een nieuw oog, hart en andere vitale organen te krijgen.

Velen geloven dat bio-ingenieurs proberen "God te spelen", en hun prestaties kunnen niet worden gebruikt om levens te redden, maar om het menselijk lichaam te verbeteren in strijd met de natuurwetten. Nu lijkt het science fiction, maar de laatste ontwikkelingen in bio-engineering zeggen iets anders.

Oor

Het menselijk oor is een vrij complex orgaan. Bio-engineering is echter tot veel in staat, zo bleek later. Dus wetenschappers van Princeton University, onder leiding van universitair hoofddocent Michael McAlpine, slaagden erin een kunstmatig menselijk oor te creëren, dat ze in mei 2013 presenteerden. Om dit te doen, gebruikten bio-ingenieurs de technologie van driedimensionaal printen, met behulp waarvan ze een oor van dierlijke cellen creëerden met behulp van elektronische apparaten. Als het wordt getransplanteerd naar een persoon, kan hij radiofrequenties vastleggen die voorheen ontoegankelijk voor hem waren.

Aderen

De menselijke bloedsomloop is een zeer complex mechanisme, een storing waarbij diabetes, hart- en vaatziekten en nierziekten worden bedreigd. Maar bio-engineering doet wonderen. In 2011 slaagde Cytograft Tissue Engineering erin om kunstmatige bloedvaten te creëren. Ze werden geïmplanteerd bij drie patiënten die leden aan een nierziekte. De resultaten van het experiment verbaasden de wetenschappers: 8 maanden na de operatie werkten de bioengineered bloedvaten nog naar behoren.

Een hart

In de jaren tachtig maakten hartchirurgen een echte doorbraak door een kunsthart in een persoon te transplanteren. Zeker, levend hart moeilijk te vervangen, maar met de ontwikkeling van de wetenschap maakten de prestaties van bio-engineering het mogelijk om het kunstmatige hart te verbeteren met behulp van biologische materialen, en de specialisten van het Massachusetts Institute of Technology slaagden er zelfs in om een ​​hart af te drukken op een 3D-printer van knaagdiercellen. Laten we hopen dat de prestaties van bio-engineering het binnenkort mogelijk zullen maken om een ​​kunstmatig menselijk hart te "printen" dat niet onderdoet voor het echte hart.

Lever

Bioengineering is al dicht bij het creëren van een kunstmatige menselijke lever. Zo werden in 2010 miniatuurvoorbeelden van dit orgel gemaakt door specialisten uit de Baltische staten medisch Centrum aan de Wake Forest University met behulp van dierlijke en menselijke cellen. Daarnaast werd een experiment uitgevoerd aan de Universiteit van Yokohama, waardoor "embryo's" van de lever werden gecreëerd. Maar om een ​​functionerend orgaan te creëren, zijn duizenden van dergelijke elementen nodig.

Luchtpijp

Hoewel bio-engineering de mensheid nog geen kunstmatige lever kan geven, is het wel in staat een luchtpijp te creëren. Dus in de Amerikaanse staat Illinois werd de 2,5-jarige Hannah Warren getransplanteerd met een kunstmatig gekweekte luchtpijp. De operatie is geslaagd, maar op 7 juli 2013 is het meisje overleden als gevolg van een eerdere operatie aan de slokdarm.

Tussenwervelschijven

Zelfs een kleine verplaatsing van de tussenwervelschijven leidt in het beste geval tot ernstige rugpijn, en in het slechtste geval zonder chirurgische ingreep niet genoeg. Maar als gevolg van de operatie verbinden artsen eenvoudig de wervels met elkaar, waardoor een persoon mobiliteit wordt ontnomen. In zeldzame gevallen worden kunstmatige schijven gebruikt, die snel verslijten. Gelukkig voldeed bio-engineering ook hier aan alle verwachtingen. Dit jaar hebben wetenschappers van Duke University een schijf gemaakt die, wanneer geïmplanteerd in de interdiscale ruimte, in staat is om de overeenkomstige weefsels te herstellen, waardoor de tussenwervelschijf in het lichaam van de patiënt groeit.

Ingewanden

Het gebruik van collageen en stamcellen heeft bio-engineering mogelijk gemaakt om een ​​dunne kunstmatige darm te creëren. Wetenschappers zijn echter nog verre van het creëren van een volwaardig orgel.

Knop

De nier is een van de meest gewilde organen. Alleen al in de VS staan ​​ongeveer 60.000 patiënten met nierfalen op de wachtlijst voor een niertransplantatie. Misschien wordt dit probleem opgelost door specialisten van de Universiteit van Californië. Met behulp van de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van bio-engineering werken ze aan een kunstnier op basis van siliconen nanofilters en menselijke niercellen. Al in 2017 hopen wetenschappers dit apparaat te testen.