Lezing over biotechnologie nr. 1

Inleiding tot de biotechnologie. Milieu-, landbouw-, industriële biotechnologie.

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

Vraag nr. 1

Sinds de oudheid hebben mensen biotechnologie gebruikt bij het maken, brouwen of bakken van wijn. Maar de processen die ten grondslag liggen aan deze industrieën bleven lange tijd mysterieus. Hun aard werd pas duidelijk aan het einde van de 19e en het begin van de 20e eeuw, toen methoden voor het kweken van micro-organismen en pasteurisatie werden ontwikkeld en zuivere lijnen van bacteriën en enzymen werden geïsoleerd. Om de verschillende technologieën aan te duiden die het nauwst verband houden met de biologie, werden voorheen namen gebruikt als ‘toegepaste microbiologie’, ‘toegepaste biochemie’, ‘enzymtechnologie’, ‘bio-engineering’, ‘toegepaste genetica’ en ‘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 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 gaf een impuls aan de ontwikkeling van de zymologie. Alfa-amylase is bijvoorbeeld nodig om zetmeel af te breken.

Tegelijkertijd werden er belangrijke ontdekkingen gedaan op het gebied van de opkomende genetica, zonder welke moderne biotechnologie ondenkbaar zou zijn. In 1865 liet de Oostenrijkse monnik Gregor Mendel de Brunn Society of Naturalists kennismaken met zijn ‘Experiments on Plant Hybrids’, waarin hij de wetten van erfelijkheid beschreef. In 1902 suggereerden biologen Walter Sutton en Theodore Boveri dat de overdracht van erfelijkheid verband houdt 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 hebben aangetoond dat een cel kan bestaan ​​in een kunstmatige omgeving en los van het lichaam. De experimenten van laatstgenoemde leidden tot de ontdekking van de rol van vitamines, mineralensupplementen en hormonen.

Toen was er een woord

Het geboortejaar van de term 'biotechnologie' wordt beschouwd als 1919, toen het manifest 'Biotechnologie van de verwerking van vlees, vetten en melk op grote landbouwbedrijven' werd gepubliceerd. De auteur is de Hongaarse landbouweconoom en destijds minister van Voedselvoorziening Karl Ereky. Het manifest beschreef de verwerking van agrarische grondstoffen tot andere voedselproducten met behulp van biologische organismen. Ereki voorspelde een nieuw tijdperk in de menselijke geschiedenis en vergeleek de ontdekking van deze methode met de grootste technologische revoluties uit het verleden: de opkomst van de productieve economie in het Neolithicum en de metallurgie in de Bronstijd. Maar tot eind jaren twintig betekende biotechnologie eenvoudigweg het gebruik van micro-organismen voor fermentatie. In de jaren dertig ontwikkelde de medische biotechnologie zich. Penicilline, ontdekt in 1928 door Alexander Fleming, geproduceerd uit de schimmels Penicillium notatum, werd 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 voedingseiwitten uit afval van de olie-industrie.

In 1953 werd een ontdekking gedaan die vervolgens een revolutie in de biotechnologie veroorzaakte: James Watson en Francis Crick ontcijferden de structuur van DNA. En in de jaren zeventig werd manipulatie van erfelijk materiaal aan de biotechnologische technieken toegevoegd. In letterlijk twintig jaar werden alle noodzakelijke hulpmiddelen hiervoor ontdekt: reverse transcriptase werd geïsoleerd - een enzym waarmee je de genetische code van RNA terug in DNA kunt "herschrijven", er werden enzymen ontdekt voor het knippen van DNA, evenals een polymeraseketen reactie voor herhaalde reproductie van individuele DNA-fragmenten.

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 werden in de stad Asilomar (VS), op het Internationale Congres gewijd aan de studie van recombinante DNA-moleculen, voor het eerst zorgen geuit over het gebruik van nieuwe technologieën.

“Het waren niet politici, religieuze groeperingen of journalisten die alarm sloegen, zoals je zou verwachten. Het waren de wetenschappers zelf”, herinnert Paul Berg zich, een van de organisatoren van de conferentie en een pionier in het creëren van recombinante DNA-moleculen. “Veel wetenschappers vreesden dat het publieke debat zou leiden tot onnodige beperkingen op de moleculaire biologie, maar zij moedigden een verantwoord debat aan dat tot consensus leidde.” Congresdeelnemers riepen op tot een moratorium op een aantal potentieel gevaarlijke onderzoeken.

Ondertussen is de synthetische biologie geëvolueerd uit de biotechnologie en genetische manipulatie, die zich bezighoudt met het ontwerp van nieuwe biologische componenten en systemen en het herontwerp van bestaande. Het eerste teken van synthetische biologie was de kunstmatige synthese van transfer-RNA in 1970, en vandaag de dag is het al mogelijk om volledige genomen uit elementaire structuren te synthetiseren. In 1978 construeerde Genentech in het laboratorium de E. coli-bacterie die humane insuline synthetiseert. Vanaf dit moment is genetische recombinatie eindelijk opgenomen in het arsenaal van de biotechnologie en wordt het er bijna synoniem mee geacht. Tegelijkertijd vond de eerste overdracht van nieuwe genen naar de genomen van dierlijke en plantaardige cellen plaats. Nobelprijswinnaar Walter Gilbert uit 1980 verklaarde: „We kunnen voor medische doeleinden of commercieel gebruik vrijwel elk menselijk eiwit verkrijgen dat in staat is belangrijke functies van het menselijk lichaam te beïnvloeden.”

In 1985 vonden de eerste veldproeven plaats met transgene planten die resistent waren tegen herbiciden, insecten, virussen en bacteriën. Er verschijnen patenten op planten. De moleculaire genetica begint te bloeien en analytische methoden zoals sequencing, dat wil zeggen het bepalen van de primaire sequentie van eiwitten en nucleïnezuren, ontwikkelen zich snel.

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

Gebieden van biotechnologie en producten die met zijn hulp zijn verkregen

Technologie en biotechnologie

Technologie- dit zijn methoden en technieken die gebruikt worden om uit het bronmateriaal (grondstoffen) een bepaald product te verkrijgen. Heel vaak zijn voor het verkrijgen van één product niet één, maar meerdere bronnen van grondstoffen nodig, niet één methode of techniek, maar een reeks van meerdere. Alle verschillende technologieën kunnen worden onderverdeeld in drie hoofdklassen:

Fysische en mechanische technologieën;

Chemische technologieën;

Biotechnologie.

In fysieke en mechanische technologieën het bronmateriaal (grondstoffen) tijdens het verkrijgen van het product verandert van vorm of aggregatietoestand zonder de vorm ervan te veranderen chemische samenstelling(bijvoorbeeld houtverwerkingstechnologie voor de productie houten meubels, verschillende methoden voor de productie van metalen producten: spijkers, machineonderdelen, enz.).

Op het gebied van chemische technologieën bij het verkrijgen van een product ondergaan grondstoffen veranderingen in de chemische samenstelling (bijvoorbeeld de productie van polyethyleen uit aardgas, alcohol uit aardgas of hout, synthetisch rubber uit aardgas).

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

De nieuwste biotechnologie (bioengineering) 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 In zekere 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 veredelings) planten, dieren en micro-organismen, onder natuurlijke en kunstmatige omstandigheden. voorwaarden.

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, productie van transgene organismen met nieuwe of verbeterde eigenschappen en kenmerken.

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

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

Hoofdrichtingen van de ontwikkeling van de biotechnologie

De uitbreiding van de toepassingsgebieden van de biotechnologie heeft een aanzienlijke invloed op de verbetering van de menselijke levensstandaard (Fig. 1.2). De snelste implementatie van biotechnologische processen levert resultaten op in de geneeskunde, maar volgens veel deskundigen zal het belangrijkste economische effect worden behaald in de landbouw en de landbouw. chemische industrie.

Microarrays, celculturen, monoklonale antilichamen en eiwitmanipulatie zijn slechts enkele van de moderne biotechnologische technieken die in verschillende stadia van de ontwikkeling van vele soorten producten worden gebruikt. Het begrijpen van de moleculaire basis van biologische processen maakt het mogelijk om de kosten van de ontwikkeling en voorbereiding van de productie van een bepaald product aanzienlijk te verlagen en de kwaliteit ervan te verbeteren. Landbouwbiotechbedrijven die insectenresistente plantenvariëteiten ontwikkelen, kunnen bijvoorbeeld de hoeveelheid beschermend eiwit in een celcultuur meten zonder middelen te verspillen aan het kweken van de planten zelf; Farmaceutische bedrijven kunnen celculturen en microarrays gebruiken om de veiligheid en effectiviteit van medicijnen te testen, en om mogelijke bijwerkingen in de vroege stadia van de ontwikkeling van medicijnen te identificeren.

Genetisch gemodificeerde dieren, in wier lichaam processen plaatsvinden die de fysiologie van verschillende menselijke ziekten weerspiegelen, voorzien wetenschappers van volledig adequate modellen voor het testen van het effect van een bepaalde stof op het lichaam. Het stelt bedrijven ook in staat om de veiligste en meest effectieve medicijnen al eerder in de ontwikkeling te identificeren.

Dit alles wijst op het belang van biotechnologie en de ruime mogelijkheden van de toepassing ervan in verschillende sectoren van de nationale economie. Welke gebieden hebben op dit gebied de hoogste prioriteit? Laten we ze eens bekijken.

1. Het verbeteren van de veiligheid van biotechnologische productie voor mens en milieu. Het is noodzakelijk om werkende systemen te creëren die alleen onder strikt gecontroleerde omstandigheden kunnen functioneren. E. coli-stammen die in de biotechnologie worden gebruikt, missen bijvoorbeeld supra-membraanstructuren (enveloppen); 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 verminderen van het aandeel menselijk industrieel afval. Industrieel afval zijn de bijproducten die niet door mensen of andere componenten van de biosfeer kunnen worden gebruikt en waarvan het gebruik niet winstgevend is of een bepaald risico met zich meebrengt. Dergelijk afval hoopt zich op in productielocaties (territoria) of komt in het milieu terecht. Men moet ernaar streven de verhouding ‘nuttig product/afval’ te veranderen ten gunste van een nuttig product. Dit wordt op verschillende manieren bereikt. Eerst moet het afval worden gevonden nuttige toepassing. Ten tweede kunnen ze worden verzonden voor recycling, waardoor een gesloten technologische cyclus ontstaat. Ten slotte kan het werksysteem zelf worden aangepast om verspilling te verminderen.

3. Het verlagen van de energiekosten voor de productie van producten, 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 vergelijkbaar met de netto brutoproductie van alle fotosynthetische organismen op aarde. Om zonne-energie om te zetten in vormen die beschikbaar zijn voor moderne energiecentrales, worden energieplantages van snelgroeiende planten aangelegd (onder meer met behulp van cellulaire engineeringmethoden). De resulterende biomassa wordt gebruikt voor de productie van cellulose, biobrandstof en vermicompost. De uitgebreide voordelen van dergelijke technologieën liggen voor de hand. Het gebruik van celtechnologiemethoden voor constante vernieuwing van plantmateriaal garandeert de productie in de kortst mogelijke tijd van een groot aantal planten die vrij zijn van virussen en mycoplasma's; Tegelijkertijd is het niet nodig om moederplantages aan te leggen. De belasting van natuurlijke aanplantingen van houtachtige planten wordt verminderd (ze worden grotendeels gekapt om cellulose en brandstof te verkrijgen) en de behoefte aan fossiele brandstoffen wordt verminderd (in het algemeen is dit voor het milieu ongunstig, aangezien de verbranding ervan ondergeoxideerde stoffen produceert). Wanneer biobrandstoffen worden gebruikt, worden koolstofdioxide en waterdamp geproduceerd, die in de atmosfeer terechtkomen en vervolgens door planten op energieplantages worden gerecombineerd.

4. Creëren vanen. De kwaliteit van landbouwproducten gaat aanzienlijk achteruit als minerale meststoffen en pesticiden worden gebruikt, die enorme schade aan natuurlijke ecosystemen veroorzaken. Er zijn verschillende manieren om de negatieve gevolgen van de chemisering van de landbouwproductie te boven te komen. Allereerst is het noodzakelijk om monoculturen achterwege te laten, dat wil zeggen het gebruik van een beperkt aantal biotypes (variëteiten, rassen, stammen). De nadelen van de monocultuur werden aan het einde van de 19e eeuw onderkend; ze zijn duidelijk. Ten eerste nemen in een monocultuur de concurrentieverhoudingen tussen de gecultiveerde organismen toe; tegelijkertijd heeft monocultuur slechts een eenzijdig effect op concurrerende organismen (onkruiden). Ten tweede vindt er een selectieve verwijdering van minerale voedingselementen plaats, wat leidt tot bodemdegradatie. Ten slotte is monocultuur niet resistent tegen ziekteverwekkers en plagen. Daarom in de 20e eeuw. het werd gehandhaafd door een uitzonderlijk hoge productie-intensiteit. Natuurlijk vereenvoudigt het gebruik van monoculturen van intensieve variëteiten (rassen, stammen) de ontwikkeling van productietechnologie. Gebruik bijvoorbeeld hoge technologie Er zijn plantenrassen ontstaan ​​die resistent zijn tegen een bepaald bestrijdingsmiddel, dat in hoge doseringen gebruikt kan worden bij de teelt van deze specifieke rassen. 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 (ongedierte) verschijnen die resistent zijn tegen dit pesticide.

Daarom is een systematische overgang van monocultuur naar multicomponent (polyklonale) samenstellingen, inclusief verschillende biotypes van gecultiveerde organismen, noodzakelijk. Samenstellingen met meerdere componenten moeten organismen omvatten met verschillende ontwikkelingsritmes, met een verschillende houding ten opzichte van de dynamiek van fysisch-chemische omgevingsfactoren, concurrenten, ziekteverwekkers en plagen. In genetisch heterogene systemen ontstaan ​​compenserende interacties van individuen met verschillende genotypen, waardoor het niveau van intraspecifieke concurrentie wordt verminderd en automatisch de druk van gecultiveerde organismen op concurrerende organismen van andere soorten (onkruid) toeneemt. Met betrekking tot ziekteverwekkers en plagen wordt een dergelijk heterogeen ecosysteem gekenmerkt door collectieve groepsimmuniteit, die wordt bepaald door de interactie van vele structurele en functionele kenmerken individuele biotypes.

5. Ontwikkeling van nieuwe medicijnen voor de geneeskunde. Er wordt momenteel actief onderzoek gedaan op het gebied van de geneeskunde: Verschillende types nieuwe medicijnen - doelgericht en individueel.

Gerichte medicijnen. De belangrijkste oorzaken van kanker zijn ongecontroleerde celdeling en verstoring van apoptose. De werking van geneesmiddelen die zijn ontworpen om deze te elimineren, kan gericht zijn op elk van de moleculen of celstructuren die bij deze processen betrokken zijn. Onderzoek op het gebied van functionele genomica heeft ons al informatie opgeleverd over de moleculaire veranderingen die plaatsvinden in precancereuze cellen. Op basis van de verkregen gegevens kunnen diagnostische tests worden ontwikkeld om moleculaire markers te identificeren die het begin van het oncologische proces signaleren voordat de eerste zichtbare celafwijkingen verschijnen of symptomen van de ziekte verschijnen.

De meeste geneesmiddelen voor chemotherapie richten zich op eiwitten die betrokken zijn bij de celdeling. Helaas doodt dit niet alleen kwaadaardige cellen, maar vaak ook normale delende cellen van het lichaam, zoals cellen van het hematopoëtische systeem en haarzakjes. Om te voorkomen dat dit gebeurt bijwerking zijn sommige bedrijven begonnen met het ontwikkelen van medicijnen die de celcycli van gezonde cellen tot stilstand brengen onmiddellijk voordat een dosis chemotherapie wordt toegediend.

Individuele voorbereidingen. In het huidige stadium van de wetenschappelijke ontwikkeling begint het tijdperk van geïndividualiseerde geneeskunde, waarin rekening zal worden gehouden met de genetische verschillen van patiënten voor het meest effectieve gebruik van medicijnen. Met behulp van functionele genomics-gegevens is het mogelijk genetische varianten te identificeren die specifieke patiënten vatbaar maken voor de negatieve bijwerkingen van sommige medicijnen en vatbaar 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 metabolische producten te gebruiken om bepaalde technologische problemen op te lossen.

Met behulp van biotechnologie wordt aan bepaalde menselijke behoeften voldaan, bijvoorbeeld: de ontwikkeling van medicijnen, het modificeren of creëren van nieuwe soorten planten en dieren, waardoor de kwaliteit van voedselproducten toeneemt.

Biotechnologie in de moderne geneeskunde

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

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

• een DNA-molecuul extraheren uit een dierlijke of plantaardige cel;
• verwerk de geïsoleerde cel en het plasmide en meng ze vervolgens;
• vervolgens wordt het gemodificeerde plasmide overgebracht naar de bacterie, die op zijn beurt de 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 metabolische parameters); fysiek (bepaling van de fysieke velden van het lichaam);
2. Medicinaal.

NAAR medische biotechnologie dergelijke omvatten productieprocessen, waarbij biologische objecten 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 creëren van verschillende doseringsvormen, aminozuren.

Zo worden biotechnologische methoden gebruikt:

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

De medische genetica zal in de toekomst niet alleen de geboorte van gebrekkige kinderen kunnen voorkomen door genetische ziekten te diagnosticeren, maar ook gentransplantaties kunnen uitvoeren om het bestaande probleem op te lossen.

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

Biotechnologie in de moderne wetenschap

Biotechnologie op moderne wetenschap heeft grote voordelen. Dankzij de ontdekking van genetische manipulatie is het mogelijk geworden nieuwe planten- en dierrassen te ontwikkelen die de landbouw ten goede zullen komen.

Biotechnologie studeren gaat niet alleen over wetenschap biologische richting. In de micro-elektronica zijn ionselectieve transistors ontwikkeld op basis van het veldeffect (HpaI). Biotechnologie is noodzakelijk om de oliewinning uit oliereservoirs te verbeteren. Het meest ontwikkelde gebied is het gebruik van biotechnologie in de ecologie voor het reinigen van industrieel en huishoudelijk afval. Afvalwater. Veel andere disciplines hebben bijgedragen aan de ontwikkeling van de biotechnologie. Daarom moet biotechnologie als een complexe wetenschap worden geclassificeerd.

Een andere reden voor de actieve studie en verbetering van kennis op het gebied van de biotechnologie was de kwestie van het ontbreken (of toekomstige tekort) aan sociaal-economische behoeften.

Er zijn problemen in de wereld zoals:

• gebrek aan zoet of gezuiverd water (in sommige landen);
• vervuiling omgeving verschillende chemicaliën;
• tekort aan energiebronnen;
• de noodzaak om te verbeteren en een volledig nieuw milieu te verkrijgen zuivere materialen en producten;
• verbetering van het niveau van de geneeskunde.

Wetenschappers zijn ervan overtuigd dat deze en vele andere problemen kunnen worden opgelost met behulp van biotechnologie.

Basisstandaard technologische technieken van de moderne biotechnologie

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

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

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

Visuele biotechnologie. Genetische en cellulaire manipulatie

Genetische en cellulaire manipulatie in combinatie met biochemie zijn de belangrijkste gebieden van de moderne biotechnologie.

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

Plantenceltechniek wordt als de meest succesvolle beschouwd. Met behulp van plant cell engineering is het mogelijk geworden om veredelingsprocessen te versnellen, waardoor het mogelijk wordt nieuwe variëteiten van landbouwgewassen te ontwikkelen. Nu is de ontwikkeling van een nieuw ras teruggebracht van 11 jaar naar 3-4 jaar.

Genetische (of gen) manipulatie is een tak van de moleculaire biologie die zich bezighoudt met de studie en isolatie van genen uit de cellen van levende organismen, waarna ze worden gemanipuleerd om een ​​specifiek doel te bereiken. De belangrijkste hulpmiddelen die bij genetische manipulatie worden gebruikt, zijn enzymen en vectoren.

Klonen van biotechnologie

Klonen is het proces waarbij klonen worden verkregen (dat wil zeggen nakomelingen die volledig identiek zijn aan het prototype). Het eerste kloonexperiment werd uitgevoerd op planten die vegetatief gekloond waren. 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 op planten te worden toegepast, maar ook op de genetische veredeling van bacteriën.

Al aan het einde van de twintigste eeuw begonnen wetenschappers actief het klonen van mensen te bespreken. Zo begon de term 'kloon' te worden gebruikt in de media, en later in de literatuur en kunst.

Wat bacteriën betreft, is klonen vrijwel de enige manier van voortplanting. Het zijn ‘klonerende bacteriën’ die worden gebruikt in gevallen waarin het proces kunstmatig is en door een persoon wordt gecontroleerd. Deze term is niet van toepassing op de natuurlijke voortplanting van micro-organismen.

Genetische manipulatie

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

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

Biotechnologie van plantencellen

Cellulaire biotechnologie is gebaseerd op het gebruik van cellen, weefsels en protoplasten. Om cellen succesvol te beheren, moet je ze van de plant scheiden en ze allemaal maken de noodzakelijke voorwaarden voor een succesvol bestaan ​​en voortplanting buiten het plantenlichaam. Deze methode voor het kweken en vermeerderen van cellen wordt ‘geïsoleerde weefselkweek’ genoemd en heeft een bijzondere betekenis gekregen vanwege de mogelijke toepassing ervan in de biotechnologie.

Biotechnologie in de moderne wereld en het menselijk leven

Het potentieel dat de biotechnologie voor de mens opent, is niet alleen groot op het gebied van de fundamentele wetenschap, maar ook op andere werkterreinen en kennisgebieden. Door gebruik te maken van biotechnologische methoden is massaproductie van alle noodzakelijke eiwitten mogelijk geworden.

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 hoofdrichting in de biotechnologie, versnelt de oplossing van het probleem van de voedsel-, landbouw-, energie- en milieucrises aanzienlijk.

Biotechnologie heeft de grootste impact op de geneeskunde en farmaceutische producten. Er wordt voorspeld dat het in de toekomst mogelijk zal worden om ziekten die de status ‘ongeneeslijk’ hebben, te diagnosticeren en te behandelen.

Ethische aspecten van enkele ontwikkelingen in de biotechnologie

Nadat bekend werd dat sommige wetenschappelijke laboratoria niet alleen experimenten met menselijke embryo's uitvoerden, maar ook probeerden mensen te klonen, begon een golf van verhitte discussies over deze kwestie 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 (kweek van menselijke embryo's om hun cellen voor behandeling te gebruiken);
• reproductief klonen (het maken van menselijke klonen).

Moderne prestaties en problemen van de biotechnologie

Met behulp van de biotechnologie is en zal een groot aantal producten voor de gezondheidszorg worden verkregen. landbouw voedsel- en chemische industrie. Vermeldenswaard is dat veel van de producten op geen enkele andere manier verkrijgbaar waren.

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

Huidige staat en vooruitzichten van de biotechnologie

In de biotechnologie begint de industrie 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 voedselvoorziening op basis van planten en dieren, richting microbiële synthese.

Het verkrijgen van milieuvriendelijke energie met behulp van biotechnologie is een andere belangrijke en veelbelovende richting in de wetenschap.

Bedrijven die nieuwe biotechnologieën ontwikkelen

Forbes magazine presenteerde een lijst van 's werelds meest innovatieve biotechnologiebedrijven, waaronder bedrijven als Genentech, Novartis International AG, Merck & Co, Pfizer, Sanofi en Perrigo. Al deze bedrijven zijn direct gerelateerd aan de farmaceutische industrie 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 is een bedrijf dat zich bezighoudt met de ontwikkeling van vaccins en de productie van medicijnen op het gebied van oncologie, een van de ondernemingen is actief in St. Petersburg.
2. Pfizer produceert zelfzorggeneesmiddelen op verschillende medische gebieden. Pfizer implementeert al enkele jaren het ‘More Than Education’-programma in Rusland, in het kader van overeenkomsten met de Staatsuniversiteit van Moskou. M.V. Lomonosov en de Staatschemische en Farmaceutische Academie van Sint-Petersburg.
3. Sanofi is een bedrijf dat zich bezighoudt met de productie van medicijnen voor de behandeling van suikerziekte en sclerose. De unieke onderneming van het bedrijf, de fabriek, is met succes actief in Rusland volle cirkel voor de productie van insuline "Sanofi-Aventis Vostok".

In Rusland is een speciale rol weggelegd voor het Biomedical Technologies Cluster van het Skolkovo Innovation Center, RVC OJSC en Rusnano OJSC. De bedrijven OJSC Akrikhin, LLC Geropharm en NPF Litech houden zich bezig met farmaceutische en medische biotechnologieën. Het Himrar High Technology Center verenigt hightechorganisaties die leiding geven aan de ontwikkeling en productie van innovatieve 14 bedrijven die zich ontwikkelen geneesmiddelen gebaseerd op de nieuwste ‘post-genomische’ technologieën.

Daarnaast zijn er jonge startups die nieuwe biotechnologieën ontwikkelen:

• “3D Bioprinting Solutions” maakt gebruik van driedimensionale bioprinting om organen te creëren uit de stamcellen van de patiënt;
• BioMicroGels biedt ontwikkelingen voor water- en bodemzuivering met behulp van microgels.
• De 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 haar dieet te heroverwegen, een aanzienlijk deel van haar eiwitten uit insecten zal gaan halen.

Op een van de stands op de startup-tentoonstelling waren producenten van voedereiwitten van vliegenlarven, die het Lipetsk-bedrijf New Biotechnologies vertegenwoordigden. Voorlopig is het voedsel bedoeld voor dieren, maar in de toekomst zullen insectengerechten, zoals blijkt uit talrijke voorspellingen, niet langer exotisch zijn in het menselijke menu. Vijf waaghalzen durfden het product met uitzonderlijke voedingseigenschappen bij Startup Village aan. De correspondent van de site durfde hun voorbeeld niet te volgen, maar vroeg de proevers in detail hoe de smaak van het voedsel van de toekomst was, en ontdekte tegelijkertijd dat vliegen uit Lipetsk, omringd door de warmte en zorg van fokkers, worden veel vruchtbaarder dan hun verwanten.

Alexey Istomin met de producten van New Biotechnologies bij Startup Village. Foto: website

New Biotechnologies is gespecialiseerd in de productie van eiwitrijk voedsel uit gedroogde en gemalen groene bromvlieglarven, vergelijkbaar met het mechanisme waar de natuur miljoenen jaren aan heeft gewerkt. “Dieren, vissen, vogels planten zich voort, voeden zich, laten mest en uitwerpselen achter, sterven, en de natuur verwerkt dit allemaal onvermoeibaar.. - Vliegen leggen eieren op afval, waaruit larven tevoorschijn komen, die enzymen afscheiden die het proces van afbraak en mineralisatie van afval. In dit geval worden de larven zelf voedsel voor dieren, vissen en vogels. En het resterende substraat onder invloed van regen en zon in vorm brengen organische meststof dringt de bodem binnen en bevordert de snelle groei van fytomassa, die ook dient als voedsel voor alle levende wezens. Met andere woorden: er vindt recycling plaats voedingsstoffen, en zonder pesticiden of gifstoffen. Alleen biologisch.”

Dit natuurlijke proces is geleend door het bedrijf New Biotechnologies. De resulterende biomassa, vliegenlarven, heeft een hoog gehalte aan voedingsstoffen. 50-70% van de biomassa bestaat uit ruw eiwit, 20-30% is ruw vet, 5-7% is ruwe celstof.

Bij het beschrijven van het positieve effect van het gebruik van voedereiwitten (commerciële naam - "Zooproteïne") in verschillende landbouwsectoren was Alexey Istomin zeer overtuigend. “In de varkenshouderij zorgt het gebruik van eiwit-lipidenconcentraat in microdoses als toevoeging aan het dieet van biggen, varkens en beren ervoor dat we de verteerbaarheid van het voedsel en de natuurlijke weerstand van het lichaam tegen ziekten en virussen kunnen vergroten, de gewichtstoename, de activiteit en de gezondheid kunnen verhogen. nakomelingen,” somt de heer Istomin de voordelen op van voedsel gemaakt van vliegenlarven. - Dit komt door het gehalte aan “Zooproteïne” van een groot aantal enzymen, chitine, melanine en immunomodulatoren. In de pluimveehouderij kan de opname van ons voereiwit in het dieet van vleeskuikens, kalkoenen, eenden en ander pluimvee de dagelijkse gewichtstoename verhogen en de voerverhouding verlagen. Bij leghennen is er sprake van een toename van de eierproductie, een toename van de weerstand van het lichaam tegen ziekten en virussen, en een afname van de sterfte.” In de bontfokkerij leidt het toevoegen van “Zooproteïne” aan het voer van nertsen, poolvossen en vossen tot een verbetering van de kwaliteit van de vacht en een afname van het percentage uitval. Dieren hebben een grotere lichaamslengte en borstomvang, daarom kunnen er meer huiden van worden verkregen.

Van links naar rechts: kant-en-klaarvoer, gedroogde en levende larven. Foto: website

Het uiterlijk van voedsel gemaakt van vliegen zal ook eigenaren van gezelschapsdieren tevreden stellen. Volgens Alexey Istomin zijn “bij katten en honden de oestrus en de rui gemakkelijker, nemen de spiertonus en de activiteit toe, wordt de vacht dichter; dieren worden minder ziek.” Wanneer eiwit van vliegenlarven aan het voer wordt toegevoegd, wordt pluimvee ook gezonder en wordt hun kleur helderder. Frituur aquariumvissen ontwikkelen zich twee keer zo snel en het overlevingspercentage van jongen nadert de 100%.

De wonderbaarlijke technologie is niet ontstaan lege ruimte- haar theoretische basis werden een halve eeuw geleden opgericht bij het All-Union Scientific Research Institute of Animal Husbandry, evenals bij het Novosibirsk State Agricultural Institute. Daar bestudeerden ze onder laboratoriumomstandigheden uitgebreid toevoegingsmiddelen voor diervoeding van vliegenlarven. Het werk in deze richting wordt nu voortgezet in de staat Novosibirsk Agrarische Universiteit, VNIIZH im. OK. Ernst, Instituut voor Ecologie en Evolutie. EEN. Severtsova. Volgens Alexey Istomin wordt de effectiviteit van het gebruik van eiwitvoer verkregen als resultaat van de verwerking van afval door vliegenlarven, in vergelijking met andere dierlijke eiwitten (vis- en vlees- en beendermeel), bevestigd door onderzoeken uitgevoerd aan het All-Russische Onderzoeksinstituut van Veehouderij en het All-Russische Wetenschappelijk Onderzoeks- en Technologisch Instituut voor pluimveehouderij. Opmerkelijk is dat de relevantie van deze technologie in de loop van de tijd alleen maar groter wordt, omdat de wereld wordt geconfronteerd met een acuut tekort aan dierlijke eiwitten.

“Wat ons stoort, stinkt en veel geld kost, kan helpen en ten goede komen aan de binnenlandse landbouw, wat extra winst oplevert en de belasting van het milieu vermindert”

Het bedrijf New Biotechnologies schat de hoeveelheid op 25 miljoen ton; in Rusland is hetzelfde cijfer 1 miljoen ton. Sinds 1961 is de wereldbevolking meer dan verdubbeld en is de mondiale vleesconsumptie verviervoudigd. De mondiale consumptie van dierlijke eiwitten zal naar verwachting in 2030 met 50% toenemen. Tot nu toe zijn de belangrijkste bronnen in de landbouw vis (vismeel) en vlees- en beendermeel. “Het vismeel van de hoogste kwaliteit komt uit Marokko, Mauritanië en Chili, en de waarde ervan stijgt evenredig met de logistieke kosten. De prijs van vismeel is de afgelopen vijftien jaar acht keer gestegen”, vertelt Alexey Istomin in de statistieken. - Veel producenten van landbouwproducten verlaten geïmporteerd vismeel van hoge kwaliteit ten gunste van goedkopere analogen van mindere kwaliteit, en schakelen ook over op vlees- en beendermeel of plantaardige eiwitten, met name soja. Het gebruik van plantaardige eiwitten maakt het niet mogelijk om het gewenste resultaat te bereiken - voor dergelijk eiwit is een grote hoeveelheid nodig landbronnen en kunnen dierlijke eiwitten qua samenstelling niet volledig vervangen.”

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

Naast economische factoren zijn er ook ecologische vereisten om het voedingsparadigma te veranderen. Om 1 ton meel te produceren, is het dus nodig om 5 ton commerciële vis te vangen. Aangezien de behoefte aan dierlijke eiwitten groot is, heeft de visvangst een aanzienlijk niveau 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 kooldioxide in de atmosfeer terecht. De extra milieukosten worden in dit geval geschat op 3,5 duizend dollar. Bij de productie van één ton meel uit vliegenlarven komt er vijf keer minder CO2 in de atmosfeer terecht. Dat wil zeggen dat elke ton geproduceerde eiwitten van vliegenlarven 5 ton vis in de zee bespaart.

“De smaak is ongebruikelijk, anders dan al het andere. Maar dit eiwit versterkt het immuunsysteem en bevordert de spiergroei."

Denken aan alternatieve bronnen dierlijke eiwitten, richtten onderzoekers hun aandacht op insecten. Er zijn meer dan 90.000 soorten vliegen op de planeet, en elk van hen voedt zich met bepaald afval: plantaardig materiaal, mest/afval, voedsel verspilling enz. “Wat ons stoort, stinkt en hoge kosten met zich meebrengt – milieu, financiën, energie – kan helpen en ten goede komen aan de binnenlandse landbouw, wat extra winst oplevert en de belasting voor het milieu vermindert”, zegt Alexey Istomin. Op zijn minst bewijst de proefproductie van het bedrijf New Biotechnologies in Lipetsk de belofte van het gebruik van de technologie in industriële omstandigheden.

Gehakte Lucy

De bekende metaalgroene heldere vliegen Lucilia caesar (in het bedrijf wordt deze insectensoort liefkozend Lucy genoemd) worden bij de productie in Lipetsk in speciale insectaria gehouden. Er leven enkele tientallen miljoenen vliegen. Dit zijn in veel opzichten unieke insecten. Om hun voortplantingsvermogen te verbeteren, voerden wetenschappers meer dan twee jaar lang nauwgezet kweekwerk uit, waarbij ze insecten kruisten met behulp van een bepaalde techniek. Als in de natuur één vlieg een legsel van 60 eieren maakt, dan is bij Lipetsk-insecten het legsel (en dus het aantal larven en het resulterende voedsel) gemiddeld drie keer groter. Specialisten op het gebied van nieuwe biotechnologie voeren geen genetische manipulaties uit op vliegen, we praten over over de “traditionele” selectie verzekert de heer Istomin wijzend naar een kooi bedekt met fijn gaas met zwermende insecten op de stand, vervolgt hij: “Gisteren waren hier slechts 6 vliegen; in slechts één dag 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 er vandaag de dag nog veel meer zijn. Morgen zal hun aantal nog verder groeien.” Dit proces werd gedeeltelijk belemmerd door ongeschikt weer: optimale temperatuur om een ​​pop in een vlieg te veranderen - ongeveer 30 graden. Hoewel er 's nachts insecten de kamer van Startup Village binnenkwamen, was de temperatuur daar lager.

Op de productielocatie in Lipetsk hebben vliegen volledige vrijheid. Foto: "Nieuwe biotechnologieën".

Bij de productie in Lipetsk hebben vliegen volledige vrijheid, waar ze worden beschermd tegen ongunstige omstandigheden en stress. Vliegen worden gehouden in speciale kooien met daarin water, suiker, melkpoeder en dozen met gehakt, waar vliegen eieren in leggen. De koppelingen worden dagelijks verwijderd. De kwaliteit en zuiverheid van de bevolking wordt gecontroleerd door de hoofdtechnoloog. Hiervoor worden larven geselecteerd, die onder speciale omstandigheden verpoppen en in de vorm van poppen worden bewaard. koelkamer. Indien nodig worden de poppen in insectariumcellen geplaatst en na enige tijd komen er vliegen uit.

Zodra de larven uit de eieren komen, worden ze naar de kwekerij verplaatst. Het voedselsubstraat en het leggen van eieren worden in speciale bakken op een bodem van zaagsel geplaatst. De larven zijn zeer vraatzuchtig en groeien snel, waarbij ze tot 350 keer per dag in omvang toenemen. De periode van vetmesten en actieve groei is 3-4 dagen. Vervolgens worden de volwassen larven verdreven. Dit is de naam die wordt gegeven aan het proces waarbij larven worden gescheiden van een organisch substraat. Daarna wordt de biomassa gedroogd en naar opslag gestuurd.

Vliegen groeien op vlees van een pluimveeboerderij, die niet ver van de proefproductie van het bedrijf New Biotechnologies ligt. Larven die op pluimveevlees worden grootgebracht, bevatten een hoger gehalte aan voedingsstoffen dan die van mest en uitwerpselen. Tegelijkertijd moeten er veel vleesreserves zijn - om 1 kg "Zooproteïne" te produceren, is het nodig 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 mondiale vleesconsumptie verviervoudigd. De mondiale consumptie van dierlijke eiwitten zal naar verwachting in 2030 met 50% toenemen.

“Het gemiddelde sterftecijfer op pluimveebedrijven bedraagt ​​5% van de totale veestapel. Dit soort afval veroorzaakt veel problemen voor pluimveebedrijven. Dit zijn milieukwesties (je moet recyclen), financiële (je moet betalen voor verwijdering) en organisatorische (inzamelen, opslaan, bezorgen, er rekening mee houden). Daarom is het gebruik van onze methode het meest effectief direct op de pluimveehouderij, waardoor de pluimveeproductie afvalvrij wordt”, legt Alexey Istomin uit. - Over het algemeen brengt een stijging van de landbouwproductievolumes onvermijdelijk een stijging met zich mee negatieve invloed in de omgeving. Volgens het ministerie van Landbouw bedraagt ​​in Rusland de totale oppervlakte land die is verontreinigd met landbouwafval meer dan 2,4 miljoen hectare. In 2015 bedroeg de totale hoeveelheid dergelijk afval meer dan 380 miljoen ton. Er bestaat vrijwel geen cultuur van recycling van landbouwafval in het land. Dergelijke producties tellen in eenheden.”

Proefproductie in Lipetsk. Foto: "Nieuwe biotechnologieën"

De complexiteit van de industriële implementatie van de technologie is in de eerste plaats te wijten aan administratieve en omgevingsfactoren. “In het buitenland, vooral in China en Indonesië, wordt de bassin (“open”) methode gebruikt, legt Istomin uit. - Onder onze omstandigheden is dit onaanvaardbaar, omdat de larven tijdens hun leven grote hoeveelheden ammoniak produceren. Ons project stelt een “gesloten” methode voor waarbij gebruik wordt gemaakt van kweekkasten voor vliegen uitgerust met lokale afzuiging, microbiologisch filter voor luchtzuivering, speciale systemen bereiding van grondstoffen, infrarooddrogen. Dit alles stelt ons in staat om volledig te voldoen aan de eisen op het gebied van milieuveiligheid.”

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

Nu is het bedrijf New Biotechnologies bezig met het verkrijgen van de verblijfsstatus van Skolkovo. Het team rekent vooral op de hulp van de Foundation op het gebied van productcertificering. In Rusland bestaat er geen regelgevingskader met betrekking tot de regulering van het gebruik van afvalverwerkingstechnologie met vliegenlarven, daarom, zegt Alexey Istomin, “je moet verfijnd worden.” Tegelijkertijd benadrukken de regelgevende instanties de veiligheid van de producten: het Lipetsk Regional Vet Laboratory voert onderzoek uit naar levende biomassa op de aanwezigheid van salmonella, het genoom van de ziekteverwekkers van psittacose en griep bij vogels, eieren en larven van wormen. De gedroogde biomassa van vliegenlarven wordt bepaald massafractie ruw eiwit, massafractie van ruw vet, vocht en toxiciteit. Het Interregionaal Veterinair Laboratorium van Tula doet onderzoek naar organische zoohumusmeststof voor de aanwezigheid van pathogene flora. De resultaten van elk onderzoek worden vastgelegd in een protocol.”

De gesprekspartner van de site is ervan overtuigd: in de nabije toekomst zullen niet alleen dieren, maar ook mensen bekend raken met de smaak van eiwitten uit insecten. Dit standpunt wordt door steeds meer specialisten gedeeld. Zo bracht de Voedsel- en Landbouworganisatie van de VN drie jaar geleden een onderzoek uit waarin werd gesteld dat insecten al tot op zekere hoogte aanwezig zijn in de voeding van 2 miljard mensen. Om honger en vervuiling te bestrijden moet de mensheid eten meer insecten, drongen de auteurs van het rapport aan.

Bovendien, zoals blijkt uit persoonlijke ervaring Alexey Istomin, het is niet zo eng. Sinds enkele maanden voegt hij een eetlepel insecteneiwit toe aan zijn ochtendshake, gemaakt van melk, banaan en andere traditionele ingrediënten. “De smaak is ongebruikelijk, anders dan al het andere. Maar het versterkt het immuunsysteem en bevordert de spiergroei”, zegt Alexey.

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

- 20,37 Kb

Moderne verworvenheden van de biotechnologie

Voltooid:

Gecontroleerd:

2011

Biotechnologie is een gebied van menselijke activiteit dat wordt gekenmerkt door het wijdverbreide gebruik van biologische systemen op alle niveaus in een grote verscheidenheid aan takken van wetenschap, industriële productie, geneeskunde, landbouw en andere gebieden.

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

De eerste producten van genbiotechnologie waren biologisch actieve eiwitten, die tegenwoordig in de geneeskunde op grote schaal als medicijn worden gebruikt. Vroeger werden via traditionele biotechnologie verschillende biologische verbindingen geproduceerd door grote hoeveelheden microbieel, dierlijk of plantaardig materiaal te verwerken, waarbij gebruik werd gemaakt van het natuurlijke vermogen van organismen om deze verbindingen te synthetiseren. Zo werd insuline, geïsoleerd uit de alvleesklier van varkens, voorheen gebruikt om diabetes te behandelen. Dergelijke insuline was duur en bovendien ineffectief. De situatie is sterk veranderd sinds de eerste genetisch gemanipuleerde menselijke insuline, gesynthetiseerd door Escherichia coli-cellen, in 1982 in de Verenigde Staten werd verkregen.

Momenteel worden in de praktische geneeskunde veel biofarmaceutica gebruikt die zijn verkregen met behulp van gencelbiotechnologie. Naast insuline worden er al verschillende interferonen, interleukines, medicijnen tegen hemofilie, antikanker- en pijnstillers, essentiële aminozuren, groeihormoon, monoklonale antilichamen en nog veel meer geproduceerd. En deze lijst wordt elk jaar aangevuld met tientallen titels. In laboratoria en klinieken over de hele wereld wordt voortdurend intensief gezocht naar en getest op nieuwe medicijnen, ook voor gevaarlijke ziekten als hartziekten, verschillende vormen van kanker, AIDS en diverse virusinfecties. Volgens deskundigen wordt tegenwoordig ongeveer 25% van alle medicijnen in de wereld geproduceerd met behulp van genetische biotechnologieën.

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

De technologie voor het creëren van transgene planten heeft geleid tot een revolutie in de gewasproductie. Het maakte het mogelijk om planten te verkrijgen die resistent zijn tegen een aantal hoogpathogene virussen, schimmel- en bacteriële infecties, insectenplagen, om planten te creëren met een hoog vitamine A-gehalte die bestand zijn tegen kou, het zoutgehalte van de bodem, droogte, planten met verbeterde eiwitgehalte en samenstelling, enz. Dus bemoeien met genetische programma's planten is het mogelijk om ze de functie van weerstand tegen verschillende ongunstige omgevingsstressfactoren te geven. Het gebruik van GGO's heeft de efficiëntie van de landbouw aanzienlijk vergroot, en daarom is er veel vraag naar deze technologie op een markt waar andere mogelijkheden om de productiviteit te verhogen (meststoffen, pesticiden, enz.) grotendeels zijn uitgeput.

In 1994 werd, na zorgvuldige uitgebreide veldtesten, de eerste transgene voedselplant, de tomaat, goedgekeurd voor commerciële verkoop in de Verenigde Staten. uniek bezit: hij kan maanden onrijp liggen bij een temperatuur van 12°C, maar zodra het warm wordt, rijpt hij in slechts een paar uur. Sindsdien zijn er veel andere transgene planten op de markt gekomen; Het is al mogelijk geweest om veel verschillende vormen van sojabonen, aardappelen, tomaten, tabak en koolzaad te verkrijgen die resistent zijn tegen verschillende landbouwplagen. Zo is er bijvoorbeeld een transgene aardappel verkregen die ontoegankelijk 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 zelfstandig, zonder de hulp van micro-organismen, stikstof kunnen fixeren, soddan "gouden" rijst met een hoog gehalte aan vitamine A, enz.

Er zijn al kuddes transgene geiten en koeien in de wereld, waarbij medisch nuttige stoffen in de borstklier worden gesynthetiseerd, die vervolgens worden uitgescheiden in de melk van deze dieren. Tegenwoordig is het medicijn de melk van transgene dieren, die eiwitten bevat zoals insuline, menselijk groeihormoon, antitrombine en interferon. In Rusland hebben genetische technologen bijvoorbeeld een schapenras gecreëerd dat, naast melk, een enzym produceert dat nodig is bij 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 genaamd granulocytkoloniestimulerende factor, noodzakelijk voor de behandeling van verschillende bloedziekten, waarvan de noodzaak groot is. enorm in de wereld.

Veel onderzoekscentra werken aan het creëren van transgene dieren die als model kunnen dienen voor verschillende erfelijke ziekten bij de mens. Er zijn al transgene proefdieren met een verhoogde incidentie van tumoren verkregen; er zijn dierlijnen gefokt in wier lichaam menselijke ziekten zoals sikkelcelanemie, diabetes, neurologische ziekten, artritis, geelzucht, hart- en vaatziekten en een aantal erfelijke ziekten worden gereproduceerd. Dergelijke diermodellen stellen ons in staat de aard van verschillende menselijke pathologieën beter te begrijpen en deze te gebruiken bij het zoeken naar effectieve medicijnen.

In de toekomst kan transgenosetechnologie ook worden gebruikt om transgene dieren te creëren die kunnen worden gebruikt als bronnen van organen en weefsels voor transplantatie (in het bijzonder hebben ze antigenen geïnactiveerd die verantwoordelijk zijn voor weefselcompatibiliteit). Onderzoek op dit gebied is al begonnen bij varkens, die worden beschouwd als mogelijke kandidaten voor transplantatie van hun organen naar mensen. Het is ook de bedoeling dat transgene planten voor medicinale 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, wat zorgt voor de synthese van het overeenkomstige eiwit dat de eigenschappen van een antigeen heeft. Door deze plant te eten, kan een persoon geleidelijk immuniteit verwerven tegen een bepaald virus. Nog een voorbeeld: in Japan is een rijstvariëteit gecreëerd waarmee patiënten met diabetes zonder medicijnen kunnen, omdat de consumptie ervan de alvleesklier stimuleert om zijn eigen insuline te synthetiseren.

Waarschijnlijk waren het de opvallende successen op het gebied van het creëren van GGO's die de aanzet vormden voor de opkomst in 1990 van een ander belangrijk gebied van gencelbiotechnologie: gentherapie. Met behulp van gentherapie kan een ‘goed’ gen worden afgeleverd aan cellen die lijden aan gendysfunctie, waardoor het ‘slechte’ gen kan worden gecompenseerd. Het is waar dat de ziekte soms wordt veroorzaakt door het overmatig functioneren van individuele genen die ongebruikelijk zijn voor een normale cel (bijvoorbeeld tijdens een virale infectie). In dergelijke gevallen moet daarentegen het werk van het ‘schadelijke’ gen worden onderdrukt. Een van de meest veelbelovende benaderingen hiervoor is RNA-interferentie – het proces waarbij de werking van een gen wordt onderdrukt met behulp van fragmenten van RNA-moleculen, waarvan het mechanisme werd ontdekt door A. Fire en K. Mello (en opnieuw de Nobelprijs voor de Fysiologie of Geneeskunde voor 2006). Dit is allemaal wat ze vandaag proberen te doen met behulp van gentherapie. Het doelwit voor gentherapie kunnen zowel lichaamscellen (somatische cellen) als kiemcellen (eieren, sperma) zijn. Bij erfelijke ziekten zouden geslachtscellen geschikter kunnen zijn voor gentherapie, waarvan de correctie bij de nakomelingen zou moeten aanhouden. In de praktijk is somatische therapie nu echter van groter belang, en gentherapie van geslachtscellen is een probleem in de verre toekomst, hoewel erfelijke ziekten in werkelijkheid voor eens en voor altijd zouden kunnen worden genezen door specifiek op geslachtscellen of embryonale cellen in te werken. de vroege stadia van ontwikkeling. Het geïntroduceerde gen, dat als gevolg van kunstmatige overdracht in veel intensief delende cellen van het embryo terechtkomt, kan de ontwikkeling van de ziekte voorkomen. Maar dit soort gentherapie gaat gepaard met een aantal problemen, zowel technisch als vooral ethisch. Er bestaat met name bezorgdheid dat deze aanpak zou kunnen worden gebruikt om een ​​nieuwe generatie ‘op maat gemaakte kinderen’ voort te brengen.

Momenteel lijkt alleen gentherapie gericht op somatische cellen van een volwassen organisme werkelijkheid te zijn. Van het totale aantal bekende ziekten bij de mens is ongeveer 30-40% zogenaamde genetische of erfelijke ziekten. Veel van deze pathologieën houden verband met een storing van een enkel gen. Gentherapie is in de eerste plaats van toepassing op dergelijke ziekten, omdat in deze gevallen het behandelingsproces aanzienlijk wordt vergemakkelijkt. Momenteel voeren wetenschappers, gebruikmakend van informatie over de structuur van het menselijk genoom en zijn individuele genen, een grootschalige zoektocht uit naar behandelingen voor vele traditioneel als fatale erfelijke en verworven ziekten voor de mens, waarvoor een “slecht” gen en/of zijn genen product bekend is. In de eerste plaats zijn dit ziekten zoals hemofilie, cystische fibrose, adenosinedeaminasedeficiëntie, spierdystrofie van Duchenne, 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 het eiwit, noodzakelijk voor de normale functie van het netvlies. Tijdens de operaties werden deze patiënten met “gezonde” kopieën van het beschadigde gen in de achterkant van één oog geïnjecteerd. Na zes maanden konden patiënten die vóór de gentherapie alleen handbewegingen konden onderscheiden, alle lijnen op de gezichtstestkaart zien. Er zijn enkele successen geboekt bij 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 Er zijn wereldwijd al meer dan 600 klinische proefprotocollen goedgekeurd waarbij gebruik wordt gemaakt van gen- en genceltherapie.

De technologie voor gentherapie heeft in de loop der jaren aanzienlijke veranderingen ondergaan. In de vroege stadia vertrouwden ze voor de overdracht van genen naar het lichaam voornamelijk op het natuurlijke vermogen van virussen die een therapeutisch gen dragen om cellen binnen te dringen en zich te vermenigvuldigen. Het is nu tijd voor de nanobiotechnologie om hieraan deel te nemen. 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. Ondanks alle positieve resultaten die met gentherapie zijn verkregen, blijft het echter ineffectief. Belangrijke problemen zoals gerichte genafgifte en hun langdurige en effectieve werking in aangetaste weefsels blijven onopgelost. De toekomst van gentherapie hangt grotendeels af van het oplossen van deze problemen.

Het succes van genbiotechnologieën werd in hoge mate vergemakkelijkt door de parallelle ontwikkeling van cellulaire biotechnologieën. Een van de belangrijke verwezenlijkingen was de productie en kweek van stamcellen. Eind jaren zeventig van de vorige eeuw werden overtuigende gegevens verkregen over de mogelijkheid om beenmergstamceltransplantatie te gebruiken bij de behandeling van acute leukemie. Vanaf dat moment begon een nieuw tijdperk in de geneeskunde. Eerst werden zogenaamde embryonale stamcellen verkregen uit muizenembryo's en vervolgens uit menselijke embryo's. Deze laatste gebeurtenis werd erkend als een van de drie belangrijkste prestaties in de biologie van 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 technologie voor het reproductief klonen van dierlijke organismen, d.w.z. het kunstmatig verkrijgen van identieke kopieën van dergelijke organismen. Ongeveer 10 jaar geleden ontstond er een ongelooflijke ophef rond de geboorte van het schaap Dolly, waar iedereen nu van weet.

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

Velen geloven dat bio-ingenieurs proberen ‘voor God te spelen’ en dat hun prestaties niet kunnen worden gebruikt om levens te redden, maar om het menselijk lichaam te verbeteren, in strijd met de natuurwetten. Dit lijkt sciencefiction, maar recente ontwikkelingen in de bio-engineering doen anders vermoeden.

Oor

Het menselijk oor is qua structuur een nogal complex orgaan. Het blijkt echter dat bio-engineering tot veel in staat is. Zo slaagden wetenschappers van Princeton University, onder leiding van universitair hoofddocent Michael McAlpine, erin een kunstmatig menselijk oor te creëren, dat ze in mei 2013 presenteerden. Om dit te doen, gebruikten bio-ingenieurs driedimensionale printtechnologie, waarmee ze met behulp van elektronische apparaten een oor creëerden van dierlijke cellen. Als het in een persoon wordt getransplanteerd, kan hij radiofrequenties detecteren die voorheen voor hem ontoegankelijk waren.

Aderen

De menselijke bloedsomloop is een zeer complex mechanisme, waarvan het falen kan leiden tot diabetes, hart- en nierziekten. Maar bio-engineering doet wonderen. In 2011 slaagden specialisten van Cytograft Tissue Engineering erin kunstmatige bloedvaten te creëren. Ze werden geïmplanteerd bij drie patiënten die aan nierziekten leden. De resultaten van het experiment verbaasden de wetenschappers: 8 maanden na de operatie werkten de bloedvaten die met behulp van bio-engineering waren gecreëerd nog steeds naar behoren.

Hart

In de jaren tachtig zorgden hartchirurgen voor een echte doorbraak door een kunsthart in een mens te transplanteren. Zeker, levend hart moeilijk te vervangen, maar met de ontwikkeling van de wetenschap heeft de vooruitgang in de bio-engineering het mogelijk gemaakt om het kunstmatige hart te verbeteren met behulp van biologische materialen, en specialisten van het Massachusetts Institute of Technology zijn er zelfs in geslaagd om uit knaagdiercellen een hart op een 3D-printer te printen. Laten we hopen dat de vooruitgang in de bio-engineering het binnenkort mogelijk zal maken een kunstmatig menselijk hart te 'printen' dat niet onderdoet voor het echte hart.

Lever

Bio-engineering is al dicht bij het creëren van een kunstmatige menselijke lever. Zo werden in 2010 miniatuurmonsters van dit orgel gemaakt door specialisten uit de Oostzee medisch Centrum aan de Wake Forest University met behulp van dierlijke en menselijke cellen. Daarnaast werd er een experiment uitgevoerd aan de Universiteit van Yokohama, waardoor lever-embryo's ontstonden. 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, kan het wel een luchtpijp creëren. Zo werd in de Amerikaanse staat Illinois de 2,5-jarige Hannah Warren getransplanteerd met een kunstmatig gekweekte luchtpijp. De operatie was succesvol, maar op 7 juli 2013 overleed het meisje 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 resultaat van de operatie verbinden artsen eenvoudigweg de wervels met elkaar, waardoor de persoon van mobiliteit wordt beroofd. In zeldzame gevallen worden kunstmatige schijven gebruikt, die snel verslijten. Gelukkig voldeed bio-engineering ook hier aan alle verwachtingen. Dit jaar hebben specialisten van Duke University een schijf gemaakt die, wanneer deze in de interdiscale ruimte wordt geïmplanteerd, in staat is het overeenkomstige weefsel te herstellen, waardoor in feite een 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 hebben echter nog een lange weg te gaan om een ​​volwaardig orgaan te creëren.

Knop

De nier is een van de meest gewilde organen. Alleen al in de Verenigde Staten staan ​​ongeveer 60 duizend patiënten met nierfalen op een wachtlijst voor een niertransplantatie. Misschien kunnen specialisten van de Universiteit van Californië dit probleem oplossen. Met behulp van de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van bio-engineering werken ze aan het creëren van een kunstnier gemaakt van siliconen nanofilters en menselijke niercellen. Al in 2017 hopen wetenschappers dit apparaat te testen.