Биотехнология как наука, основные направления ее развития

Содержание

Введение

1. Понятие, сущность, история возникновения биотехнологии

2. Основные направления биотехнологии

2.1 Сельскохозяйственная биотехнология

2.2 Медицинская биотехнология

2.3 Экологическая биотехнология

2.4 Промышленная биотехнология

2.5 Иммунная биотехнология

3. Основные методы биотехнологии

4. Нанобиотехнологии

4.1 Нанобиотехнологии в медицине

4.2 Нанотрансгенез или трансгенное наноконструирование [13]

Заключение

Список использованных источников

Введение

Биотехнология как наука возникла в 1950-х гг. и в настоящее время является одним из приоритетных научных направлений. Именно с достижениями в области биотехнологии связывают не только повышение благосостояния человечества в будущем, но и увеличение продолжительности жизни людей.

Быстрое развитие биотехнологии обусловлено интенсивным развитием биологии, успехами в познании жизненных явлений, прежде всего в области микробиологии, энзимологии, молекулярной биологии и молекулярной генетики. Все это позволило объединить разрозненные прикладные направления в новую единую фундаментальную науку о практическом использовании биологии в целом (а не отдельных ее ветвей, как это было прежде) - биотехнологию.

Биотехнология - это и технологические процессы, осуществляемые с использованием различных биологических систем, включая как живые организмы (от микроорганизмов до клеток животных и растений), так и их компоненты (ферменты, витамины и т.д.) [1].

Биотехнология относится к стремительно развивающимся направлениям научно-технического прогресса. Ее основой, фундаментальной частью являются клеточная и молекулярная биология, клеточная и генетическая инженерия, микробиология и биохимия.

Биотехнология востребована во многих отраслях производственной деятельности, включая фармацевтику и медицину, легкую и пищевую промышленность, растениеводство, ветеринарию и животноводство, экологию и горнорудное производство и др. [2].

1. Понятие, сущность, история возникновения биотехнологии

Впервые термин "биотехнология" был предложен в 1917 году венгерским инженером К. Эрике. Он предложил процесс крупномасштабного промышленного выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. При этом Эрике рассматривал превращение сырья (свеклы) в целевой продукт, в данном случае свинину как ряд биотехнологических этапов (рис. 1). Этот процесс был назван им биотехнологией, поскольку целевой продукт получался в результате жизнедеятельности биологических систем [3]. Он писал: "биотехнология - это все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты" [2,4].

Рис. 1. Основные этапы биотехнологического процесса в производстве свинины, предложенного Эрике в 1917 г.

Однако это совершенно точное определение не получило широкого распространения. Долгое время термин "биотехнология" относился к двум очень разным дисциплинам. С одной стороны, его употребляли, говоря о промышленной ферментации, с другой - применительно к той области, которая сейчас называется эргономикой [5].

Такой двойственности пришел конец в 1961 году, когда шведский микробиолог Карл Гёрен Хеден порекомендовал изменить название научного журнала "Journal of Microbiological and Biochemical Engineering and Technology" ("Журнал микробиологической и химической инженерии и технологии"), специализирующегося на публикации работ по прикладной микробиологии и промышленной ферментации, на "Biotechnology and Bioengineering" ("Биотехнология и биоинженерия"). С этого момента биотехнология оказалась связанной с исследованиями в области "промышленного производства товаров и услуг при участии живых организмов, биологических систем и процессов". Именно эти представления и начали вкладываться в термин "биотехнология" [3,5].

Начиная с 80-х годов ХХ века, наблюдается интенсивное развитие биотехнологии, которое привело "биотехнологическому буму". Однако в современное понятие "биотехнология" вкладывается новый смысл, характерной особенностью которого является использование технологии рекомбинантных ДНК, методов клонирования, крупномасштабного культивирования клеток животных и растений in vitro (вне организма).

Новейшие биотехнологические технологии позволяют осуществлять реконструкцию генетического аппарата микроорганизмов, направленную на "сверхпродукцию" тех или иных ценных биологических веществ или синтез новых, не характерных для данного организма продуктов (инсулин, синтезируемый клетками Е. coli и др.). Огромные промышленные возможности новых биологических технологий привели к росту популярности этого научного направления [3].

C развитием технологии рекомбинантных ДНК природа биотехнологии изменилась окончательно и бесповоротно. Появилась возможность оптимизировать этап биотрансформации более прямым путем, создавать, а не просто отбирать высокопродуктивные штаммы, использовать микроорганизмы как "биологические фабрики" для производства инсулина, интерферона, гормона роста, вирусных антигенов и множества других белков. Технология рекомбинантных ДНК позволяет получать в больших количествах ценные низкомолекулярные вещества и макромолекулы, которые в естественных условиях синтезируются в минимальных количествах. Растения и животные стали естественными биореакторами, продуцирующими новые или измененные генные продукты, которые никогда не могли быть созданы методами мутагенеза и селекции или скрещивания. Эта новая технология способствует развитию принципиально новых методов диагностики и лечения различных заболеваний.

На стыке технологии рекомбинантных ДНК и биотехнологии возникла новая область исследований, динамичная и высококонкурентоспособная, - молекулярная биотехнология (рис. 2.) [2,5].

Рис. 2. Молекулярная биотехнология использует достижения различных областей науки и позволяет создавать широкий ассортимент коммерческих продуктов и методов [5].

В 1984 г. Европейской Федерацией Биотехнологов дано такое определение: "Биотехнология - это интегральное использование биохимии, микробиологии и инженерных наук в целях промышленной реализации способностей микроорганизмов, культур клеток и их частей" [3,6].

В 1983 г. в Братиславе на биотехнологическом Конгрессе было принято следующее определение: "Биотехнология - это наука, разрабатывающая основы крупнотоннажной реализации процессов получения с помощью катализаторов различных продуктов и защита окружающей среды".

В этом определении появился важный аспект для биотехнологии - защита окружающей среды. Сегодня необходимо говорить о двух взаимосвязанных аспектах биотехнологии: как отрасли производства и как фундаментальной науки, изучающей принципы функционирования биологических систем, и разрабатывающей способы модификации и конструирования биологических систем и аналитических устройств.

С учетом этих особенностей биотехнологию можно определить как науку, изучающую и конструирующую биологические системы (биосенсоры), направленные на использование биологических систем различного уровня организации в промышленности для производства продуктов биологического происхождения и защиты окружающей среды [3].

В литературе имеется множество определений биотехнологии [7]:

.        Биотехнология - объединение биохимии и микробиологии, инженерных дисциплин для технологического использования микроорганизмов, культуры клеток, тканей и отдельных структур клетки.

2.      Биотехнология - наука об использовании биологических процессов в технике и промышленном производстве.

.        Биотехнология - промышленное использование биологических процессов на основе микроорганизмов, культуры клеток и тканей, а также отдельных структур и компонентов клеток животных и растений с заданными свойствами.

В современном понимании биотехнология - это наука о технологиях создания и использования биологических объектов, способствующих интенсификации производства или получению новых видов продуктов различного назначения на основе методов клеточной и генетической инженерии [1].

Преимущества современной биотехнологии над селекцией [8]:

·        возможность скрещивания неродственных видов;

·        возможность извне управлять процессом рекомбинации в организме (организм надежно сохраняет постоянство своего генетического состава);

·        возможность прогнозирования признаков потомства.

Человек использовал биотехнологические процессы еще много тысяч лет назад: люди занимались пивоварением, пекли хлеб; они придумали способы хранения и переработки продуктов путем ферментации (производство сыра, уксуса, соевого соуса), научились делать мыло из жиров, изготавливать простейшие лекарства и перерабатывать отходы [1].

Биотехнология формировалась и эволюционировала с развитием человеческого общества. Ее становление различные ученые подразделяют на несколько периодов. Елинов Н.П. (1995) [6] условно выделил 4 периода: эмпирический, этиологический, биотехнический и генотехнический.

Эмпирический (от греч. empeirios - опытный), или доисторический период - самый длительный, охватывающий примерно 8 000 лет, из которых более 6 000 лет (до н.э.) и почти 2 000 лет (н.э.). Древние народы интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и некоторых других продуктов. Шумеры - первые жители Месопотамии - выпекали хлеб из кислого теста, владели искусством готовить пиво. В течение нескольких тысячелетий известен уксус, издавна приготавливающийся в домашних условиях, хотя о микробах - индукторах этого процесса - мир узнал лишь в 1868 г. благодаря работам Л. Пастера. Первая дистилляция вина осуществлена в XII в.; водку из хлебных злаков готовили в XVI в.; шампанское известно с XVIII в.; получение почти абсолютного этанола впервые удалось в XIV в. испанцу Раймунду Луллию путем перегонки вина с негашеной известью.

К этому же периоду относятся: получение кисломолочных продуктов, квашеной капусты, медовых алкогольных напитков и т.д. Таким образом, исстари народы пользовались результатами микробиологических процессов, ничего не зная о микробах.

Этиологический (от греч. aitia - причина) период в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX в. и первую треть XX в. (1856-1933 гг.). Этот этап связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Луи Пастера. Он раскрыл микробную природу брожений, доказал возможность жизни в бескислородных условиях, предложил метод пастеризации и т.д.

В биотехнологии важными являются питательные среды для культивирования ряда биообъектов. Уже в 1859 г. Пастер приготовил первую жидкую питательную среду, а в 1864 г.О. Брефельд предложил метод выращивания грибов на желатине.

Этиологический период знаменателен тем, что удалось доказать индивидуальность микробов и получить их в чистых культурах. Более того, каждый вид мог быть размножен в питательных средах и использован в целях воспроизведения соответствующих процессов (бродильных, окислительных и др.). В этот период было начато изготовление прессованных пищевых дрожжей, а так же продуктов метаболизма - ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот. Во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод.

Третий период в развитии биотехнологии - биотехнический, обусловленный внедрением в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечившего протекание различных процессов в стерильных условиях. Особенно мощный толчок в разработке промышленного биотехнологического оборудования был отмечен в период становления и развития производства антибиотиков. Следует отметить, что уже в 1868 г. И. Мишер получил нуклеид (ДНК) из гнойных телец (лейкоцитов); В. Освальд в 1893 г. выявил каталитическую функцию ферментов; Т. Леб в 1897 г. установил способность к выживанию вне организма (в пробирках с плазмой или сывороткой крови) клеток крови и соединительной ткани. Следовательно, накопленные научные факты стали побудительным мотивом для разработки способов крупномасштабного культивирования клеток различного происхождения. Это было необходимо для получения различных клеточных продуктов и самих клеток для нужд человека, прежде всего в качестве или в составе лечебных и профилактических средств: пенициллина, стрептомицина, тетрациклинов, декстрана, ряда аминокислот и многих других веществ.

Примерно за 40 лет данного периода были решены основные задачи по конструированию, созданию и внедрению в практику необходимого оборудования, в том числе главного из них - биореакторов, которые используют и в настоящее время.

Четвертый период в биотехнологии - генотехнический (от лат. genos - род) - начался в 1972 г., когда П. Берг со своими сотрудниками в США создал первую рекомбинантную молекулу ДНК.

Естественно, что без фундаментальной работы Ф. Крика и Дж. Уотсона (1953) по установлению структуры ДНК было бы невозможным достижение современных результатов в биотехнологии. Выяснение механизмов функционирования и регуляции ДНК, выделение и изучение специфичных ферментов привели к формированию научного подхода к разработке биотехнологических процессов на основе генно-инженерных работ. В этом - суть генотехнического подхода.

Уже в 1982 г. поступил в продажу человеческий инсулин, выработанный кишечными палочками, несущими в себе искусственно встроенную генетическую информацию об этом гормоне.

Для генотехнического периода характерны:

·        разработка интенсивных процессов (вместо экстенсивных) на основе направленных фундаментальных исследований (с продуцентами антибиотиков, ферментов, аминокислот, витаминов);

·        создание продуцентов, несущих в себе бессмысленную генетическую информацию (например, гены интерферона человека в клетках Pseudomonas aeruginosa);

·        создание необычных организмов, ранее не существовавших в природе (неклубеньковых растений, несущих гены азотобактерий, ответственные за способность фиксировать молекулярный азот из воздуха);

·        разработка и внедрение экологически чистых и, по возможности, безотходных технологий;

·        создание и применение в практике специальной аппаратуры блочного (сменного) типа для различных биотехнологических систем;

·        автоматизация и компьютеризация биотехнологических процессов;

·        создание экономически оптимальных производственных процессов при максимальном использовании сырья и минимальном потреблении энергии.

Голландский ученый Е. Хаувинк (1984) в истории развития и становления биотехнологии как научной дисциплины выделил 5 периодов (табл. 1) [2]:

Таблица 1

Принципиальной основой деления истории биотехнологии на 5 периодов явились использовавшиеся технологии, их совершенствование с получением все более качественных биопродуктов.

Основные цели и задачи биотехнологии [7]

Во-первых, активация и поддержание путей обмена клеток, ведущих к накоплению заданных продуктов при доминировании над другими реакциями обмена у культивируемого организма;

Во-вторых, получение клеток или их составных частей (преимущественно ферментов) для направленного изменения сложных молекул;

В-третьих, создание безотходных и экологически безопасных биотехнологических процессов;

В-четвертых, совершенствование и оптимизация аппаратурного оформления биотехнологических процессов с целью достижения максимального выхода конечных продуктов при культивировании естественных видов методами генной и клеточной инженерии;

В-пятых, повышение технико-экономических показателей биотехнологических процессов по сравнению с существующими.

Также в задачи биотехнологии входит создание и широкое освоение:

) новых биологически активных веществ (БАВ) и лекарственных препаратов для медицины (инсулина, гормонов и др.), позволяющих осуществить раннюю диагностику и лечение тяжелых заболеваний;

) микробиологических средств защиты растений от болезней и вредителей, бактериальных удобрений и регуляторов роста культур; новых высокопродуктивных и устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды сортов и гибридов;

) ценных кормовых добавок и БАВ для повышения продуктивности животноводства; новых методов биоинженерии для эффективной профилактики, диагностики и терапии основных болезней с/х животных;

) новых технологий получения ценных продуктов для использования в пищевой, химической, микробиологической и других отраслях промышленности;

) технологий глубокой и эффективной переработки с/х, промышленных и бытовых отходов, использования сточных вод для производства биогаза и высококачественных удобрений.

биотехнология наука биообъект

2. Основные направления биотехнологии

В зависимости от того какой признак положен в основу существует различная классификация направлений биотехнологии. Например, по биологическому объекту, используемому в биотехнологическом производстве - микроорганизмам, растениям и животным, выделяют 3 типа - микробиотехнологию, фитобиотехнологию и зообиотехнологию соответственно (рис. 3) [2,6].

Рис. 3. Направления биотехнологии (Н.П. Еленов, 1995)

Биотехнология как современная отрасль высоких технологий, основой которой является биология, биологические процессы с живыми организмами развивается по различным самостоятельным научным направлениям: сельскохозяйственная, фармацевтическая, промышленная, экологическая, молекулярная биотехнология, иммунобиотехнология и др [9].

2.1 Сельскохозяйственная биотехнология

Это направление охватывает растениеводство, животноводство и ветеринарию. Использование биотехнологии в с/х ориентировано на [8]:

·        стабильное развитие с/х производства;

·        решение проблемы продовольственной безопасности;

·        получение высококачественных, экологически чистых продуктов питания;

·        переработку отходов с/х производства;

·        восстановление плодородия почв.

В данном направлении наиболее приоритетным является:

·        создание новых сортов с/х растений и животных с использованием современных постгеномных и биотехнологических методов;

·        разработка и внедрение методов геномной паспортизации для повышения эффективности селекционно-племеной работы, технологий клонирования животных-производителей;

·        производство биопрепаратов для растениеводства и ветеринарии;

·        производство кормовых добавок для с/х животных.

Актуальна задача уменьшения применения в сельском хозяйстве средств химизации, пестицидов и расширение использования бактериальных удобрений, инсектицидов микробного происхождения; разработка генно-инженерных вакцин и диагностикумов на основе моноклональных антител [2].

2.2 Медицинская биотехнология

В литературе [8] выделяют 2 типа медицинских биотехнологий: диагностические и лечебные. Современная биотехнология изучает процессы на молекулярном и клеточном уровнях. И прежде всего, биотехнологии нашли широкое применение в диагностике заболеваний. В мире уже разработано более 1 000 биотехнологических тест-систем, основанных на ДНК. В 1983 г. американский ученый Кэри Мюллис получил Нобелевскую премию за революцию в диагностике - он изобрел генетический анализ полимерной цепной реакции (ПЦР). ПЦР позволяет обнаружить участки ДНК вирусов и бактерий в любом биологическом материале (слюне, крови, моче и т.д.), даже если инфекции протекают в скрытой форме. Сегодня с помощью ПЦР диагностируют гепатит С, туберкулез, ВИЧ и др.

Одно из последних достижений биотехнологической диагностики - метод биосенсоров, которые "отлавливают" связанные с болезнями молекулы и подают сигналы на датчики. Биосенсорную диагностику часто применяют в скорой помощи (например, для определения глюкозы в крови больных диабетом).

Передовой технологией в диагностике считают микрочипы. Их применяют для диагностики инфекционных, онко - и генетических заболеваний, аллергенов, а также при исследовании новых лекарств [8].

Один из основных периодов истории развития биотехнологии - это период открытия антибиотиков, их получение в лабораторных условиях и производство в промышленных масштабах. Разработка новых антибиотиков, особенно природного происхождения и сегодня остается первостепенной задачей для практического здравоохранения, а также для ветеринарной и пищевой промышленности [2].

2.3 Экологическая биотехнология

Экологическое состояние окружающей среды - это постоянно нарастающая проблема для человеческого общества в целом. Темпы загрязнения почвы, воды и воздуха ксенобиотиками, химическими веществами, в том числе токсическими соединениями, тяжелыми металлами, пестицидами, коммунальными отходами возможно приостановить, используя биологические технологии их утилизации [2].

Отходы и побочные продукты деятельности в области с/х, лесной и пищевой промышленности можно использовать в различных целях, в частности для получения энергии с одновременным увеличением биомассы и уменьшением загрязнения окружающей среды. Их также можно при помощи микроорганизмов разлагать до сбраживаемых соединений [7].

Гипотеза о "микробиологической надежности", предполагающая, что из-за повсеместного присутствия микроорганизмов в окружающей среде и их большого катаболического потенциала, любое соединение, попавшее в биосферу будет полностью минерализовано, вытекает из основополагающей роли микроорганизмов в круговороте веществ в природе. К сожалению, в реальности динамика антропогенного загрязнения окружающей среды превалирует над утилизирующими "мощностями" микроорганизмов. Если образование огромного количества жидких и твердых отходов, загазованность крупных мегаполисов, загрязнение водоемов и почв просто очевидно, то уменьшение вследствие этого биологического многообразия, оскудение генофонда в природе менее заметно, но более фундаментально по актуальности.

Поэтому основными направлениями экологической биотехнологии следует считать [2]:

·        расширение спектра и объема применяемых в растениеводстве, животноводстве и других отраслях биопрепаратов вместо синтетических;

·        ремедиация окружающей среды путем активного извлечения и деструкции загрязняющих элементов (пестициды, тяжелые металлы, нефть и нефтепродукты);

·        утилизация ила сточных вод, твердых коммунальных отходов;

·        нитрификация, восстановление структуры, гумуса почв путем разработки и промышленного применения безопасных для здоровья людей, животных и растений биологических технологий.

2.4 Промышленная биотехнология

Охватывает различные отрасли народного хозяйства. Ведущим звеном промышленный технологии (ПБ) является промышленная микробиология, так как в основе крупных биотехнологических производств лежат микробиологические процессы. Это получение в промышленных масштабах ферментов, антибиотиков, аминокислот микробного происхождения, производство в качестве инсектицидов и удобрений микробной биомассы, производство кормового белка, этанола, биогаза, витаминов, органических кислот, полисахаридов, получение белков человека, гормонов, биологически активных веществ на основе технологии рекомбинантных ДНК [2].

В пищевой промышленности, применяя обычные технологические линии по производству синтетических волокон, можно получать из искусственных белков длинные нити, которые после пропитки их формообразующимн веществами, придания им соответствующего вкуса, цвета и запаха могут имитировать любой белковый продукт. Таким способом уже получены искусственное мясо (говядина, свинина, различные виды птиц), молоко, сыры и другие продукты [10].

Собственно ПБ имеет место в горной металлургии. Это биогеотехнология металлов [7] - наука об извлечении металлов из руд, концентратов, горных пород и растворов под воздействием микроорганизмов или их метаболитов при нормальном давлении и температуре. Составными ее частями являются:

) биогидрометаллургия (бактериальное выщелачивание металлов);

) обогащение руд;

) биосорбция металлов.

В нефтедобывающей отрасли находят применение микроорганизмы, расщепляющие балластный углеводород - парафин, разжижающие нефть и облегчающие ее извлечение на поверхность. Микроорганизмы - нефтедеструкторы используются для очистки загрязненных нефтепродуктами почв и водоемов.

Получение биогаза (метана) также имеет реальные перспективы развития. В процессах получения биогаза можно переработать самое разнообразное сырье - различную растительную биомассу, включая отходы древесины, несъедобные части сельскохозяйственных растений, отходы перерабатывающей промышленности, специально выращенные культуры (водяной гиацинт, гигантские бурые водоросли), жидкие отходы сельскохозяйственных ферм, промышленные и бытовые стоки, ил очистных сооружений, а также мусор городских свалок. Важно, что сырье с высоким содержанием целлюлозы, трудно поддающееся методам переработки, также эффективно сбраживается и трансформируется в биогаз [11].

Биоэлектроника - это использование биологических систем в качестве сенсоров, измерительно-контролирующих датчиков в сфере информационных технологий.

Наряду с инженерной энзимологией (получение и использование ферментов в биотехнологии) интенсивно развивается протоинженерия (технологии изменения свойств природных белков на генетическом уровне, получение новых белков) [2].

2.5 Иммунная биотехнология

Иммунобиотехнология объединяет производства вакцин, иммуноглобулинов крови, иммуномодуляторов, иммуномедиаторов, моноклональных антител и некоторых других.

Она представляется частным случаем медицинской биотехнологии. Однако, вычленение иммунобиотехнологии в качестве самостоятельной научной субдисциплины является обоснованным, и производственные процессы здесь четко ограничены использованием иммунной системы того или иного макроорганизма или отдельных компонентов ее (макрофаги, лимфоциты, различные иммуноглобулины) [6].

Развитие иммунной биотехнологии было вызвано практической необходимостью получения большого количества иммунопрепаратов для профилактики, диагностики и лечения как инфекционных, так и неинфекционных заболеваний. Иммунная биотехнология призвана на основе достижений иммунологии, микробиологии, генетической инженерии создавать и производить широкий спектр иммунных препаратов: вакцины, диагностикумы, иммунные сывортки и моноклональные антитела (МАТ) [2].

Вакцины применяются для иммунопрофилактики, реже для лечения, поскольку они создают активный приобретенный иммунитет. Диагностикумы необходимы для серологической диагностики заболеваний в иммуноферментном анализе, реакции связывания комплемента и других иммунологических реакциях. Иммунные сыворотки востребованы при диагностике инфекционных заболеваний. А также они применяются с лечебной целью для создания приобретенного пассивного иммунитета.

В настоящее время МАТ используют для [1]:

·        обнаружения загрязнителей окружающей среды;

·        проверки пищевых продуктов на наличие опасных микроорганизмов;

·        распознавания злокачественных клеток среди нормальных;

·        аналитических целей - как "иммунологический микроскоп" с чрезвычайно высоким разрешением;

·        диагностики инфекционных заболеваний человека, животных и растений, а также в биотехнологии в качестве лигандов для аффинной хроматографии.

Рис. 4. Использование достижений биотехнологии в различных отраслях народного хозяйства (по Д. Тейлор и др., 2002).

Поскольку биотехнология используется в различных отраслях промышленности и затрагивает многие сферы жизни человека (рис. 3,4) [1], в мире принята следующая "цветовая" классификация биотехнологии [12]: это "белая", "зеленая", "красная", "серая" и "синяя" биотехнология.

К белой биотехнологии относят промышленную биотехнологию, ориентированную на производство продуктов, ранее производимых химической промышленностью, - спирта, витаминов, аминокислот и др. (с учетом требований сохранения ресурсов и охраны окружающей среды).

Зеленая биотехнология охватывает область, значимую для сельского хозяйства. Это исследования и технологии, направленные на создание биотехнологических методов и препаратов для борьбы с вредителями и возбудителями болезней культурных растений и домашних животных, создание биоудобрений, повышение продуктивности растений, в том числе с использованием методов генетической инженерии.

Красная (медицинская) биотехнология - наиболее значимая область современной биотехнологии. Это производство биотехнологическими методами диагностикумов и лекарственных препаратов с использованием технологий клеточной и генетической инженерии (зеленые вакцины, генные диагностикумы, моноклональные антитела, конструкции и продукты тканевой инженерии и др.).

Серая биотехнология занимается разработкой технологий и препаратов для защиты окружающей среды; это рекультивация почв, очистка стоков и газовоздушных выбросов, утилизация промышленных отходов и деградация токсикантов с использованием биологических агентов и биологических процессов.

Синяя биотехнология в основном ориентирована на эффективное использование ресурсов Мирового океана. Прежде всего, это использование морской биоты для получения пищевых, технических, биологически активных и лекарственных веществ.

3. Основные методы биотехнологии

В литературе [8] выделяют 3 основных метода биотехнологии:

·        Генная инженерия;

·        Клеточная инженерия;

·        Клонирование.

С помощью методов клеточной и генной инженерии возможно получение новых высокопродуктивных продуцентов белков и пептидов человека, антигенов, вирусов и др. Развитие генетической и клеточной инженерии приводит к тому, что биотехнологическая промышленность все шире завоевывает новые области производства. Фундаментом для возникновения новейших методов биотехнологии послужили открытия в генетике, молекулярной биологии, генетической энзимологии, вирусологии, микробиологии и других дисциплинах [11].

Клеточная инженерия [8] использует методы (клеточная селекция и соматическая гибридизация) введения культур и клеток и их практического использования.

Клеточная селекция основана на выращивании клеток (как растительных, так и животных) вне организма на специально подобранных средах в регулируемых условиях.

Соматическая гибридизация - это слияние двух различных клеток в культуре тканей.

Генная инженерия - совокупность методов, позволяющих осуществить генетическую информацию, перенос (трансгенез) чужеродных генов из одного организма в другой [8].

По Э.С. Пирузян генетическая инженерия - система экспериментальных приемов, позволяющих конструировать лабораторным путем (в пробирке) искусственные генетические структуры в виде так называемых рекомбинантных или гибридных молекул ДНК.

Цель прикладной генетической инженерии заключается в конструировании таких рекомбинантных молекул ДНК, которые при внедрении в генетический аппарат придавали бы организму свойства, полезные для человека. Например, получение "биологических реакторов" - микроорганизмов, растений и животных, продуцирующих фармакологически значимые для человека вещества, создание сортов растений и пород животных с определёнными ценными для человека признаками. Методы генной инженерии позволяют провести генетическую паспортизацию, диагностировать генетические заболевания, создавать ДНК-вакцины, проводить генотерапию различных заболеваний [10].

Технология рекомбинантных ДНК использует следующие методы [10]:

·        специфическое расщепление ДНК рестрицирующими нуклеазами, ускоряющее выделение и манипуляции с отдельными генами;

·        быстрое секвенирование всех нуклеотидов очищенном фрагменте ДНК, что позволяет определить границы гена и аминокислотную последовательность, кодируемую им;

·        конструирование рекомбинантной ДНК;

·        гибридизация нуклеиновых кислот, позволяющая выявлять специфические последовательности РНК или ДНК с большей точностью и чувствительностью, основанную на их способности связывать комплементарные последовательности нуклеиновых кислот;

·        клонирование ДНК: амплификация in vitro с помощью цепной полимеразной реакции или введение фрагмента ДНК в бактериальную клетку, которая после такой трансформации воспроизводит этот фрагмент в миллионах копий;

·        введение рекомбинантной ДНК в клетки или организмы.

Клонирование - получение нескольких генетически идентичных организмов естественным путем или путем бесполого размножения.

В [3] выделяют другую классификацию методов биотехнологии:

I.       Методы, которые используются при исследовании фундаментальных механизмов функционирования биологических систем. Это современные методы биохимии, генетики, молекулярной биологии, иммунологии и других биологических наук. Используя арсенал этих методов, биотехнологи решают такие фундаментальные задачи как механизмы структурно-функциональной организации продуцентов.

II.      Методы, которые позволяют осуществить реконструкцию биологических объектов, использующихся в биотехнологии (методы молекулярной биотехнологии). Эти методы, в свою очередь, можно разбить на 2 группы:

1) конструирование векторов и рекомбинантных ДНК, т.е. молекулярные манипуляции;

) гибридизация клеток, т.е. клеточный уровень.

III.    Специфические методы крупномасштабного (промышленного) культивирования биообъектов, которые позволяют получать целевой продукт в промышленном объеме. Особенность методов биотехнологии связана с тем, что все продуценты осуществляются в асептических (стерильных) условиях, т.е. в условиях, исключающих возможность попадания в среду культивирования биообъектов болезнетворных (патогенных) и не болезнетворных (сапрофитных) микроорганизмов.

4. Нанобиотехнологии

Нанобиотехнология - область нанонауки и наноинженерии, применяющей методы и подходы нанотехнологии для создания устройств с целью изучения биологических систем. В рамках нанобиотехнологии также изучаются возможности использования живых систем для создания наноустройств.

Нанобиотехнология объединяет в себе достижения нанотехнологии и молекулярной биологии. Молекулярные биологи помогают нанотехнологам научиться понять и использовать наноструктуры и наномеханизмы, созданные в результате процесса эволюции, длившегося 4 миллиарда лет, - клеточные структуры и биологические молекулы. Использование особых свойств биологических молекул и клеточных процессов помогает биотехнологам в достижении целей, перед которыми бессильны другие методы.

К практическим применениям нанобиотехнологии относятся:

увеличение скорости и точности диагностики заболеваний;

создание наноструктур для доставки функциональных молекул в клетки-мишени;

повышение специфичности и скорости доставки лекарств;

миниатюризация биосенсоров путем объединения биологического и электронного компонентов в один мельчайший прибор;

способствование развитию экологически чистых производственных процессов и др.

Получены данные о возможности использования наночастиц для создания нанолекарств, эффективных вакцин. Разработаны новые транспортные наносистемы (контейнеры) для доставки лекарств в органы-мишени и т.д. Эти разработки позволяют повысить растворимость, биодоступность, терапевтические возможности препаратов, снизить дозы и побочные эффекты, значительно уменьшив лекарственные нагрузки на организм [13].

4.1 Нанобиотехнологии в медицине

В настоящее время уже появились наноматериалы из которых делают нанолекарства - препараты нового поколения. Развитие нанотехнологий c применением белковых, липидных молекул, нуклеиновых кислот или их cинтетических миметиков в медицине дает возможность создавать новые высокочувствительные и дешевые системы для ранней диагностики, лечения, а также доставки лекарств к клеткам-мишеням или органам. В период 1998-2005 годов опубликовано более 200 научных работ, демонстрирующих эффективность применения фуллеренов (фуллере́ны - молекулярные со-единения, представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из четного числа трехкоординированных атомов углерода) при лечении целого ряда заболеваний, включая рак, склероз, вирусные и бактериальные инфекции (менингит и ВИЧ). Создаются лекарства для клеток-мишеней и клеточных наноструктур, включая генотерапию, новые противоопухолевые, кардиотропные и психотропные средства, новые антибиотики, иммуномодуляторы, аллерготропины и наноантитела для лечения иммунодефицитов, аллергии, опухолей и аутоиммунных заболеваний. Ученые работают над адресным преодолением клеточных мембран, различных биологических барьеров для адресной доставки лекарств. В России ведутся работы и получены положительные результаты, подтвержденные публикациями и патентами, в области применения фуллеренов и их модификаций для лечения гриппа, онкологических заболеваний и бактериальных инфекций (туберкулез).

Одним из способов создания лекарственных средств нового поколения стало снабжение их системами доставки, обеспечивающими пролонгированное поступление лекарственных веществ в определенные органы и клетки-мишени, а также улучшение фармакологических свойств препарата. Разработанные системы доставки лекарств используются практически во всех областях медицины. При этом существенное внимание уделяется фосфолипидным наночастицам - переносчикам лекарственных средств, эффективность действия которых обеспечивается не только их биологическими свойствами, но и малыми размерами. Адресная доставка лекарств к больным клеткам позволяет медикаментам попадать только в больные органы, избегая здоровые, которым эти лекарства могут нанести вред.

Нановакцины. С помощью нанотехнологий становятся возможными противоопухолевая защита организма, адресное стимулирование или подавление его иммунитета. В первую очередь, речь идет о создании вакцин нового типа против туберкулеза, СПИДа, гепатитов, гриппа и других новых и возвращающихся социально значимых инфекций. Исследователи синтезируют белки, способные связываться с вирусами и мутантными генами, вызывающими опухоли, и обезвреживать их; создают высокоэффективные вакцины и изучают белки-рецепторы клеточной поверхности, которые часто являются мишенями для фармацевтических препаратов. Получены данные о возможности использования наночастиц для производства эффективных вакцин.

Нановакцины имеют следующие преимущества [1]:

·        они практически безопасны, поскольку содержат только вакцинные компоненты;

·        они нетоксичны, биосовместимы и биоразлагаемы в организме;

·        самосборка компонентов нановакцины решает проблему очистки, иммобилизации и концентрирования компонентов, обеспечивает стандартность получаемого продукта;

·        технология нановакцин позволяет получать многокомпонентные препараты, защищающие одновременно от широкого спектра социально-значимых или особо опасных заболеваний.

Наноантитела. В 70-х годах прошлого века в разработке противораковых препаратов наступил переломный момент - были созданы так называемые моноклональные антитела (МАТ - это антитела, вырабатываемые иммунными клетками, принадлежащими к одному клеточному клону, т.е. произошедшими из одной клетки-предшественнищы). За счет того, что эти белковые молекулы обладают свойствами специфически узнавать определенный антиген или белок какой-то определенной структуры, они могут существенно более избирательно, чем традиционные химиопрепараты, воздействовать именно на целевые клетки злокачественной опухоли, заметно меньше повреждая при этом нормальные клетки организма. У этой технологии есть свои минусы:

Во-первых, МАТ - молекулы довольно крупные и проникать внутрь клетки или глубоко в ткани они не способны.

Во-вторых, для достижения необходимого результата их концентрация должна быть в 5-10 тысяч раз выше, чем концентрация молекул-мишеней.

В-третьих, МАТ вырабатываются исключительно на клеточных культурах, что делает их производство недешевым.

Как и обычные антитела, например, те же МАТ, наноантитела обладают высокой специфичностью и низкой токсичностью, но наряду с этим у них есть сразу несколько потенциальных преимуществ:

) они имеют гораздо меньший размер (2×4 нанометра) и новые структурные особенности - лучшее проникновение внутрь ткани и узнавание того, что до сих пор не узнавалось;

) наноантитела намного проще и дешевле производить в больших количествах;

) наноантитела по сравнению с узнающими доменами традиционных антител намного лучше растворяются в организме человека и гораздо более устойчивы к значительным колебаниям температуры и кислотности (рН);

) с наноантителами довольно просто проводить всевозможные ген-но-инженерные манипуляции (например, создавать более эффективные комбинированные конструкции, включающие два или несколько наноантител, а также другие белковые домены или функциональные группы).

Все эти преимущества открывают широкое поле применения наноантител в качестве основы лекарственных препаратов нового поколения для широкого спектра заболеваний.

4.2 Нанотрансгенез или трансгенное наноконструирование [13]

Трансгенными могут называться те организмы, в которых успешно функционирует ген (или гены) пересаженные из других организмов (растений, животных или микроорганизмов). Осуществляется трансгенез бактерий, вирусов, происходит создание различных векторных наноконструктов; трансгенез растений, животных.

Делается это для того, чтобы организм, например, растение реципиент получило новые удобные для человека свойства, повышенную устойчивость к вирусам, к гербицидам, к вредителям и болезням растений. Пищевые продукты, полученные из таких генно-измененных культур, могут иметь улучшенные вкусовые качества, лучше выглядеть и дольше храниться. Также часто такие растения дают более богатый и стабильный урожай, чем их природные аналоги. Создание, например, трансгенных растений в настоящее время развиваются по следующим направлениям:

·        получение сортов с/х культур с более высокой урожайностью;

·        получение с/х культур, дающих несколько урожаев в год (в России существуют ремантантные сорта клубники, дающие два урожая за лето);

·        создание сортов с/х культур, токсичных для некоторых видов вредителей (в России ведутся разработки, направленные на получение сортов картофеля, листья которого являются остро токсичными для колорадского жука и его личинок);

·        создание сортов с/х культур, устойчивых к неблагоприятным климатическим условиям (например, были получены устойчивые к засухе трансгенные растения, имеющие в своем геноме ген скорпиона);

·        создание сортов растений, способных синтезировать некоторые белки животного происхождения (например, в Китае получен сорт табака, синтезирующий лактоферрин человека).

Заключение

Биотехнология стремительно выдвинулась на передовые рубежи научно-технического прогресса благодаря бурному развитию различных областей науки, на которые она опирается, что позволяет использовать потенциал живых организмов в интересах человека. С другой стороны, человечество испытывает потребность в новых технологиях, способных ликвидировать нехватку продовольствия, энергетики, минеральных ресурсов, экологическую ситуацию. Решению этих задач может способствовать развитие новых технологий с использованием биообъектов - биотехнологий.

Список использованных источников

1. Загоскина Н.В. Биотехнология: теория и практика: учеб. пособие для вузов. / М.: Оникс, 2009.496с., 8с. цв. вкл.: ил.

. Божков А.И. Биотехнология. Фундаментальные и промышленные аспекты. Харьков: 2005.364 с.

. Россихин В.В. Биотехнология: введение в науку будущего. Харьков: "Колорит", 2005.288с.

. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. Пер. с англ. М.: Мир, 2002.589 с.

. Елинов Н.П. Основы биотехнологии.С. - Пб.: "Наука", 1995.601 с.

. Ревин В.В. Введение в биотехнологию: от пробирки до биореактора: учеб. пособие. / Саранск: Изд-во Мордовского ун-та, 2006.256 с.

. Тихомирова Л.И. Основы биотехнологии: опорный конспект лекций: учеб. пособие. / Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2013.79 с.

. Шмид Р. Наглядная биотехнология и генетическая инженерия. / Р. Шмид; пер. с нем.2-е изд. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014.324 с.: ил.

10. http://www.biotechnolog.ru/

. Волова Т.Г. Биотехнология. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999.252с.

. Войнов Н.А., Волова Т.Г., Зобова Н.В. Современные проблемы и методы биотехнологии: эл. учеб. пос. / Н.А. Войнов, Т.Г. Волова, Н.В. Зобова и др.; под ред. Т.Г. Воловой. Красноярск: ИПК СФУ, 2009.418 с.

. Карпунина Л.В., Щербаков А.А., Ларионова О.С. Биотехнология (в том числе бионанотехнологии). Саратов: ФГБОУ ВПО "Саратовский ГАУ", 2014.82 с.