Аспекты биотехнологии

Биотехноло́гия  — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами.

Биотехнология как наука является важнейшим разделом современной биологии, которая, как и физика, стала в конце XXв. одним из ведущих приоритетов в мировой науке и экономике. В традиционном, классическом, понимании биотехнология - это наука о методах и технологиях производства различных ценных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов (микроорганизмов, растительных и животных клеток), частей клеток (клеточных мембран, рибосом, митохондрий, хлоропластов)  и процессов.

Корни биотехнологии уходят в далёкое прошлое и связаны с хлебопечением, виноделием и другими способами приготовления пищи, известными человеку еще в древности. Например, такой  биотехнологический процесс, как  брожение с участием микроорганизмов. Люди всегда задумывались над тем, как можно научиться управлять природой, и искали способы получения, например, растений с улучшенными качествами: с высокой урожайностью, более крупными и вкусными плодами или с повышенной холодостойкостью.

Впервые термин «биотехнология» применил венгерский инженер Карл Эреки в1917 году. Использование в промышленном производстве микроорганизмов или их ферментов, обеспечивающих технологический процесс, известно издревле, однако систематизированные научные исследования позволили существенно расширить арсенал методов и средств биотехнологии.

Всплеск исследований по биотехнологии в мировой науке произошел в 80-х годах, когда новые методологические и методические подходы обеспечили переход к эффективному их использованию в науке и практике и возникла реальная возможность извлечь из этого максимальный экономический эффект. По прогнозам, в 21 веке биотехнологические товары будут составлять четверть всей мировой продукции. Современная биотехнология тесно стыкуется с рядом научных дисциплин, осуществляя их практическое применение или же являясь их основным инструментом.

Виды биотехнологии.

Биоинженерия. Биоинженерия или биомедицинская инженерия — это дисциплина, направленная на углубление знаний в области инженерии, биологии и медицины и укрепление здоровья человечества за счёт междисциплинарных разработок, которые объединяют в себе инженерные подходы с достижениями биомедицинской науки и клинической практики.

Биомедицина. Раздел медицины, изучающий с теоретических позиций организм человека, его строение и функцию в норме ипатологии, патологические состояния, методы их диагностики, коррекции и лечения, а так же наномедицина.

Бионика. Прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формы живого в природе и их промышленные аналоги. Проще говоря, бионика — это соединение биологии и техники. Бионика рассматривает биологию и технику совсем с новой стороны, объясняя, какие общие черты и какие различия существуют в природе и в технике.

Различают:

• биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах;

• теоретическую бионику, которая строит математические модели этих процессов;

• техническую бионику, применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.

Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими.

Биоремедиация. Комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферы с использованием метаболического потенциала биологических объектов — растений, грибов, насекомых, червей и других организмов.

Искусственный отбор. Избирательное допущение к размножению животных, растений или других организмов с целью выведения новых сортов и пород. Предшественник и основной метод современной селекции. Результатом искусственного отбора является многообразие сортов растений и пород животных.

Клонирование получение нескольких генетически идентичных организмов путём бесполого (в том числе вегетативного) размножения. Иначе клонирование можно определить как процесс изготовления генетически идентичных копий отдельной клетки или организма. То есть полученные в результате клонирования организмы похожи не только внешне, но и информация, заложенная в них, абсолютно одинакова.

Наконец, клонированием также часто называют биотехнологические методы, используемые для искусственного получения клонов организмов, клеток или молекул. Группа генетически идентичных организмов или клеток — клон.

Термин «клонирование» происходит от английского слова  clone, cloning (веточка, побег, отпрыск), которое обозначает группу растений (например, фруктовых деревьев), полученных от одного растения-производителя вегетативным (не семенным) способом. Организмы, полученные по такой технологии, стали называться клонами. В конце 1990-х годов XX века стала очевидна возможность применения этой технологии для получения генетически идентичных человеческих индивидов, то есть стало реальным клонирование человека.

В природе клонирование широко распространено у различных организмов. У растений естественное клонирование происходит при различных способах вегетативного размножения, у животных - при  партеногенезе и различных формах полиэмбрионии (полиэмбриония: от «поли-» и греч. embrion – «зародыш» – образование у животных нескольких зародышей (близнецов)  из одной зиготы в результате ее неправильного деления вследствие воздействия случайных факторов). Широко распространено клональное размножение среди ракообразных и насекомых.

У людей примером полиэмбрионии может служить рождение однояйцевых близнецов, которые являются естественными клонами. 

Первым искусственно клонированным многоклеточным организмом стала в 1997 г. овца Долли. В 2007 году одного из создателей клонированной овцы Елизавета II наградила за это научное достижение  рыцарским званием.

Клонирование организмов может быть полным или частичным. При  полном клонировании  воссоздаётся весь организм целиком, а при частичном - воссоздаются лишь те или иные ткани организма.

Технология воссоздания целого организма крайне перспективна в случае необходимости сохранения редких видов животных или для восстановления исчезнувших видов. 

Частичное клонирование  - может стать  важнейшим  направлением в медицине, поскольку клонированные ткани могут компенсировать недостаток и дефекты собственных тканей организма человека. Экспериментально доказано, что терапевтическое клонирование может быть также с успехом применено для лечения некоторых заболеваний человека, до сих пор считающихся неизлечимыми.

Однако, при всех своих достоинствах и перспективах, столь важных для решения многих проблем человечества, клонирование является одной из самых обсуждаемых областей науки и медицинской практики. Это связано с нерешенностью целого комплекса морально-этических и правовых аспектов.

Новые перспективы открываются также для применения клонирования в сельском хозяйстве и животноводстве. Путём клонирования можно получать животных с высокой продуктивностью яиц, молока, шерсти или таких животных, которые выделяют нужные человеку ферменты (инсулин, интерферон и др.). Комбинируя методы генной инженерии с клонированием, можно вывести трансгенные сельскохозяйственные растения, которые смогут сами себя защищать от вредителей или будут устойчивы к определённым болезням.

Мне, в силу моей специализации, интересны и значимы сельскохозяйственная биотехнология и зкологическая биотехнология.

Методы культивирования клеток растений к настоящему времени разработаны до такой степени, что любой вид растений при использовании определенных методических подходов может быть регенерирован из каллусной ткани. Скорость регенерации растений в культуре тканей в зависимости от вида варьирует. Для регенерации до целого растений можно культивировать различные клетки, ткани и органы растений. Для каждого вида растения могут быть разработаны один или несколько способов регенерации, однако, как правило, все они различаются по своей эффективности.

Клетки органы и ткани используемые в фитобиотехнологии

В случаях применения изолированных клеток и протопластов удается получать измененные варианты исходной формы, которые передают полученные новые признаки потомству. Этим добиваются возможностей искусственного создания новых форм растений, пригодных для выборки, или селекции

В течение последних лет биотехнологам удалось массовое размножение культивируемых растений с уникальными характеристиками, а выращивание растительных клеток стало основой для получения многих природных веществ, образуемых различными растениями в качестве продуктов вторичного обмена (гликозиды, алкалоиды и другие вещества).

Таким образом, клеточная и молекулярная биология растений составляет основу фитобиотохнологии, а главными направлениями стали создание новых форм полезных растений для сельского и лесного хозяйства, а также разработка промышленного производства химических веществ из растений. В сравнении с микробной биотехнологией фитобиотехнология является совсем молодой научной дисциплиной, становление которой на промышленные рельсы происходит в настоящее время.

Рассмотрим некоторые методы фитобиотехнологии, первый из которых наиболее важный - вегетативное размножение растений методом культур тканей. Метод культур тканей, или микроразмножение in vitro исключительно удобен для быстрого размножения и сохранения здоровых растений. Для этого производят отбор соответствующих эксплантов, подвергают стерилизации с последующим переносом на подходящую питательную среду. Качество эксплантов зависит от вида и фазы развития растения; органа, из которого взят эксплант; сезона года.

Микроразмножение in vitro можно осуществлять из существующих в растении тканей меристемного типа (зародыш, верхушка основного побега) или позже образующиеся пазушные побеги, равно как и из дополнительных меристематических тканей (точки роста, эмбриоиды) изолированных органов растений, где они формируются непосредственно в родительской ткани; из промежуточного каллуса или клеток суспензионных культур.

Важную роль играют регуляторы роста растений - ауксины и цитокины (растительные гормоны, или фитогормоны). Первые усиливают или поддерживают рост каллусов и корнеобразование in vitro; вторые стимулируют образование почек. Их используют в малых концентрациях, добавляя в стерильном виде к готовым питательным средам.

С помощью метода культур тканей удалось значительно повысить коэффициент размножения многих садовых древесных (яблони) и травянистых декоративных растений (ирис, нарцисс, петуния, фиалка и др.), пользуясь придаточными побегами, а также каллусами, индуцированными фитогормонами и дающими побеги или эмбриоиды.

Фитобиотехнологи, занимающиеся микроклональным размножением растений, должны быть хорошо подготовленными в области биологии растений, с которыми приходится иметь дело, а также в области микробиологической техники работы. Лишь благодаря заинтересованности и профессиональному подходу к выполнению задания обеспечивается высокое качество конечного продукта (материала).

И все же микрокультивирование исключительно заманчиво не только на пути создания большого количества безвирусного материала, но и массовости получения образцов в относительно короткие сроки (несколько тысяч в течение месяцев).

Учитывая тот факт, что в 1 см3 каллусной культуры содержится до 1 мл, клеток, каждая из которых способна трансформироваться в новое растение, становятся понятными все преимущества метода стерильного вегетативного размножения растений в лабораторных условиях на средах с фитогормонами при последующей пересадке их в почву. Отбирая нужные клетки, можно вывести новые сорта растений, удовлетворяющие запросы по одному или ряду показателей (устойчивость к микробным заболеваниям, урожайность, особая окраска цветов, повышенная продуктивность вторичных метаболитов и т. д.).

Для развития и формирования каллусных культур значительна роль не только фитогормонов, но и так называемых элиситоров (от англ, elect - выбирать). Полагают, что элиситорами являются углеводные молекулы, происходящие из гид-ролизованных гликанов клеточных стенок. Не исключена возможность экзогенного происхождения элиситоров, например, от микроорганизмов.

Не стоит забывать также, что растения - как многоклеточные организмы с огромной емкостью геномов, с половым путем размножения и многоступенчатыми программами развития - являются более сложными объектами для генноинженерных экспериментов, чем, например, вирусы, бактерии и дрожжи.

Соматическая гибридизация базируется в основном на применении растительных протопластов, впервые полученных Дж. Клеркером в 1892 г. из листьев Stratiotes aloides (водное растение, именуемое телорезом).

Протопласты (от греч. protos - первый, plastos - вылепленный, образованный) - это клетки, лишенные клеточных стенок, способные сохраняться и метаболизировать, равно как и реконструировать клеточную стенку в подходящих условиях. Протопласты можно получать с помощью механических и биохимических (энзиматических) методов.

Из растений, относительно легко регенерирующих из протопластов, можно назвать картофель, люцерну, маниок, рапс, табак. Для получения растений - регенерантов, высаженных в грунт, требуется, как минимум, 16-18 недель.

Другая отрасль фитобиотехнологии - это создание растений, способных фиксировать атмосферный азот. Азотистые удобрения, вносимые в почву (наряду с другими питательными веществами) стимулируют рост и развитие растений. Обогащению почвы азотом помогают особые микроорганизмы, фиксирующие молекулярный азот из воздуха.

Ассоциация клубеньковых бактерий из рода Rhizobium с бобовыми растениями является наиболее эффективной по фиксации азота из воздуха. Соответствующие биопрепараты бактериальных удобрений выпускают в различных странах мира.

В настоящее время имеются также предпосылки к созданию методами генной инженерии злаковых растений - азотофиксаторов. Это сулит большие выгоды агрохозяйствам, занимающимся выращиванием, например, зерновых культур.

На основе методов геномной инженерии получены межвидовые гибриды капусты, картофеля и табака с турнепсом, картофеля с помидором ("Помат"), помидора дикого вида, устойчивого к некоторым вирусам, и культурного сорта.

Одним из направлений развития биотехнологий является экологическая биотехнология, для которой не только в отдаленном будущем, а уже сегодня находится много возможностей и вариантов законного применения. Поскольку вопросы, касающиеся сохранения окружающей среды, качества получаемой продукции и рационального использования в их производстве ресурсов все еще остаются актуальными.

В этом плане, экологическая биотехнология мало чем отличается от других отраслей биотехнологии, которые используются в зависимости от характера проблем, способов их решения. Основное внимание в биотехнологии уделяется очистке, переработке продуктов жизнедеятельности человека: бытовых отходов, стоков. При грамотном подходе и принятии своевременного решения в разработке различных очистных схем удается не только создать безотходные производства, минимизировав тем самым негативные воздействия, а даже извлечь выгоду. Но важно помнить, что биотехнологические производства допускающие нарушения технологического режима могут оказаться опасными для обслуживающего персонала и потребителей продукции.

Относительно сельского хозяйства помощь экологической биотехнологии будет состоять в получении достаточных объемов продуктов питания при минимальном применении химических средств: удобрений, гербицидов, стимуляторов роста. Но здесь важная роль отводится, прежде всего, генетической, клеточной инженерии способной создавать высокоурожайные, устойчивые к болезням сорта культурных растений, тем самым предполагая снижение, а со временем исключение химикатов. Используя достижения современной генетики, биотехнологии можно улучшать свойства многих сельскохозяйственных продуктов, тем самым исключить из рациона животных, птицы различные кормовые добавки химического, микробного синтеза: лизин, витамины, кормовые дрожжи, в производстве которых присутствует определенная экологическая опасность.

В этом свете очень важно расширять производство бактериальных удобрений, биологических средств борьбы, биологических консервантов кормов. Повышения плодородия почвы можно достичь применением органических удобрений, компостов, отходов животноводческих ферм предварительно обезвреженных методом метанового брожения. В дальнейшем экологическая биотехнология должна создать полностью безвредные и рациональные процессы переработки продуктов сельского хозяйства, а химического сырья, в безвредные в биологическом отношении формы.

Современные  биотехнологические методы обладают настолько мощным и не до конца изученным потенциалом, что их широкое применение  возможно только при строгом соблюдении этических норм. Существующие в обществе моральные принципы обязывают искать компромисс между интересами общества и индивида. Более того, интересы личности ставятся в настоящее время выше интересов общества. Поэтому соблюдение и дальнейшее развитие этических норм в этой сфере должно быть направлено, прежде всего, на всемерную защиту интересов человека.

Литература

1. Бейли Дж., Оллис Д. Основы биохимической инженерии, в 2-х частях. М., Мир, 1989.

2. Бекер М. Е., Лиепиньш Г. К., Райпулис Е. П. Биотехнология, М., ВО Агропромиздат, 1990.

3. Биотехнология: принципы и применение. Под ред. И. Хиггинса, Д. Беста, Дж. Джонса. М., Мир, 1988,

4. Биотехнология растений. Под ред. С. X. Мантелла и X. Смита. М., ВО Агропромиздат, 1987.

5. Кузьмина Н.А. «Основы биотехнологии». Омск, 2006.

6. Чижевский А.Е. «Я познаю мир» : Экология: Энциклопедия. Москва:  Астрель, 2004. 410С.