Занятие по теме "Обучение учащихся составлению родословных"

Лекция 1

Биотехнология – как наука. Задачи, методы и перспективы развития.

1.Понятие «биотехнология». Этапы становления науки. Объекты биотехнологии.

«Био» - жизнь, «технология» - способ, метод индустриального производства.

Таким образом, биотехнология – использование живых организмов и биологических процессов в производстве.

Сам термин «биотехнология» получил широкое распространение в 70-х годах 20 века, хотя такие отрасли как хлебопечение, виноделие, пивоварение, сыроделие, основанные на применение микроорганизмов, известны с незапамятных времен. Однако, возникновение «новой биологии» стало реальностью благодаря многочисленным открытиям в биологии, генетике, молекулярной биологии.

Первый этап: расшифрован генетический код, доказана его универсальность для всех живых существ, открыта двухцепочечная структура ДНК (50-60-е годы).

Второй этап: синтез белков – инсулина, соматотропина (конец 70-х годов). (Если в 1979 г. Для синтеза гена длиной 120 нуклеотидов требовалось 2 года, то в 1981г. эту задачу решали за 3 дня).

В 1978г. была создана Европейская биотехнологическая федерация, которая определила биотехнологию как науку, которая позволяет извлекать выгоду в технологических процессах из свойств микроорганизмов и клеточных структур. В 1982г. во Франции создана программа по резкой интенсификации биотехнологии, в которой обозначены три области исследований биотехнологии:

• фундаментальное изучение микроорганизмов, растительных и животных клеток, ферментов;

• изучение и разработка биотехнологических процессов;

• фармацевтические, промышленные, сельскохозяйственные исследования и работы, связанные с охраной окружающей среды.

Объектами биотехнологии являются все живые организмы: растения, животные, человек, грибы, микроорганизмы и вирусы. В настоящее время выделяют:

Биотехнология классическая – наука о методах и технологиях производства с использованием обычных (нетрансгенных) растений, животных, микроорганизмов в естественных условиях.

Биотехнология новейшая – наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генно-модифицированных растений, животных, микроорганизмов в целях интенсификации производства и получения новых видов продуктов различного назначения.

2.Задачи и методы биотехнологии.

Методы:

1. Методы микробиологического синтеза для промышленного получения аминокислот, витаминов, органических кислот, антибиотиков, стероидов.

2. Биологические методы борьбы для защиты растений от вредителей и болезней; для борьбы с загрязнениями окружающей среды (очистка сточных вод, переработка твердых отходов и пр.)

3. Метод генной (генетической) инженерии подразумевает целенаправленное создание новых комбинаций генетического материала, т.е. трансгенных организмов. Это позволяет получать ранее недоступные препараты (интерферон, инсулин, соматотропин) и выводить виды микроорганизмов, сорта растений и породы животных с нужными человеку признаками.

4. Метод клеточной инженерии, т.е. соматическая гибридизация клеток растений с целью получения растений с заданными свойствами.

5. Метод получения гибридом – клеточных гибридов лимфоцита и опухолевой клетки. Это ведет к продуцированию моноклональных антител желаемых свойств и способных существовать в искусственной среде; гибридомы используют в качестве диагностических и лечебных препаратов.

6. Эмбриологические методы – трансплантация эмбрионов животных, слияние эмбрионов, деление эмбрионов и т.п. с целью получения пород высокоценных животных.

Значение биотехнологии и основные направления развития.

1. В промышленности (пищевая, фармацевтическая, нефтегазовая, химическая) – использование биосинтеза новых веществ на основе генно-модифицированных штаммов бактерий и дрожжей с заданными свойствами.

2. В экологии – разработка экологически чистых технологий очистки сточных вод и утилизации отходов; конструирование экосистем.

3. В энергетике – применение новых источников биоэнергии, полученных в результате микробиологического синтеза, биоконверсии биомассы в биогаз.

4. В сельском хозяйстве – получение трансгенных агрокультур, биологических средств защиты растений, бактериальных удобрений; создание эффективных кормовых препаратов для животноводства, репродукция животных с применением эмбриогенетических методов.

5. В медицине – разработка медицинских биопрепаратов, диагностических препаратов, вакцин, развитие имуннобиотехнологии, работы со стволовыми клетками животных и человека, экстрокорпоральное оплодотворение (ЭКО).

3.Трудности и проблемы биотехнологии.

1. Сохранение энергетического и биологического равновесия в природе. Суть проблемы в том, что создание трансгенных растений и животных может привести к перенаселению, избытку численности, что повлечет конкуренцию между видами и даже вымирание естественных вводов.

2. Производство белков.

Есть сообщение о возникновении антител к генно-инженерным белкам (они вызывают аллергию и даже могут вызвать рак). Суть проблемы в том, что большинство белков, важных для медицины, относятся к секретируемым белкам, т.е. к тем, которые синтезируются в организме в виде предшественников. При выходе из клетки от таких белков отщепляется концевой полипептид. Белки, которые синтезируются искусственно, содержат дополнительный метионин в конце молекулы.

Другая трудность в синтезе белков заключается в том, что некоторые белки – гликопротеины – гликозолированы (сахара присоединяется к белкам к определенным аминокислотным остаткам – точкам гликозилирования).

Еще до конца не выяснена роль гликозилирования белков в естественных условиях. А бактериальные клетки, которые синтезируют белковые препараты, не способны осуществлять гликозилирование.

1. Охрана окружающей среды.

К сожалению, многие биотехнологические производства сами загрязняют окружающую среду – это один аспект проблемы. Другой аспект – проведение работ по созданию чистых, безотходных производств.

1. Этические проблемы.

Они связаны с клонированием человека или человеческих органов. Мировая общественность запрещает работы по клонированию, но никто не может гарантировать, что за большие деньги недобросовестные ученые могут тайно проводить такие работы.

Дополнительная информация

Расшифрована первая хромосома человека. Генетики США, Канады, Швеции, Японии расшифровали состав генетического материала первой хромосомы человека. Она состоит из33,5 миллионов химических компонентов. с нарушениями в строении этой хромосомы связано около 30 наследственных заболеваний, в т.ч. шизофрения, лейкемия. Генные инженеры узнают теперь, где именно кроется причина этих недугов. Ученые уверены, что после этого достижения создана методология поиска. И теперь расшифровка всего генома человека – лишь вопрос времени. На эти цели ассигновано 3 миллиарда долларов. В Японии методом генной инженерии создан фактор роста эпидермы – заменитель человеческой кожи, который с успехом применяется при ожогах и при хирургических операциях. Созданы штаммы – продуценты гормона роста человека. О важности такого явления говорит тот факт, что только в США 15 тысяч детей нуждается в лечении соматотропином, который традиционно получали из трупов, но этого хватало лишь трети больным. Стоимость такого лечения составляла 6-10 тысяч долларов. В России налажено промышленное производство клеток женьшеня. Теперь это редкое целебное растение можно выращивать искусственно из каллуса.

Лекция 2-3

Генная инженерия. Получение трансгенных растений и животных.

I. Генная инженерия как метод.

В 1972 г. появилась первая публикация, в которой сообщалось о получении in vitro (вне организма) рекомбинантной ДНК, состоящих из фрагментов разных молекул ДНК: вирусной, бактериальной и фаговой. Работа была выполнена американским ученым Полом Бергом, это ознаменовало рождение генной инженерии.

Согласно определению академика Баева А.А.: генная (генетическая) инженерия – это конструирование in vitro функционально активных генетических структур, т.е. создание искусственных генетических программ.

С этого момента прошло уже больше четверти века, свершение генной инженерии весьма внушительны, а перспективы – фантастичны.

Теоретические основы генной инженерии

1.Молекулярные механизмы матричного синтеза:

Репликация: ДНК→ ДНК

Транскрипция: ДНК→ РНК

Трансляция: РНК→ белок

2.Рекомбинация- обмен генами у гомологичных хромосом при половом процессе.

3.Плазмиды - кольцевые малые молекулы ДНК, автономно размножающиеся в бактериальной клетке.

4.Рестриктазы - ферменты, способные расщеплять ДНК в строго определенном месте с образованием «липких концов» у образуемых фрагментов.

Отличия генной инженерии от классической селекции

Селекция	Генная инженерия
1. Нельзя скрещивать неродственные виды 2. Нельзя извне управлять процессом рекомбинации в организме 3. Нельзя точно угадать, какое получиться потомство	1. Можно скрещивать индивидуальные гены видов, стоящих на разных ступенях эволюции, т.е. происходит скрещивание гетерологичных ДНК 2. Можно управлять процессом рекомбинации, т.к. он происходит in vitro, т.е. «в пробирке» и не защищен запрещающими механизмами организма. 3. Можно предсказать результат, т.к. отбирается потомство одной молекулы ДНК (молекулярное клонирование)

Т.о. в генной инженерии преодолеваются все ограничения классической селекции. Можно скрещивать отдельные гены «ужа и ежа»

II. Механизм генной инженерии

Рекомбинация в организме (in vitro) возможна только между гомологичными молекулами ДНК. Оказалось, что вне организма притягивание молекул ДНК возможно, если они будут иметь небольшие комплиментарные участки (из четырех и более нуклеотидов) на концах молекул – так называемые «липкие концы».

Поэтому, если в пробирку поместить самые разные ДНК с одинаковыми «липкими концами», то рекомбинация возможна.

Чтобы полученные генные конструкции заработали, необходимо их ввести в подходящую бактериальную клетку. Для этого необходимы «повозки»- векторные молекулы. К числу векторов относятся плазмиды, бактериофаги и вирусы животных. Векторы должны обладать рядом особенностей:

А) репликация в клетке – хозяине,

Б) содержание маркерного гена, по которому его легко было бы распознать (для бактериальных векторов чаще всего используются маркерные гены, вызывающие устойчивость к некоторым антибиотикам).

Чаще других в генной инженерии в качестве векторов используют плазмиды бактериального происхождения (их размер 1-3 %генома бактериальной клетки)

Плазмиду режут рестриктазами, чтобы получить «липкие концы», комплиментарные концам встраиваемых генов. Проводят гибридизацию гена и плазмиды и рекомбинантную плазмиду вводят в бактериальную клетку. В этих клетках химерная (гибридная) плазмида начинает функционировать (репликация, транскрипция, трансляция, синтез белка). Таким образом, in vitro происходит только рекомбинация, а все остальное превращение с химерной плазмидой происходят в клетке так же, как и с собственными ДНК. Иными словами, в бактериальную клетку можно ввести ген любого организма (слона, обезьяны, человека) и заставить его там функционировать (Схема 1.).

Таким образом, процедура генной инженерии сводится к следующим этапам:

1.Рекомбинация in vitro ДНК-гена и ДНК-вектора (плазмиды).

2. Введение рекомбинантной плазмиды в клетку.

3. Молекулярное клонирование: клетка синтезирует нужное вещество.

Кроме клонирования генов в бактериальных клетках (почвенная бактерия, E.coli), используется клонирование в дрожжах, стрептомицетах, сахаромицетах, а также в клетках животных.

Работа с дрожжами облегчается тем, что подобно бактериям они могут расти в жидкой среде, имеют короткое время регенерации. Процедура внедрения ДНК в клетки дрожжей проста: удаляется клеточная стенка, и мембрана становится проницаемой. Такие грибы с химерной плазмидой начинают активно синтезировать чужеродные белки. Способы переноса генов в клетки животных будут рассмотрены далее.

III. Трансгенные растения: методы получения, подходы к решению проблем применению.

Селекционеры, выводят растение, придавая им свойства, необходимые для практического применения. При этом, чем лучше сорт, тем он капризнее, подвержен различным заболеваниям. Методами генной инженерии можно получить растение с нужными человеку свойствами. Техника рекомбинантной ДНК способствует преодолению барьеров, препятствующих межвидовому скрещиванию и способствует увеличению видового разнообразия. Впервые трансгенные растения получены в г. Кельне в 1982г.

Однако возможности генной инженерии растений ограничиваются рядом причин:

1) Геном растений изучен хуже, чем геном млекопитающих (затруднение в выделении и определении искомых генов).

2) Не для всех растений удается подобрать условие регенерации (Стабильно получают растения – регенеранты картофеля, томата, моркови…. Регенерацию злаков из клеток пока не всегда удается воспроизвести).

3) Поиски материала для вектора, способного переносить значительные участки ДНК в растительные клетки (пока удачно используется пыльца, бактерии и т.п.)

Существует несколько методов переноса ДНК в растительные клетки:

1.Метод непрямого переноса генов.

Суть его в том, что растительные клетки заражаются агробактериями (Agrobacteria), которые вызывают опухоли-галлы, благодаря наличию в них внехромосомной плазмиды – Ti-плазмиды. Ti-плазмиды являются идеальным вектором для переноса генетической информации, причем они встраиваются в ДНК клетки-хозяина и заставляют их изменить свой метаболизм. Именно это свойство и послужило поводом для использования Ti-плазмид в качестве векторов, способных переносить нужный ген в растение (хотя имеются и недостатки).

2.Методы прямого переноса генов в растение.

Эти методы возникли благодаря появлению специфического объекта – протопласта- клетки, лишенной целлюлозной оболочки.

а. Слияние ДНК- вектора и растительного протопласта с помощью специальных методик.

б. Заражение культуры протопластов на начальной стадии роста, агробактериями.

в. Микроинъекции ДНК (наиболее универсальный способ)

г. Электропорация: биомембраны подвергают действию импульсов высокого напряжения, что вызывает повышение проницаемости, образование пор, через которые проникают ДНК-векторы.

3. Биологическая баллистика- самый эффективный метод: ДНК-вектор напыляют на мельчайшие частички вольфрама, которыми бомбардируют растительные клетки. Быстро движущиеся частицы диаметром 1-2 мкм легко проникают в клетки, проходя сквозь стенки и мембраны. Крошечные отверстия быстро затягиваются, не нарушая целостности клеток. Частицы, внедренные в клетку, остаются в ней и не мешают клеточному метаболизму. Недостаток этого метода в том, что большинство клеток после такой процедуры гибнет.

Биологическая пушка совершенствуется со временем. Сначала детонатором служил обычный порох, затем использовали сжатый воздух и электричество. Сейчас с этой целью применяют сжатый гелий. С помощью биологической пушки трансформировали злаковые растения, хотя всего лишь несколько из трансгенных растений отбирают для получения нового сорта (Схема 2).

IV. Генно-инженерные подходы к решению проблем: усвоение азота, устойчивость к фитопатогенам, гербицидам, к насекомым и факторам среды.

Усвоение азота.

Усвоение атмосферного азота – это свойство характерно для азотофиксирующих бактерий. Они могут вступать в симбиоз с бобовыми, рисом, некоторыми деревьями и травами. Азот фиксируется благодаря уникальному ферменту - нитрогеназе. Гены, ответственные за фиксацию азота называют nif-гены.

Конструирование плазмид, несущих nif-гены, позволяет передавать способность к фиксации азота организмам, не обладающим этим свойством, например злаковым растениям. Тогда таким генно-модифицированным растениям не нужны будут азотные удобрения, что позволит съэкономить ресурсы и время. Кроме этого, предполагается создание новых азотофиксирующих систем путем введения азотофиксирующих микроорганизмов в каллусные ткани растений с целью получения растений - регенерантов, способных усваивать азот.

Но введение nif-генов в растительную клетку не решает проблемы. Клетка может быть не приспособлена к синтезу и расходу большого количества энергии, требуемой для фиксации азота. Другой аспект: фермент нитрогеназа очень чувствителен к кислороду, последний ингибирует действие фермента. В самих азотофиксирующих бактериях есть ряд приспособлений, защищающих фермент. А в растительной клетке таких механизмов нет.

Устойчивость растений к фитопатогенам.

Наибольший урон растениям наносят грибные, бактериальные и вирусные патогены. В самом растении есть защитные механизмы, которые в большей или в меньшей степени противодействуют фитопатогенам: выделение ферментов хитиназы и глюконазы, которые угнетают рост грибов и бактерий. Кроме того, в клетках создаются мембранные структурные барьеры, препятствующие попаданию внутрь клетки инфекций.

Генная инженерия использует эти свойства растений. Гены хитиназы и глюконазы кодируются одиночными генами. Были получены трансгенные растения табака и турнепса, в состав генома которых ввели ген хитиназы. Испытания показали устойчивость этих растений к заболеваниям.

Другой подход – это введение в геном растения оболочки вируса, что приводит к подавлению вирусных инфекций (табак).

Устойчивость растений к гербицидам.

Гербициды - это химические соединения, которые применяют для уничтожения сорной растительности. Но они также угнетают рост культурных растений. Поэтому одно из направлений генной инженерии растений - это введение в растительную клетку генов гербицид-резистентности (устойчивости). Такие растения были получены, но в них наблюдается накопление гербицидов, поэтому их используют в технических целях.

Устойчивость растений к насекомым.

Инсектициды - это химические вещества, которые применяют для уничтожения насекомых-вредителей. Но инсектициды токсичны, к тому же смываются водой.

Поэтому ведутся работы по внедрению в растительную клетку генов, отвечающих за синтез инсектицидов бактериального происхождения (протоксинов). Такие гены вводят в клетки картофеля, томата (устойчивость к колорадскому жуку), хлопчатника, табака и др.

Устойчивость растений к абиотическим стрессам.

Адаптация растений к неблагоприятным факторам в природе осуществляется тремя способами:

• Физиологические механизмы (период покоя).

• Морфологические особенности (слой кутикулы, опушение, уменьшение листовой поверхности).

• Изменение метаболизма (при недостатке влаги накапливаются определенные вещества).

Именно последний способ наиболее доступен для генно-инженерных исследований. Уже сейчас получены растения, которые могут укореняться, и расти в соленой воде, расти при отрицательных температурах.

Получение трансгенных растений имеет большие перспективы. Ведутся работы по получению масличных культур с повышенным содержанием масла; овощей и фруктов, содержащих больше витаминов. Недавнее достижение – «золотой рис»: ученым удалось ввести в геном риса гены, ответственные за синтез провитамина А и гены, способствующие увеличению содержание железа в зернах. Это особенно важно для обитателей азиатских стран, где рис – основная пища. Исследования также ведутся по следующим направлениям - получение растений-вакцин, растений-фабрик лекарств, растений-биореаторов для производства промышленных продуктов (пластика, красителей, масел и пр.) Результаты показывают, что их экономический эффект от их внедрения будет значительным.

V. Методы генной инженерии в животноводстве. Получение трансгенных животных.

Методы генной инженерии имеют большие перспективы в животноводстве:

• повышение продуктивности;

• повышение резистентности к заболеваниям;

• увеличение скорости роста;

• улучшение качества продукции.

Трансгенные животные – это животные, несущие в своем геноме рекомбинантный (чужеродный) ген. Продукт этого гена будет называться трансгенным. Благодаря этому гену у животных возникают новые качества, а дальнейшая селекция позволяет закрепить их в потомстве.

Получение трансгенных животных предусматривает ряд этапов:

1.Приготовление ДНК для микроинъекции.

2.Извлечение эмбрионов у доноров.

3.Микроинъекция ДНК.

4.Пересадка инъекцированных эмбрионов в яйцеводы реципиентов.

Микроинъекция ДНК – наиболее распространенный метод трансформации генов в геном животных. Это делают с помощью пипетки (d =1мкм). Микроинъекции эмбрионов мышей, кроликов проводят легко, труднее идут работы с эмбрионами сельскохозяйственных животных. Каждому реципиенту в яйцеводы помещают 20-30 инъекцированных зигот (кролики, свиньи) или 2-4 зиготы (крупный рогатый скот). К сожалению, передача трансгена по наследству затруднена.

Значение работ:

1.Получение животных-биореакторов, т.е. производителей ценных БАВ (гормон роста, инсулиноподобный гормон). Гормон роста у крупного рогатого скота вызывает прибавление массы, увеличение удоев, уменьшение содержание жира и, как следствие, улучшение качества мясопродуктов.

2.Получение трансгенных животных, устойчивых к заболеваниям. Результаты в этой области – невелики. У животных мощным защитным механизмом является иммунная система и ряд генов резистентности. Ведутся работы по внедрению подобных генов в геном животных (от мышей к свиньям). Получены трансгенные куры, устойчивые к лейкозу.

Следует отметить, что выращивание трансгенных животных и их обслуживание – дорогие и сложные процедуры. Но такие животные являются продуцентами белков с низкой стоимостью. Примеры:

• В Москве, в институте животноводства получили трансгенную овцу с геном химозина (сычужный фермент коров), т.е. овца дает молоко с ферментом, необходимым для производства сыра. Обычно этот фермент добывали из истолченного телячьего желудка (ради этого убивали телят). А теперь, при новой технологии 200 овец могут обеспечить сыром всю Росси.

• Сейчас ведутся работы по увеличению мясистости лосося (трансгенная рыба в 2 раза крупнее, но, к сожалению, конкурирует с обычным лососем); со свиньями по двум направлениям: улучшение мясистости и получение организмов, пригодных для трансплантации органов для человека.

VI. Использование генной инженерии в медицине.

А.Получение ряда белков.

1. Получение инсулина

Инсулин уже давно получают из органов животных, однако многолетнее применение животного инсулина ведет к необратимому поражению многих органов пациента из-за иммунологических реакций, вызываемых инъекцией чужеродного вещества. Но даже при этом потребности удовлетворялись всего на 60-70% (из 6 млн. больных только 4 млн. получали инсулин).

Начиная с 1982 г. в США, Японии, Великобритании производят генно-инженерный инсулин. Из 1000 л. бактериальной культуры получают 200 гр. инсулина (такое количество можно получить из 1600 кг. поджелудочных желез животных).

Технология получения генно-инженерного инсулина проста. ДНК человека, содержащую искомый ген, режут рестриктазами и помещают в плазмиду. Рекомбинантную плазмиду помещают в бактерию E.coli, которая начинает продуцировать белок инсулин.

2. Синтез соматотропина

Соматотропин, или гормон роста, синтезируется передней долей гипофиза; его недостаток ведет к гипофизарной карликовости (1 случай на 5000 человек). Обычно его получали из гипофиза трупов. Препарат из трупного материала представлял собой смесь гормонов и у 30 % больных против него вырабатывались антитела, что сводило на нет его биологическую активность.

Принимая во внимание это обстоятельство, в настоящее время гормон синтезируют методами генной инженерии в клетках бактерии E.coli .

Получаемый гормон содержит на конце молекулы остаток метионина и обладает значительной биологической активностью. Однако после крупномасштабных проверок на токсичность, запущен в широкое производство.

3. Получение интерферонов

Интерфероны были открыты в 1957 г. в Лондоне как факторы устойчивости к вирусной инфекции: они препятствуют размножению вирусов в клетке. Известны три группы:

-α- интерфероны: образуются при воздействии вирусов на лейкоциты;

-β-интерфероны: образуются при воздействии на фибробласты (участвуют в заживлении ран);

-γ- интерфероны: вырабатываются Т-лимфоцитами в ответ на действие антигенов бактериального и вирусного происхождения.

Все интерфероны – гликопротеины. Они используются для лечения вирусного гепатита, рассеянного склероза, остеосаркомы, миеломы, опухолей гортани, легких, мозга.

Традиционно интерфероны получают из крови человека (1 л. крови – 1 мкг. интерферона, т.е. примерно на одну дозу инъекции), т.е. выход низкий, препарат недостаточно чистый и дорогой. На современном этапе наиболее перспективный метод – биосинтез интерферонов с помощью генной инженерии. Сложность в том, что этот белок синтезируется к клетке в виде предшественников, т.е. содержит на конце пептид. Бактерии, синтезирующие интерферон, не содержат ферментов, способных отщеплять пептид при выходе из клетки. Синтезированный генно-инженерный интерферон был выделен, очищен и его свойства оказались близкими свойствам интерферона, полученного из крови. Сейчас 1 л. бактериальной культуры E.coliдает 5 мг. интерферона, что в 5000 раз больше того, что можно получить естественным способом. К сожалению, бактерия не может осуществить гликозирование (интерфероны-гликопротеиды); в настоящее время гены интерферонов клонированы в дрожжи и клетки высших эукариот, способных осуществлять гликозирование.

В настоящее время 200 диагностических препаратов, полученных методом генной инженерии уже введены в медицинскую практику и более 100 находятся на стадии испытания.

Дополнительная информация:

Достижения генной инженерии в комбинации с обычными средствами облучения, использующиеся для лечения онкологических заболеваний, могли бы значительно повысить шансы на исцеление больных, страдающих определенными видами рака. Новый метод позволяет изменять раковые клетки до такой степени, что они становятся очень чувствительными к разрушающему действию лучей. Окружающие здоровые клетки при этом не страдают.

Б. Генотерапия

Неблагоприятная экологическая обстановка и другие причины приводят к тому, что все больше детей рождается с серъезными наследственными заболеваниями. Открытия ученых позволили выяснить, что размер генома человека невероятно велик (около 3,2 млрд. нуклеотидов) и считывание такого количества «букв» невозможно без неких ошибок. Эти ошибки дают начало мутациям, которые приводят к одному из трех последствий:

1. Смерть организма.

2. «Дефектная» жизнь организма.

3. Могут быть безразличными для организма.

В настоящее время известно около 4000 наследственных заболеваний и для большинства из них не найдено эффективных способов лечения. Хотя разработаны диагностические препараты, позволяющие обнаружить генетические аномалии в период беременности (1 % новорожденных имеют генетические заболевания, которые приводят к физическим и умственным отклонениям, смерти)

Дополнительная информация:

ТКИД – тяжелый комбинированный иммунодефицит. Иммунная система при этом заболевании – отключена. Дети не доживают до года. В США известен такой больной – мальчик Давид. Информация о нем засекречена. Только при рождении он дышал атмосферным воздухом 5 минут. Он постоянно находится в герметичной камере, передвигается при помощи специальной системы, ему опасны даже бактерии ротовой полости и кишечника. На данный момент о его судьбе ничего не известно.

В 1989 г. в США предпринята попытка применить генотерапию для лечения ТКИД. Суть генотерапии – замена дефектного гена. Возможны два подхода:

1. В соматические клетки вводят нормальный ген и он, при рекомбинации гомологичных хромосом заменит дефектный. Сложность этого метода в том, что проконтролировать ДНК в клетке трудно: на одно правильное встраивание приходится 1000 случайных.

2. В клетку вводят нужный ген, который не заменяет дефектный, а компенсирует его функцию, встраиваясь в хромосому в другом месте.

По основным подходам в реализации целей генной терапии выделяют соматическую (объект – соматические клетки) и фетальную генную терапию (объект – клетки плода). Однако работы по генной инженерии человека ограничены в основном соматическими тканями, поскольку манипуляции на половых или зародышевых клетках могут привести к серьезным и непредсказуемым последствиям.

В настоящее время практически все клинические исследования сосредоточены на втором способе, т.е. внесение дополнительных генов, а не на коррекции или замещении генов. В любом случае ген должен быть доставлен в клетку – мишень.

Проблемы генотерапии:

1. Сложность процедуры генотерапии в том, что не найден универсальный вектор – переносчик генов. Чаще всего используют ретровирусы, которые способны заражать все клетки. Но ретровирусы обладают высокой патогенной активностью (могут активировать онкогены) и осложняют эффект от генотерапии.

2. Другая проблема – это создание условий для нормального функционирования доставленного в клетку гена (его экспрессии). Эта проблема до настоящего времени не решена и продолжает оставаться центральной проблемой генотерапии. Трудность достижения этой цели можно выразить словами одного американского ученого Ф. Андерсона: « организм человека затратил много тысяч лет, чтобы защитить себя от нападения факторов внешней среды, в том числе от чужеродной ДНК, пытавшейся проникнуть в его геном». Поэтому, попавший в клетку нужный ген мгновенно распознается как чужой, и она пытается избавиться от него. Таким образом, «вылечить» удается только часть клеток и только на время.

3. Еще одно серьезное препятствие на пути применения генной терапии – мультигенная природа многих заболеваний, т.е. их обусловленность более чем одним геном.

По мнению специалистов, преимущество генной терапии по сравнению с другими видами лечения заключается в том, что она направлена на устранение причин заболевания, в то время как большинство лекарств устраняет лишь симптомы болезни. Во многих странах генотерапию считают приоритетным направлением в науке и финансируют, прежде всего.

Но обязательным требованием генной терапии является проведение предварительных экспериментальных исследований на животных. Для разрешения клинических испытаний необходимо доказать в экспериментах на животных, что:

• Нужный ген может быть перенесен в соответствующие клетки – мишени, где он будет функционально активен длительное время.

• Нужный ген в новой среде не потеряет свою экспрессию, т.е. сохранит эффективность.

• Такой перенос не вызовет неблагоприятных последствий в организме.

История генотерапии – молода, клинические испытания начаты в 1990 году. Несмотря на то, что еще не получено ни одного окончательного клинического результата, можно констатировать, что эра генотерапии уже началась. Определены принципы и подходы, отобраны потенциальные болезни для этого лечения.

В. Евгеника.

Евгеника – учение о наследственном здоровье человека и путях его улучшения. Принципы евгеники были сформулированы в 1869 году Ф.Гальтоном, предложившим изучать влияния, которые могут улучшать наследственные качества (здоровье, умственные способности, одаренность). На многих ученых-биологов эти идеи произвели воздействие. Они пришли к выводу, что человеческому виду следует заняться своим улучшением и для этого поддерживать воспроизводство людей, обладающих желаемыми качествами (позитивная евгеника), и препятствовать воспроизводству больных, умственно отсталых, калек (негативная евгеника). Интерес к евгеническим идеям был особенно силен в 20-х годах 20 века. Многие прогрессивные генетики ставили перед евгеникой гуманные задачи, однако ее идеи нередко использовались для оправдания расизма. В Германии евгеника стала называться «расовой гигиеной» и все известные события отечественной войны дискредитировали не только евгенику как научную дисциплину, но сам термин «евгеника».

Проблема человека и его здоровья на рубеже третьего тысячелетия приобрела особую актуальность. Повышение уровня радиации, экологические яды, мутагены, канцерогены в окружающей среде – все эти и другие факторы способствуют накоплению вредных мутаций, и, как следствие, ведут к ухудшению здоровья, различным психическим отклонениям, патологиям. Полноценное существование человека, обеспечение его здоровья и максимальной продолжительности жизни оказываются под угрозой. Так вновь возникают евгенические вопросы: нельзя ли избежать рождения больных и неполноценных людей или улучшить человеческую породу с помощью высокотехнологичных средств биологической науки? Но, если традиционная евгеника говорит об улучшении человеческой породы путем селекции, то возникающая сейчас неоевгеника предполагает вмешательство в наследственный аппарат человека на уровне макромолекул и клеток, т.е. с помощью генной инженерии. Уже сейчас, на нынешнем уровне знаний о геноме человека теоретически вполне возможны такие его модификации с целью улучшения некоторых физических (рост), интеллектуальных и психических параметров. Хотя неоевгеника поднимает ряд вопросов, на которые вряд ли можно ответить:

• Какова природа наследственности, которую природа стремиться трансформировать?

• Насколько успешно и какими способами можно ее изменить?

• На какие цели должна ориентироваться евгеника, и какими методами можно этого достигнуть?

Вообще любое усовершенствование начинается с разделения на плохое и хорошее, жизнеспособное и слабое, талантливое и бездарное. На уровне человеческого общества такой отбор неизбежно порождает дискриминацию. А потому в цивилизованном обществе евгенические проекты являются утопическими. Реализация евгенических идей означает генетическую катастрофу для человечества. Ситуация складывается так, что с развитием передовых генных технологий все меньше принимается всерьез сам эмбрион, его право на жизнь, т.е. обесценивается сам человек. Сегодня уже существуют методики, позволяющие выбирать пол ребенка (80 % успеха). Если такое положение вещей установится, то это может привести к нарушению между полами, особенно в тех странах, где женский пол традиционно считается «худшим» полом.

Появившиеся методы пренатальной диагностики позволяют выявлять генетические дефекты умственного развития еще до появления младенца. Многие считают, что данные методы ни в коем случае нельзя применять для отбора эмбрионов по интеллекту. Ведь никто не гарантирует, что высокоинтеллектуальные субъекты не будут ущербны в чем-то другом. Поэтому человечеству безопаснее пользоваться дарами природы – появление на свет всяких людей, в т.ч. гениев или просто талантливых людей.

Конечно «здоровое ядро» евгеники может и должно развиваться. Цели молекулярной антропогенетики и медицинской генетики – освободить человека от вредных наследственных заболеваний.

Лекции 4 – 5

Основы клеточной инженерии. Клональное микроразмножение. Гибридомы.

1.Культура клеток и тканей. Условия культивирования.

Клеточная инженерия – наиболее важное направление биотехнологии.

Это область биологии, изучающая клетки, ткани и органы, изолированные от растения и выращиваемые на искусственных питательных средах.

Это дает возможность не только изучать развитие растений, но и оздоравливать их, создавать новые растения с ценными свойствами, закрепленными генетически.

Известно, что клетки, ткани растений отличаются по морфологии и функциям. Специализированные клетки растений (флоэма, луб…), как правило, не делятся; способностью к размножению обладает только образовательная ткань. Однако, выделенные из растения любые клетки, теряют свою специализацию и начинают делиться, образуя каллус (в природе каллус можно наблюдать в виде наплывов на деревьях).

В искусственных условиях выращивание клеток высших растений вне организма состоит в том, что эксплант – растительная ткань, выделенная из любого органа растения, помещается на искусственную питательную среду. Клетки размножаются и образуют бесформенную массу – каллус. Его обрабатывают стимуляторами роста: возникают почки, развиваются побеги. Такое растение служит для дальнейшего культивирования клеток данного вида. Причем эти клетки способны жить и размножаться в лабораторных условиях десятки лет.

Условия культивирования изолированных клеток растений

1.Стерильность

Работа проводится в стерильных помещениях (ультрафиолет, одежда, сухой жар, автоклав, дез. растворы в которых держат экспланты).

2 .Питательные среды

твердые жидкие

(агар-агар) (растворы питательных

веществ)

образуют каллус образуют клеточные суспензии

Необходимо все время обновлять питательную среду и поддерживать её определенный состав, так как это влияет на развитие клеточной структуры. Обязательными компонентами питательных сред должны быть фитогормоны (ауксины и цитокинины), стимулирующие деление клеток и вызывающие их дифференцировку.

3. Физические факторы.

а) Свет: большинство каллусных клеток способны жить только в условиях слабой освещенности или в темноте (в основном используют люминесцентные лампы).

б) Температура: оптимальная +26 ˚С (но зависит от вида растения).

в) Аэрация: достигается перемешиванием, особенно важно для работы ферментов.

г) Влажность: оптимальная 60 – 70 %

Каллус не может существовать самостоятельно и имеет низкие темпы размножения.

2.Морфогенез в каллусных тканях. Тотипотентность.

Морфогенез – возникновение организованных структур из неорганизованной массы клеток. Выделенная из организма растения клетка, при особых условиях проходит вторичную дифференцировку, в результате которой образуются органы или зародыши растения. Все это возможно, благодаря такому свойству клетки, как тотипотентность – способность реализовать генетическую информацию. (Любая растительная клетка содержит полный набор генов, характерный для того организма, из которого она была выделена). Иными словами из недифференцированной массы клеток могут образовываться дифференцированные структуры.

Характеристика каллусных клеток.

Сохраняются все физиологические особенности, свойственные клеткам растения: морозостойкость, устойчивость к абиотическим факторам (температура, засолении, синтез вторичных метаболитов). Но появляются и новые свойства:

а) Физиологическая асинхронность: клетки каллуса находятся в разных стадиях роста (одни делятся, другие растут, третьи стареют).

б) Генетическая гетерогенность: в клетках могут возникать полиплоидия, генные мутации и прочее. Это свойство служит основой для адаптации клеток каллуса.

в) Гормононезависимость возникает при длительном культивировании каллуса. Такие клетки начинают расти, и внешне напоминают опухоль, могут образовывать уродливые органоподобные структуры.

Морфогенез может идти тремя способами:

а) Гистогенез: из каллуса образуются сосудистые элементы в зависимости от концентрации сахарозы. Если каллус обрабатываю смесью ауксина и сахарозы, то образуется флоэма; если смесью ауксина и небольшого количества сахарозы, то образуется ксилема.

б) Органогенез – это образование органов растения (корни, побеги) из каллуса. Процесс происходит под действием определенного соотношения фитогормонов: если преобладает ауксин, то образуются корни, если кинин – побеги. Причем важнейшим условием для органогенеза является присутствие в питательной среде аммонийного и нитратного азота, а также других фитогормонов (гибберилин, этилен и др.).

в) Соматический эмбриогенез.

Процесс можно выразить следующим образом:

каллус →зигота →зародыш (эмбрион).

Такой соматический зародыш точнее воспроизводит генотип исходного растения. Практический интерес заключается в получении искусственных семян.

Успехи экспериментального морфогенеза весьма значительны (данные получены для 130 видов растений). Изучение экспериментального морфогенеза привело к созданию технологии клонального микроразмножения растений – использование техники in vitro для быстрого неполового размножения растений.

3.Клональное микроразмножение растений и его преимущества.

Клональное микроразмножение – неполовое размножение растений с помощью метода культуры тканей, позволяющее получить растения идентичные исходному. В основе этого явления лежит свойство клеток – тотипотентность.

Преимущества:

1.Более высокий коэффициент размножения. (Естественным способом растения может дать 5-100 потомков, а при помощи клонального размножения можно получить миллионы особей).

2.Миниатюризация процесса, что ведет к экономии площадей.

3.Оздоровление посадочного материала: для клонирования берут первичные меристемы стебля, всегда свободные от инфекций.

4.В условиях in vitro размножаются даже те растения, которые в естественных условиях размножаются с трудом.

Процесс клонального микроразмножения идет в 3 этапа:

1.Получение хорошо растущей стерильной культуры (растение-донор, свободное от инфекций).

2.Собственно размножение.

3.Подготовка к высадке в поле или к реализации: растения, полученные in vitro, адаптируют к внешней среде, закаливают, подбирают почву.

Клональное микроразмножение проводят разными способами.

Первый способ – активизация пазушных меристем, при этом на экспланте развивается много пазушных побегов; их отделяют и культивируют на питательной среде. Так размножают картофель, томаты, огурцы, яблоню, вишня, малину, гвоздику, розу и др.

Второй способ – стимулирование развитие почек из любых растительных тканей, которые их обычно не образуют. Этим способом обычно размножают томат, лук, чеснок, фиалки.

Третий способ – черенкование растения – экспланта. Другой способ – образование соматических зародышей (морковь, редис, пшеница и др.)

Факторы, влияющие на клональное размножение:

а) питательная среда, её состав и агрегатное состояние.

б) состояние экспланта: возраст, размеры, таксономическая принадлежность растений-доноров.

в) физические факторы: качество света влажность, температура, условия освещения.

Оздоровление посадочного материала начинается с момента стерилизации экспланта, таким образом, освобождают от бактерий, нематод, грибных инфекций, но остаются вирусы. Поэтому для культивирования берут клетки меристемы (конус нарастания), которые не содержат вирусы. Иногда этот метод дополняют термотерапией или хемитерапией.

Криосохранение.

Изменчивость клеток в условиях in vitro дает возможность получить новые штаммы с ценными признаками. Оптимальным способом хранения такой культуры является криоконсервация в жидком азоте (-196˚С). При сохранении в глубоко замороженном состоянии полностью прекращается обмен веществ, клетка не меняется, что обеспечивает сохранение генофонда. Трудности криосохранения растений связаны со спецификой растительных клеток: они имеют большие размеры, клеточную стенку и вакуоли, занимающие до 90 % от объема клетки. Поэтому при замораживании в клетку вводят криопротекторы (сахара, этиленгликоль, глицерин), которые переводят воду в аморфное состояние, образуя коллоидные растворы. Лучше всего переносят замораживание клетки меристемы. Ученым удалось получить здоровые растения из размороженных культур моркови, табака и некоторых других.

4.Получение протопластов и соматическая гибридизация.

Соматическая гибридизация предполагает слияние протопластов соматических клеток. Изолированный протопласт – это растительная клетка, лишенная целлюлозной клеточной стенки. Лишить растительную клетку стенки можно механически или ферментативно (ферменты целлюлоза, пектиназа и др. разрушают её поэтапно).

Протопласты имеют шарообразную форму, очень чувствительны к осмотическим шокам. Протопласты способны сливаться, при отсутствии фермента клеточная стенка вскоре восстанавливается.

Поэтому соматическая гибридизация обладает рядом особенностей:

а) этому процессу доступны любые скрещивания;

б) слияние протопластов приводит к объединению цитоплазматических генов растительных клеток.

Примером соматической гибридизации может служить гибридизация двух видов картофеля.

Дополнительная информация.

В Андах существуют дикие виды картофеля, несъедобные для колорадского жука. Но они, к сожалению, являются малосъедобными и для человека: дают мелкие клубни, неприятные на вкус. Группе исследователей из министерства сельского хозяйства США методами клеточной инженерии удалось слить клетки такого картофеля с клетками обычного и получить гибрид, отпугивающий колорадского жука. В листьях (но не в клубнях) гибрида содержится природный инсектицид лептин. Жук, попробовав лист такого растения, спасается бегством.

Схема 3.

Соматическая гибридизация картофеля.

Протопласты мезофилла Протопласты культурного

дикого картофеля картофеля

↓ ↓ Слияние на питательной среде ↓ Гибридные клетки ↓ Гибридные колонии ↓ Гибридный каллус ↓ Растение – соматический гибрид Соматический гибрид, в сравнении с родительскими формами, отличается большей мощностью куста, высотой стебля и был включен в дальнейшую селекцию. Дополнительная информация. Самым интересным в биотехнологии растений было получение гибридов картофеля и томата. Гибриды имели сочные плоды и образовывали клубни. Правда и то и другое было мелким. Это неудивительно, так как совмещено две тенденции: «все на создание клубней» и «все на создание плодов». Проблема решается. 5.Способы модификации растительной клетки. Культивируемые клетки отличаются друг от друга по морфологии, размерам. Эти отличия, отражающие гетерогенность клеточных культур, зависят от возраста клеток, их функциональных особенностей. Наличие в культуре клеток разного возраста, отсутствие у них мейоза позволяют рассматривать культуры соматических клеток, как неполовые клеточные популяции со всеми протекающими в них процессами. В частности для культуры клеток характерна наследственная изменчивость (если изменения связаны с перестройкой ДНК). Именно это делает культуры клеток источником новых форм. Другое, противоположное свойство – стабильность, которое выражается в длительном сохранении характеристик штаммов. Чтобы получить клеточный штамм, устойчивый к какому-либо веществу, культуры клеток (в виде суспензий) высеивают на твердую среду, которая содержит это вещество в большой дозе. Подавляющее большинство клеток гибнет. Потомство даже одной выжившей клетки образует штамм, устойчивый к данному фактору. Чтобы повысить частоту генетических изменений, клетки подвергают мутагенному воздействию (химическими веществами, ионизирующим излучением). Такая обработка повышает вероятность получение клеточных линий с хозяйственно-ценными признаками. В настоящее время получены: А) томаты, устойчивые к механической уборке; Б) тростник, устойчивый к мучнистой росе и гельминтоспорозу; В) картофель – продуктивный, устойчивый фитофторозу; Г) клевер, устойчивый к раку; Д) каллус пшеницы, устойчивый к пониженным температурам (до -40˚С). 6.Культура эукариотических клеток животных. Клетки животных культивируют уже около ста лет (культивирование растительных клеток началось позже). Особый интерес представляют эксперименты с эмбрионами. 1.Трансплантация ранних эмбрионов. Это пересадка оплодотворенных яйцеклеток или эмбрионов от высокоценных пород коров низкопродуктивным коровам в целях интенсификации воспроизводства высокопродуктивных племенных животных. Выход яйцеклеток у коровы-донора стимулируют гормонами. Таким способом от одной ценной коровы можно получить до 60 телят в год. 2.Искусственное получение идентичных близнецов. Это происходит путем механического деления эмбрионов: восьмиклеточные эмбрионы освобождают от оболочки и делят на четыре части. Каждую часть (две клетки) помещают в яйцевые оболочки недозревшей яйцеклетки, а затем на питательную среду на короткое время. Потом эмбрион помещают в яйцевод овцы и на стадии бластул пересаживают коровам. Сейчас технология усовершенствовалась. Половину полученных эмбрионов замораживают, затем трансплантируют. 3.Оплодотворение яйцеклетки in vitro. Можно выделить до 200 овоцитов от одной коровы. Доращивание овоцитов происходит на искусственных питательных средах, оплодотворение – в пробирке. Трудность этого метода в низкой выживаемости эмбрионов. Пока для этой цели используют яйцеводы овец и кроликов. 4.Гибридизация клеток или получение химер. В древней Греции химерами называли чудовище, состоящее из головы льва, туловища козла, хвоста дракона. Однако в последнее время термин «химера» стал использоваться биологами в своем первоначальном смысле. Химеры – это особи, развивающиеся из эмбриональных клеток (бластомеров) двух или более особей (даже разных видов). Иными словами химера – это организм мозаик. Дополнительная информация. Мозаичность – это явление, отражающее присутствие у организма клеток разного генотипа. Причина этого явления – мутации. Генетический мозаизм у человека: разный цвет глаз (один карий, другой голубой), пигментация кожи, волос (пегость) и др. искусственный мозаизм – объединение групп клеток и даже органов. Чтобы произошло слияние клеток, используют различные «сливающие агенты»: а) вирус Сендай (обработанный ультрафиолетом он теряет способность заражать, но повреждает оболочки и содержимое клеток сливается); б) полиэтиленгликоль; в) электрический разряд (пробивает мембраны). Вначале слившиеся клетки образуют одну большую клетку с двумя разными ядрами (гетерокарион). Но если в одном ядре начался синтез ДНК, то он стимулируется и во втором ядре. Оба ядра вступают в деление одновременно, их хромосомы смешиваются. Гетерокарион делится на две клетки, каждая из которых содержит хромосомы обоих видов. Такие клетки – синкарионы –могут быть гибридами. Уже получили гибриды клеток мыши и хомяка, хомяка и лисы, крысы и курицы. С клетками человека соединяли клетки мыши, хомяка, комара. Совсем необычны гибриды клеток млекопитающих и моркови! Практические свершения в том, что получены химерные телята, ягнята и даже овцекозы. Но в дальнейшем у химер в потомстве происходит расщепление признаков. Поэтому ценность химер заключается в их непосредственном использовании при жизни. 7.Клонирование как метод биотехнологии. Описанные способы манипуляции с клетками животных (см. предыдущий вопрос) позволяют значительно увеличить количество потомков от ценных производителей. Но каждый потомок имеет только половину хромосом каждого родителя, причем у отдельных потомков этот набор будет разным. В результате этого хозяйственная ценность потомков будет существенно отличаться от ценности родителей. Таким образом, половой процесс препятствует точному воспроизведению и размножению генетически уникальных животных. Клонирование – получение потомков, являющихся точной копией высокоценных животных. Животные одного клона обладают фенотипической однородностью и идентичным генотипом. Эта технология соединяет методы искусственного оплодотворения вне организма и генетическое моделирование наследственности. Дополнительная информация. Немного истории. В 1976 г. Д.Гердон выявил возможность клонирования на лягушках, хотя только в 1983 г. ученым удалось клонировать серийные клоны амфибий. В 1981 г. – клонированы мыши. В 1997 г. впервые было клонировано крупное млекопитающее – овца, которую назвали Долли. Механизм клонирования. 1.Клетку, взятую из вымени взрослой овцы, 6 дней в лаборатории выращивали в культуру. 2.У другой овцы было взято неоплодотворенное яйцо, из которого удалили ядро, содержащее ДНК. 3.Клетка овцы – донора слита с пустой яйцеклеткой с помощью электрического разряда. 4.Эмбрион, ставший результатом слияния, был имплантирован в матку третьей овцы, выступающей как суррогатная мать. 5.Суррогатная мать рождает ягненка, генетически идентичного той овце, у которой взята соматическая клетка. Но сегодня нельзя строго говорить о создании полных копий организма путем клонирования: ведь пересаживают только ядерную ДНК, а митохондриальная ДНК будет от той клетки, в которую пересадили ядерные гены. Теоретически, донором гена, донором яйцеклетки и суррогатной матерью может быть одним человеком (женщина). Значение работ по клонированию. 1) Получение дефицитных и дорогостоящих лекарств быстрым и экономичным способом: драгоценная белковая сыворотка, которая используется при ожогах, будет производиться из молока клонированных трансгенных овец. Получение коровьего молока с человеческими протеинами (корова Рози в Англии), которым можно будет вскармливать недоношенных детей. 2) Изменение генетического кода животных таким образом, чтобы их органы можно было имплантировать человеку или даже выращивать и клонировать человеческие органы в отдельности от человеческого организма. Сторонники клонирования людей считают, что родители могут вернуть к жизни умерших детей, можно клонировать великих людей, артистов, спортсменов и др., но манипулирование клетками человека пока лежит за пределами человеческой морали. Создание трансгенных животных, никому не ведомых, может привести к распространению монстров с непредсказуемыми последствиями. Есть еще одна проблема. Не совсем ясно, как скажутся на клонах проблемы старения, а также возможные мутации в ядрах клеток-доноров. Эксперимент с Долли оказался в этом смысле не очень успешным: животное страдало артритом, ожирением и признаками преждевременного старения. Долли умерла в 2003 году. Если биологические часы копируют возраст своей модели, то клон будет всегда того же возраста, что и донор ДНК. Клонирование приматов показало, что большая часть эмбрионов обезьян формируется с неправильным набором хромосом. Предположительно причиной этого является травма, получаемая при удалении ядер из клеток. Поэтому клонирование человека под вопросом. 8.Стволовые клетки. В настоящее время интенсивно развивается технология клонирования изолированных клеток и тканей живых организмов. Стволовые клетки являются предшественниками всех клеток организма. В разных условиях они способны превращаться в любые другие клетки. Причем способность к этому у них сохраняется и при выращивании колонии из одной единственной, так называемой, стромальной клетки. Уникальность эмбриональной стволовой клетки состоит в том, что генетическая информация, заключенная в ее ядре, находится как бы в «нулевой точке отсчета». Ее геном еще не запустил ни одной программы, и не начал выполнять программу размножения и формирования многоклеточного зародыша. Зародышевые клетки могут превратиться в один из 150 типов зародышевых клеток. Важным свойством стволовых клеток является то, что из них формируются островки в различных органах и тканях. Однако таких клеток в зародыше мало – сотые доли процента. Удивительная способность эмбриональной стволовой клетки стать любой клеткой организма обусловлена наличием в ней избытка РНК всех генов, отвечающих за рост зародыша на ранней стадии развития эмбриона. Факторы, делающие эмбриональную клетку уникальной, находятся в ее цитоплазме. Поэтому можно вынуть ядро с генетическим материалом из клетки любого организма, вставить его в оболочку яйцеклетки, и система начнет работать – копировать информацию с ДНК, а затем формировать новое живое существо, идентичное донору. Данное направление сулит большие перспективы в медицине: можно вырастить огромный массив ткани и любой человеческий орган. Однако эмбриональных стволовых клеток для этой цели недостаточно, нужны еще специальные стволовые клетки, из которых выращивается межклеточное вещество и формируется кровеносная система. Применение стволовых клеток в клинической практике сегодня уже является реальностью. При пересадке эмбриональных стволовых клеток в какой-либо орган из них всегда образуются только клетки этого органа, что позволяет использовать стволовые клетки для восстановления поврежденных органов, лечения многих заболеваний. Сейчас в этой области лидирует ортопедия: лечение переломов, восстановление костных тканей. Интерес представляют экспериментальные работы со стволовыми клетками мышечной ткани с целью восстановления сердечной мышцы после инфаркта. Есть сообщения о восстановлении клеток поджелудочной железы, вырабатывающих инсулин. Необходимо отметить, что в настоящее время осознана необходимость создания донорских и индивидуальных банков стволовых клеток для восстановительной медицины будущего. 9.Технология получения гибридом и перспективы их использования. В процессе иммунного ответа на действие антигена в организме вырабатываются антитела (продуцируются В-лимфоциты). Если бы лимфоциты можно было выделить в культуру и растить in vitro, то полученный клон продуцировал определенный вид антител – моноклональные антитела (к определенному виду антигена). Но эти клетки не могут расти в культуре на питательных средах.Зато клетки опухоли костного мозга, миеломы обладают способностью к неограниченному росту, т.е. образуют клоны.Поэтому перед учеными стала задача – получить гибрид лимфоцита и опухолевой клетки, т.е. гибридому. Термин говорит о том, что одним из родителей была клетка опухоли (окончание «ома»). Таким образом, гибридома – это клеточный гибрид, образованный слиянием клетки опухоли костного мозга мыши или крысы (миеломы) с иммунным лимфоцитом, синтезирующим специфические антитела. Гибридома приобретает свойства обоих родителей: способность к неограниченному росту, характерную для опухолевой клетки и возможность синтезировать антитела, присущую иммунному лимфоциту. Свойства гибридом. 1.Синтезируют моноклональные антитела исключительной специфичности. (Раньше такие антитела получали из сыворотки крови человека, переболевшего данной конкретной болезнью. Этот способ - дорогой, а выход продукта – небольшой). 2.Гибридомы могут быть размножены в любом количестве: а) можно получат за счет размножения клеток в культуре. б) можно размножать путем подсадки этих клеток экспериментальным животным – хозяевам миеломы. 3. Могут храниться в замороженном состоянии бесконечно долго. (С этой целью созданы гибридомные банки). Применение гибридом. 1)Одно из применений гибридом – это использование их в качестве диагностических препаратов. Это важно при определении групп крови или совместимости тканей при трансплантологии. Удалось получить антитела, «узнающие» злокачественные опухоли толстой и прямой кишок. Ведется работа по диагностированию эпителиальных форм рака. 2)Широкое применение гибридом отмечается в фармацевтической промышленности для получения специфических лекарственных препаратов, т.е. против определенного заболевания. 3)Другое применение гибридом – выделение БАВ (гормонов, ферментов, токсинов) из сложных смесей. С этой целью локальные антитела помещают в стеклянную колонну и через неё пропускают смесь, которую надо разделить. Гибридомы задерживают «своё» вещество, а остаток смеси переливают в другую колонну, где другие гибридомы задерживают другое вещество и т.д. благодаря высокой специфичности моноклональных антител очистка идет с точностью, не достижимой другим методами.

Лекция 6-7

Биотехнология производства метаболитов.

Инженерная энзимология.

Биотехнология в пищевой промышленности.

Обычно в производстве ферментов, витаминов, белков и др. применяют микроорганизмы, используя продукты их жизнедеятельности.

Первая группа – ферменты и полисахариды как продукты жизнедеятельности. Источниками для получения являются бактерии, дрожжи и другие грибы.

Вторая группа – первичные метаболиты, к которым относятся вещества, необходимые для роста и развития самой клетки: аминокислоты, органические кислоты, витамины.

Третья группа – вторичные метаболиты: антибиотики, токсины, алкалоиды. Эти вещества уже не нужны микроорганизмам, они синтезируются после исчерпания энергии питательной среды.

1.Получение первичных метаболитов: незаменимых аминокислот, органических кислот, витаминов.

Первичные метаболиты – это низкомолекулярные соединения. Обычно микробные клетки не производят избытка первичных метаболитов, что было бы расточительно и уменьшало способность к выживанию. Но есть штаммы с нарушениями регуляции синтеза, именно эти штаммы служат исходными для промышленных процессов.

Производство аминокислот.

Аминокислоты являются основными структурными элементами, из которых построены белки. Аминокислоты включены в синтез ферментов, гормонов, антибиотиков и многих других важных веществ. В организме животных половина аминокислот не синтезируются. Они называются незаменимыми аминокислотами и поступают в организм с пищей. Недостаток хотя бы одной из них ведет к нарушению обмена веществ. Незаменимые аминокислоты – этот валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан, цистеин, тирозин.

Введение незаменимых аминокислот в корма животных (куры, свиньи, коровы) позволяет обеспечить их белковой пищей. Выход продукции при этом увеличивается на 20 %. За последние годы количество аминокислот, используемых в кормопроизводстве (лизин, метионин, треонин, триптофан, метионин и др.) возросло в 15 раз, что составляет около 70% от объема их производства.

Аминокислоты также используют в качестве приправ и усилителей вкуса (глицин, глутаминовая кислота), цистеин предотвращает пригорание пищи в процессе приготовления, улучшает качество хлеба при выпечке и усиливает запах пищи. Глицин, обладающий освежающим и сладковатым вкусом, используют в производстве напитков. Широко применяют аминокислоты в фармацевтической промышленности (гистидин – противовоспалительное средство, цистеин).

Ежегодно в мире производится около 800 тыс. т аминокислот стоимостью свыше 5 млрд долларов. Более половины от общего объема производства приходится на долю глутаминовой кислоты.

В промышленных масштабах белковые аминокислоты получают:

1. Гидролизом природных белков.

Белки нагревают с раствором кислот (HCl) или щелочей 20-48 часов при t =100-105°C. Чтобы не разрушались и сами аминокислоты, гидролиз проводят в вакууме или в атмосфере инертного газа. Обычно этот способ используют для получения аминокислот в научных целях.

2. Химическим синтезом.

Для этого способа используют ферменты микроорганизмов: гидролазы, дегидрогеназы, лиазы, лигазы, изомеразы. В результате действия ферментов, полученные аминокислоты не надо очищать от побочных продуктов. Но этот способ самый дорогой.

3. Микробиологическим синтезом.

Этот способ перспективен и экономически выгоден, т.к. аминокислоты производят микроорганизмы (дрожжи, стрептомицеты, бактерии, микроскопические грибы). Характерной особенностью является полное использование побочных продуктов, что превращает производство в безотходное и экологически чистое (Все аминокислоты образуются в ходе разветвленного метаболического пути; все побочные продукты- аминокислоты, которые так же используются по назначению).

Не зафиксировано никакой связи между таксонометрическим положениям микроорганизма и его способностью к продуцированию той или иной аминокислоты. Обычно микроорганизмы выделяют во внешнюю среду очень незначительное количество аминокислот. И лишь некоторые штаммы способны к сверхсинтезу аминокислот. (Штамм, выделяющий глутамат, использовали при организации крупномасштабного производства глутаминовой кислоты микробиологическим синтезом в Токио в 1956г.).

Перспективные штаммы постоянно улучшают посредством селекции мутантов с измененной генетической программой и регуляторными свойствами. Объектами этой программы являются несколько родов бактерий.

Производство витаминов.

Витамины относятся к биологически активным веществам, необходимых организму в ничтожно малых дозах. Их недостаток приводит к нарушениям обмена веществ. Гетеротрофы (животные, человек) не способны к синтезу витаминов. Этой способностью обладают лишь автотрофы (растения) и некоторые микроорганизмы, которые и стали объектами биоиндустрии витаминов. С помощью микроорганизмов получают витамины В2, В12, провитамин А и предшественники витамина D. Их используют в качестве лечебных препаратов, вводят в корм животных и применяют для интенсификации биотехнологических процессов.

В₂ (рибофлавин) – в природе в значительных количествах синтезируется растениями, дрожжами, грибами, бактериями. Продуцентами витамина в промышленных масштабах являются: бактерии, дрожжи, микроскопические и плесневые грибы. Для медицинских целей рибофлавин получают на основе гриба Aspergillus.

В12 (цианкобаламин) – активно применяется в медицине при лечении ряда заболеваний, повышает продуктивность с/х животных. Микробиологический синтез – единственный способ получения витамина В ₁₂ Продуцентами витамина служат аминокислоты, одноклеточные водоросли, фотосинтезирующие бактерии. Разработаны эффективные технологии получения витамина на основе термофильных бацилл, которых выращивают в течение 18 ч на питательных средах (соевая и рыбная мука, мясной и кукурузный экстракт).

Провитамин А – получается микробиологическим синтезом в промышленных масштабах; продуценты: дрожжи, актиномицеты, плесневые грибы и бактерии.

Витамин D (кальциферол) – получают из эргостерина – вещества, которое в значительных количествах синтезируют бурые водоросли, дрожжи, плесневые грибы, сахаромицеты. Витамин D получают путем облучения эргостерина ультрафиолетом. В промышленных масштабах эргостерин образуется при культивировании дрожжей из рода Candida.

Производство органических кислот.

Получают уксусную, лимонную, молочную, яблочную и др. Наибольшее значение имеет уксусная кислота, ее применяют при получении пластмасс, каучука, инсектицидов. Продуцентом является ацетобактерия.

Лимонную кислоту широко применяют в пищевой, фармацевтической и косметической промышленности, при очистке металлов от примесей. Для ее производства используют культуру гриба аспергилла.

2.Получение вторичных метаболитов.

Получение антибиотиков.

В мире ежегодно производится антибиотиков на 20 млрд.$. Это противомикробные и противовоспалительные препараты. Кроме медицины они применяются в растениеводстве, животноводстве, ветеринарии, пищевой промышленности.

В течение многих лет антибиотики используются как стимуляторы роста с/х животных и птиц. Предполагают, что стимулирующий эффект низких концентраций антибиотиков на организм животного связан с двумя факторами: воздействием на микрофлору кишечника (снижают число вредных и увеличивают число полезных микроорганизмов) и непосредственным влиянием на организм животного (снижают рH содержимого кишечника и способствуют ускорению деления клеток организма).

Все кормовые антибиотики:

• Не используют в терапевтических целях.

• Практически не всасываются в кровь из пищеварительного тракта.

• Не меняют своей структуры в организме.

• Не обладают антигенной природой, способствующей возникновению аллергии.

Применение антибиотиков в пищевой промышленности позволяет снизить длительность термообработки продуктов питания при их консервировании. Наиболее эффективным признан низин, который практически не токсичен для человека и позволяет вдвое снизить время термообработки.

А н т и б и о т и к и

↓ ↓

Бактерицидные Бактериостатические

(вызывают гибель организма) (нарушают способность организмов

к делению)

пенициллины, цефалоспорины тетрациклин, левомицицин

Получение химических антибиотиков не может конкурировать с их биосинтезом методами биотехнологии. Антибиотики продуцируются плесневыми грибами, актиномицетами, бактериями. В связи с возросшей сложностью выделения эффективных антибиотиков и распространением устойчивости к наиболее широко применяемым соединениям у большинства патогенных бактерий существует потребность в новых соединениях. Для этого исследователи перешли от поиска новых антибиотиков к модификации структуры уже имеющихся. В некоторых случаях природные микробные антибиотические продукты химическим или энзиматическим путем могут быть превращены в так называемые полусинтетические антибиотики, обладающие более высокими терапевтическими свойствами (амоксициллин, цефазолин). Образование антибиотиков регулируется условиями культивирования микроорганизмов (см.далее «Культивирование микроорганизмов»). Их выход составляет: 1литр культуры – несколько десятков грамм антибиотиков.

Стадии получения антибиотиков:

• Биосинтез антибиотика

• Обработка культуры, фильтрация (отделение культуры от биомассы продукта)

• Выделение и очистка антибиотика (экстракция, осаждение, упаривание, сушка и т.п.

• Получение готовой продукции, изготовление лекарственных форм,расфасовка.

Синтез стероидов.

Характерной особенностью клеток растений является их способность к синтезу вторичных метаболитов: терпеноиды, полифенолы, алкалоиды, стероиды. Долгое время считалось, что вторичные метаболиты:

• Распространены только в ограниченном числе видов растений.

• Являются конечными продуктами обмена веществ.

• Не имеют значения для образующей их клетки, но могут быть в целом важны для растения.

В настоящее время установлена их важная роль: они обнаружены у 10-15% всей флоры Земли, они кодируются 15-25% генов растительного организма. Вторичные соединения всегда больше интересовали фармацевтов (ядовитые свойства некоторых растений), чем ученых. Многие из этих соединений используются в качестве лекарственных препаратов, вкусовых и ароматических добавок для пищевой и парфюмерной промышленности.

Терпены. К ним относятся ментол, цитокинин, гиббереллин, абсцизовая кислота (фитогормон, тормозящий рост растений, отвечает за увядание листьев), каратиноиды.

Полифенолы. Это ванилин, кумарин, кофейная кислота, антоциан, лигнин, дубильные вещества. Фенольные соединения играют важную роль в фотосинтезе, дыхании, росте и защитных реакциях растительного организма. Они выполняют механические и структурные функции (лигнин – отвечает за одревеснение клеточных стенок), отвечают за вкусовые качества растений (геспередин – кожура цитрусовых, катехин – производства вина, чая, какао). Флаваноиды применяют как антимутагены, противоопухолевые и антиаллергические препараты (ревенол из сосны, винограда и куркумы – мощный антиоксидант).

Алкалоиды. Содержат азот и обладают щелочными свойствами. Это: колхицин, хинин, никотин, кофеин. Используют в фармакологии для получения морфина, кодеина, эфедрина, атропина. Кофеин и никотиновая кислота применяются как стимуляторы.

Стероиды. Получают путем биотрансформации стероидного скелета. Например, важный противоспалительный препарат – преднизолон – получают путем микробного гидроксилирования кортикостерона. Разработка крупномасштабного производства преднизолона путем трансформации стероидов позволила снизить стоимость этого продукта в 200 раз. Единственная трудность – это сложный состав среды для культивирования и строгое соблюдение других условий.

Важнейшим источником стероидных гормонов является культура клеток растений. Синтез происходит в суспензионной культуре и не зависит от внешних условий. Культуры клеток синтезируют вещества в количествах, в несколько раз превышающих их синтез в растениях. Вещества накапливаются в пластидах, ЭПС, вакуолях. Использование суспензионных культур для синтеза вторичных метаболитов имеет большие перспективы: получение дешевой продукции и сохранение дикорастущих ценных растений.

3.Биотехнология получения и использование ферментов.

Иммобилизованные ферменты.

Ферменты – биологические катализаторы белковой природы. Их применение в промышленности экономически и экологически выгодно: они не токсичны, используют доступное сырье.

По объему производства ферменты занимают третье место после аминокислот и антибиотиков. Они находят применение в текстильной, кожевенной, целлюлозно-бумажной, медицинской и химической промышленности, но основным потребителем остается пищевая промышленность:

а) Пищевая промышленность - фруктозно-глюкозные сиропы, виноделие, пивоварение, хлебопечение, кондитерское производство;

б) Парфюмерия – синтез эфиров и феромонов;

в) Медицина - растворение тромбов, рассасывание рубцов, лечение конъюнктивита и др. Важнейшую область в медицине составляет энзимодиагностика - тестирование патологии того или иного органа человека по уровню активности фермента.

Сфера применения ферментных препаратов неуклонно расширяется, а объем производства возрастает.

Источниками ферментов являются все живые организмы. Для крупномасштабного производства ферментов пригодны только некоторые растительные культуры на определенной фазе их развития, а также отдельные ткани и органы животных (поджелудочная железа, сычуг желудка, семенники). Практически неограниченный источник ферментов – микроорганизмы.

Важным этапом в развитии инженерной энзимологии стала разработка способов получения и использования иммобилизованных ферментов.

Иммобилизованные ферменты – это ферменты, искусственно связанные с носителем и сохраняющие свои каталитические свойства. Такие ферменты имеют ряд преимуществ по сравнению со свободными молекулами:

1.Могут использоваться многократно, обеспечивая непрерывность каталитического процесса.

2.Они стабильны и долговечны

3.Обеспечивают высокую экономичность процесса.

4.Легко отделимы от реакционной среды, что позволяет получать чистые продукты реакции.

Носителями для иммобилизованных ферментов могут быть материалы, обладающие рядом свойств.

Свойства носителей иммобилизованных ферментов:

• нерастворимость,

• значительная гидрофильность, которая обеспечивает связывание фермента с носителем в водной среде,

• высокая биологическая и химическая стойкость,

• проницаемость для ферментов и веществ, пористостью,

• возможность создания различных структур (мембран, пластин, трубочек, гранул),

• низкая стоимость.

Носители делятся на органические и неорганические материалы.

1. Органические носители, в свою очередь подразделяются:

А) природные полимерные носители: белковые (кератин, коллаген, желатин); полисахаридные (целлюлоза, агароза, хитин) и липидные (бислой липидов)

Их преимущества: доступность, многофункциональность и растворимость, а недостаток, - высокая стоимость.

Б) синтетические полимерные носители: полиамиды, полиэфиры, полиметилены.

Их преимущества: разнообразны, механически прочны, доступны. Им можно придать любую форму (трубочки, гранулы), варьировать величину пор.

1. Носители неорганической природы: керамика, глина, сажа, оксиды металлов. Основное преимущество таких носителей – легкость регенерации, им можно придать любую форму и получать с любой степенью пористости.

Методы иммобилизации.

Существует два принципиально различных метода иммобилизации ферментов: без возникновения ковалентных связей между ферментом и носителем (физические методы) и с использованием ковалентной связи между ними (химические методы)

Физические методы иммобилизации ферментов – реализуются посредством адсорбции фермента на нерастворимом носителе, путем включения в гель или капсулы.

А) Адсорбция

Фермент держится на носителе за счет гидрофобных, электростатических и водородных связей. Способ простой, заключается в том, что водный раствор фермента смешивают с носителем. Активность фермента при этом 100%, но прочность связывания не высока.

Б) Включение в гель

Способ очень простой и уникальный. Обеспечивает равномерное распределение фермента в объеме носителя. Гелевые матрицы обеспечивают многократное использование фермента.

В) Инкапсулирование

Суть в том, что водный раствор фермента, отделяется от водного субстрата с помощью полупроницаемой мембраны. Размер получаемых капсул 10-100мкм

г) Включение в липосомы

Этот способ сходен с предыдущим. Капсула представляет собой слой билипидов. Способ применяют в медицинских и научных целях.

Химические методы иммобилизации ферментов

При этом между ферментом и носителем образуются химические связи.

Этот способ обеспечивает прочную и необратимую связь фермента с носителем, что существенно снижает активность фермента. Фермент отделяют от носителя с помощью вставки

Однако химические методы все еще малодоступны для промышленного использования из-за своей дороговизны и в основном используются в лабораторных исследованиях.

Применение иммобилизованных ферментов.

• В промышленности: в качестве активных компонентов стиральных и моющих средств; при обработке мяса; в технологических процессах в качестве катализаторов.

• В медицине: противовоспалительные, тромболитические (предотвращают образование тромбов) и фибринолитические препараты.

Препараты на основе иммобилизованных ферментов менее аллергены, иммуногены, обладают пролонгированным действием. Иммобилизованные протеолитические ферменты помогают при лечении ожогов, абсцессов, ран. Иммобилизованная уреаза используется в аппарате «искусственная почка».

• В фармацевтике: анализ лекарственных веществ белковой природы.

• В биотехнологических производствах в качестве биокатализаторов.

4. Культивирование микроорганизмов

Использование микроорганизмов в биотехнологии предусматривает выращивание их в больших количествах.

1. Поверхностный метод состоит в выращивании микроорганизмов на поверхности влажных стерилизованных отрубей. Инкубацию ведут в термостатируемом цехе при определенной влажности и аэрации.

2. Глубинный метод - более экономный. Ферментер из нержавеющей стали заполняют питательной средой и засеивают чистой культурой. Поддерживают повышенное давление, температуру и рН среды.

3. Проточный метод. В ферментер непрерывно подается свежая питательная среда и посевной материал. С другого конца ферментера выводятся ферменты, продукты жизнедеятельности и бактериальная масса. Чтобы не наблюдался безудержный рост культуры, в среду добавляют небольшое количество ядовитых веществ.

Особое значение для выращивания имеет качество питательной среды. Там обязательно должны быть органические вещества, соли-аммония, вода, соединения содержащие Мg, Ca, P, S, Fe, K, витамины и ростовые вещества. В зависимости от состава, питательные среды делят на синтетические (специально подобранный набор индивидуальных веществ) и комплексные. В состав комплексных средств входят природные продукты – отходы пищевых производств: жмых, картофельная мезга, барда спиртовых заводов, отруби и пр. Такие питательные среды дешевы и обеспечивают безотходность биотехнологических производств.

5. Биотехнология в пищевой промышленности.

Пивоварение, виноделие, хлебопечение, сыроделие – самые древние биотехнологические производства. В их основе лежит процесс брожения:

а) Молочнокислое брожение (используются бактерии) обеспечивает скисание, заквашивание. Этот процесс лежит в основе сыроделия.

б) Спиртовое брожение (используются дрожжи) лежит в основе хлебопечения, пивоварения, виноделия.

Сыроварение.

сычуг

М олоко→кислое молоко творог→ сыр

Сычуг получали из толченых желудков молочных телят. Это вещество обладает способностью свертывать и склеивать молочный белок.

Виды сыров:

• Свежие сыры: их слабо отжимают и практически не выдерживают. По сути это творог. К таким сырам относится: моцарелла.

• Твердые сычужные сыры: обладают мягким вкусом и нерезким ароматом. Это костромской, российский, швейцарский сыры.

• Несваренные прессованные сыры – это желтый нежный сыр с твердой корочкой. Пока он вызревает, его переворачивают, солят, чистят щеточками, выдерживают 1 месяц-1 год. Примеры: эдамер, гауда, чеддер.

• Варенные прессованные сыры – сыры бледно-желтого цвета с крупными дырками на срезе. Это пармезан, эмменталь (Настоящий пармезан производят только в Италии, из молока коров, жующих люцерну и выдерживают 10 лет).

• Мягкие сыры с плесневой корочкой. Сыры представляют собой тягучую массу под корочкой белой плесени с неповторимым ароматом. Примеры: бри, камамбер

• Голубые сыры с плесенью. При их производстве специально прокалывают сырную массу иглами с грибковой плесенью, чтобы добиться пряного вкуса. Это сыры: дор - блю, рокфор (из овечьего молока).

• Сыры из козьего и овечьего молока – белого или серого цвета со специфическим вкусом и запахом (брынза, сулугуни)

Плавленые сырки получают из прошедших срок реализации сыров с добавлением специальных солей плавителей.

Квашение.

Капусту мелко рубят, солят, трамбуют. Происходит брожение без доступа воздуха. Образуется квашенная капуста.

Тот же самый процесс лежит в основе силосования.

Хлебопечение

Зародилось примерно 6000лет назад. Древние египтяне выпекали хлеб из заквашенной мучной кашицы. Тесто вспучивалось, становилось рыхлым. При выпекании высокая температура убивала дрожжи и на их месте оставались пустоты.

Хлебопекарные дрожжи применяют также в качестве сырья для производства витамина D, в кондитерском производстве, и др.

Производства хлеба включает ряд этапов:

1.Муку, дрожжи, воду и кислое тесто замешивают.

2.Начинается процесс брожения. Под действием амилазы, крахмал превращается в сахар, который под действием дрожжей образует спирт и СО2. (При производстве черного хлеба используют молочно-кислые бактерии, которые превращают сахар в молочную кислоту. Поэтому ржаной хлеб кисловатый на вкус.)

3.Затем происходит вымешивание. Тесто подходит, в него добавляют различные компоненты и снова вымешивают. Потом раскладывают в формы.

4.Выпечка и охлаждение хлеба. Этиловый спирт улетучивается при выпечке.

Пивоварение.

Является одним из древних биотехнологических процессов. Пиво варили шумеры Двуречья, древние египтяне. Основой для производства пива является ячмень, культурой пивных дрожжей, которая всегда хранится в тайне пивоварами разных стран.

Процесс также происходит в несколько стадий:

• Проращивание зерна в солод.

• Измельчение солода в теплой воде с образованием солодового сахара.

• Добавление хмеля (придает горьковатый вкус) и фильтрование.

• В образовавшееся сусло добавляют культуру пивных дрожжей и начинается процесс брожения.

• Дозревание и кипячение пива.

• Пиво, готовое к употреблению

Виноделие.

Основой для этой отрасли являются винные дрожжи, которые находятся на поверхности кожицы винограда. Поэтому виноград пред началом производства не моют.

Производства вина:

• Виноград давят и отжимают, образуется виноградный сок.

• Брожение виноградного сока в закрытом сосуде с образованием виноматериала.

• Фильтрование вина.

• Выдержка вина.

Производства вина проводят в закрытых сосудах, потому что при доступе кислорода вино превращается в уксус.

В настоящее время в виноградный сок добавляют специальные штаммы дрожжей - продукт виноделов. Виноград для производства вина отбирают в стадии поздней зрелости, с определенным количеством сахара, который необходим для образования спирта. Если винное сусло бродит до полного сбраживания, то образуются сухие вина; если до частичного, то крепленные. При производстве вина необходимо учесть отстаивание осадка, большую часть которого составляют дрожжи.

Классификация вин.

1.По срокам выдержки:

• Ординарные – выдержка 1 год.

• Марочные – выдержка 2-3 года.

II. По способу производства:

Столовые

Получают при полном сбраживании виноградного сахара (виноград собирают тогда, когда в нем 18-22 % сахара) поэтому спирт в этих винах естественного брожения и не превышает 9-12 градусов. От содержания сахара в вине зависит его тип: сухие содержат 0,3 %, полусухие – 0,5-3 %, полусладкие – 3-8 %;

К столовым винам относят шампанское и игристое вино.

Настоящее шампанское производят только бутылочным способом: через 3-4 недели брожения в бутылках образуется СО2 и создаете давление 5 атм. Выдерживается минимум 3 года. Примеры: «Абрау-Дюрсо», «Крымское», «Князь Голицын», «Адмиралтейское».

Другой способ приготовления – резервуарный: в емкость 5000 л. добавляют дрожжи, ликер. Брожение останавливается охлаждением и через фильтры разливают в бутылки. Так производят «Русское золотое», «Российское».

Игристые вина насыщают СО2, т.е. газ не является продуктом естественного брожения.

Крепленые.

В процессе производства таких вин на определенной стадии добавляется спирт для сохранения в вине желаемого количества сахара. Брожение при этом прекращается. Поэтому содержание спирта в крепленых винах 16-18 %, а процент сахара зависит от типа крепленого вина:

а) Крепкие («Мадера», «Херес», «Портвейн») содержат 1-14 % сахара. Эти вина выдерживают в дубовых бочках (придают особый аромат) под пленкой специальных бактерий или дрожжей.

б) Десертные («Мускат», «Токай», «Кагор») содержат разное количество сахара: полусладкие (5-12%), сладкие (14-20%) и ликерные (20-35). Иногда чтобы повысить концентрацию сахара в вине, при производстве добавляют концентрированное виноградное сусло.

Ароматизированные.

Этот тип вина производят путем добавления в вино различных травяных настоев, спирта и сахара. Поэтому они получаются крепкими (16-18%) и сладкими (6-16 %). Пример: «Вермут», «Мартини», «Букет Молдавии».

Пиво и вино натуральные содержат небольшое количество спирта, потому что при более высоких его концентрациях дрожжи отмирают.

Более крепкие напитки (водку) получают путем нагревания вина в закрытом котле («винокурение»). Спирт начинает испаряться при t= 78°С, до закипания воды, поэтому пары спирта направляют в охлаждающую трубку, где они конденсируются в спирт.

Лекция 8.

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ. ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.

Экологическая биотехнология – это применение биотехнологических методов для решения проблем окружающей среды: очистка воды, переработка отходов, устранение загрязнений.

В круговороте веществ, в том числе загрязняющих огромную роль играют микроорганизмы. Поэтому экобиотехнология рассматривает их в связи с переработкой отходов жизнедеятельности человека. Хотя многие ядохимикаты и полимеры оказались устойчивыми к воздействию микроорганизмов, т.е. требуется разработка более усовершенствованных технологий.

1.Биологические методы борьбы с вредителями.

«Чудодейственный» препарат ДДТ – (60 годы) считался наиболее эффективным в борьбе с вредителями. Однако последствия его применения были ужасными и в 1970г. в России этот препарат был запрещен. Сейчас существует несколько направлений использования биологических методов борьбы.

1.Использование естественных врагов насекомых-вредителей.

Вредитель	Объект повреждения	Естественный враг	Действия естественного врага
Отряд Жуки: колорадский жук	Картофель	Отряд Клопы: периллус Отряд Двукрылые: муха-тахина	За сезон высасывает 2000 жуков и личинок, но не выносит суровых зим и при температуре 8˚С не активен. Откладывает яйца в личинок, но зимой погибает даже на Украине.
Отряд Равнокрылые: желобчатый червец	Цитрусовые культуры	Отряд Жуки: жук родолия	Питается исключительно желобчатым червецом (яйца, личинки, имаго)
Отряд Равнокрылые: мучнистый червец (мохнатые вши)	Комнатные растения, лимон. Высасывают клеточный сок из стеблей, листьев, бутонов.	Отряд Жуки: криптолемус (из сем. Божьих коровок)	Откладывают яйца в кладку червеца и личинки жука поедают кладку.
Отряд Полужесткокрылые: клоп черепашка	Культурные и дикорастущие злаки, вызывает недоразвитее зерна	Отряд Перепончатокрылые: теленомус	Откладывает яйца в кладку вредителя и в личинок
Отряд Бабочки: озимая совка	Хлопчатник, кукуруза, подсолнечник, сахарная свекла	Отряд Перепончатокрылые: трихограмма	Откладывает яйца в кладку вредителя и в личинок
Отряд Равнокрылые: кровяная тля	Яблоня	Отряд Перепончатокрылые: афалинус	Откладывает яйца в тлей

Все эти насекомые не переносят суровых российских зим, поэтому селекционеры взяли их в работу по акклиматизации (успешны работы по родолии и криптолемусу).

2.Стерилизация – лишение животного возможности размножаться.

В ещества – стерилизаторы

а нтиметаболиты алкилирующие хемостерилизаторы

действуют на самок убивают сперматозоиды кишечное действие

вызывают бесплодие

самцов и самок

Техника стерилизации.

Самцов хлопкового долгоносика погружают в 1% раствор афолата. Затем их выпускают, они спариваются с нормальными самками и их потомство получается бесплодным. Значение: бесплодные самцы составляют конкуренцию нормальным самцам.

Наибольший эффект достигается только на следующий год и в местах массового скопления.

Другой способ стерилизации – ионизирующая радиация (3-5 тысяч рентген – жуки; 5-10 – мухи и комары; 60 тыс. бабочки). Этот способ безвреден для людей, но не экономичен.

Проблемы стерилизации:

а) невозможность искусственного разведения многих вредителей;

б) дороговизна массового разведения.

3.Производство биопрепаратов на основе микроорганизмов.

биопрепараты	источник	направление действия
1 энтобактерин	споровые бактерии	листогрызущие вредители
2 боверин, битоксибациллин	мускардинный гриб	колорадский жук
3 биопрепарат	гриб ашерсония	цитрусовая белокрылка
4 дендробациллин	бактерии	сибирский шелкопряд, совка
5 фитобактериомицин, гризелин, трихотецин	бактерии, грибы	грибные и бактериальные заболевания растений

Перспективы: ученые должны разработать искусственные биопочвы, которые способны эффективно уничтожать или отпугивать вредителей, контролировать уровень кислотности, фиксировать азот из воздуха и даже обогревать.

2.Очистка сточных вод.

Важнейшая проблема экологической биотехнологии – очистка сточных вод. Вода активно применяется в химической, целлюлозно-бумажной и энергетической промышленности, для нужд металлургии и бытовых нужд населения. Большая часть воды после её использования возвращается в реки и озера в виде сточных вод. Поэтому разработка биотехнологических процессов, позволяющих предотвратить загрязнение водоемов – актуальная проблема.

Виды загрязнения сточных вод:

1. Механическое (примеси).

2. Химическое (органические и неорганические вещества).

Особо следует выделить основные загрязнители – нефть и нефтепродукты, которые могут образовывать поверхностную пленку или оседать на дно водоемов. Вредным загрязнителем сточных вод является фенол – отход нефтехимической промышленности. Сильно загрязняют водоемы бытовые сточные воды с большим количеством синтетических моющих средств. Отходы пищевой промышленности являются источником органического загрязнения водоемов.

1. Биологическое (патогенные микроорганизмы, грибы, водоросли).

2. Радиоактивное.

Радиоактивные сточные воды подлежат захоронению в подземных бессточных бассейнах.

Процесс очистки сточных вод.

1.Механическая очистка. Сточные воды попадают на насосную станцию и проходят через фильтр – решетку, который задерживает крупные частицы (бумага, дерево). После этого сточные воды попадают в первичный отстойник, где осаждаются более мелкие частицы.

2.Биологическая очистка. Сточные воды после первичного отстойника попадают в аэротенк. Это огромные резервуары из железобетона, в которых очистка происходит с помощью активного ила из бактерий, одноклеточных водорослей и животных. В аэртенк подается воздух и активно перемешивается содержимое. Бактерии разлагают органические загрязнения, образуя хлопья – «активный ил». Другие компоненты (одноклеточные животные) пожирают оставшиеся бактерии, омолаживая бактериальную массу. Сточные воды промышленных предприятий, содержащие ртуть, соли тяжелых металлов не разлагаются микробами.

Из аэротенка сточные воды идут в бассейн для доочистки (химические, физические), а ил поступает в биогазовый реактор.

3.Физико-химическая очистка.

Химическая очистка сточных вод заключается в следующем: химические агенты вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде не растворимых осадков. Физико-химические методы используют для удаления растворенных неорганических веществ: электролиз, окисление, сорбция, экстракция, хроматография, ультразвук, высокое давление.

4.Обработка ила в биогазовом реакторе.

Здесь с помощью метанобразующих бактерий образуется биогаз – метан, который идет на нужды потребителей, а сброженный ил сточных вод дает удобрения, которые используются в сельском хозяйстве.

Перспективами являются разработки по очистки нефтяных загрязнений. В США разработан штамм бактерий – «пожирателей» нефти. Они применяются для быстрого разложения нефти в случае морских катастроф с нефтеналивными танкерами. Бактерии «поедают» нефть, а сами поедаются обитателями моря.

В Германии выведен штамм бактерий, поглощающих ртуть.

Биосенсоры.

Чтобы определить степень загрязнения водоема используют микроорганизмы. С этой целью берут пробы воды. В каждой пробе определяют концентрацию кислорода, затем туда вносят бактерий, живущих в сточных водах (сейчас выделены штаммы для контроля различных видов химического загрязнения). Пробы плотно закупоривают и через 5 дней вновь определяют концентрацию кислорода.

В пробах воды с высокой степенью загрязнения концентрация кислорода снижается: бактериям для расщепления органических веществ – загрязнителей необходим кислород, поэтому они, активно его потребляют.

Сейчас созданы биологические измерительные зонды – биосенсоры, которые быстро определяют степень загрязнения сточных вод. Прибор представляет собой электрод, соединенный с электронным табло, на котором появляются сведения о содержании кислорода: слабый сигнал – чистая вода, сильный сигнал – загрязнение.

3.Переработка твердых отходов.

1.Вермикультивирование.

Вермикультивирование – процесс переработки органических отходов с использованием дождевых червей. В результате этого образуется биогумус.

Селекция навозного червя в США позволила получить такую линию как красный калифорнийский червь, который очень быстро утилизирует субстрат. ВСША существует 700 хозяйств, где перерабатываются различные органические отходы в биогумус; в России этим занимается пока 50 хозяйств.

Метод вермикультуры можно с успехом применять на приусадебных участках. При этом утилизируется навоз, ветки, мусор, кухонные отходы, опилки, макулатура.

Технология получения биогумуса.

Площадка должна иметь твердое покрытие и наклон в 1 градус для отстаивания воды. На площадку насыпается компост – субстрат. Его нижний слой – объемный материал (ветки, стружка), верхний слой составляют листья, трава, растительные остатки. Субстрат обильно поливается. Начинается гниение. Компост готов когда температура в нем составит 20 ˚С, тогда его вносят в ящики и заселяют туда червей. Каждую неделю совершают подкормку.

Биогумус будет готов через 3-4 месяца, при этом необходимо постоянно ворошить субстрат, чтобы обеспечить аэрацию и поддерживать влажность до 80%.

Критерии готовности биогумуса: буро-чёрный цвет, отсутствие запаха.

Производные биогумуса

гумисол биогель

жидкий, содержит гуминовые это смесь биогумуса с гелем,

кислоты, обладает удерживающим влагу; его внесение

бактерицидными в почву позволяет почти не

свойствами поливать растение.

Значение биогумуса в сельском хозяйстве.

1. Омолаживает почву: если вносить один раз в 4 года 5 т биогумуса на гектар, то повышается уровень плодородия.

2. Сокращает применение минеральных удобрений, улучшает экологическую обстановку.

3. Внесение биогумуса способствует уменьшению плотности почвы, улучшению её водопроницаемости.

4. Способствует повышению буферности почвы (нейтрализация кислотности, сорбция тяжелых металлов).

5. Влияет на стадии развития растений: улучшает всхожесть семян, увеличивает количество плодов.

2.Промышленная переработка твердых отходов.

Необходимость решения этой проблемы возникла с созданием крупных городов, которые ежедневно производят тонны бытового мусора. Сначала с ним просто не боролись, что явилось в средние века причиной различных эпидемий. Потом городские отходы пробовали сжигать, что приводило к загрязнению окружающей среды и не решало проблемы утилизации отходов в полной мере.

И только сейчас эта проблема пытается решиться путем строительства мусороперерабатывающих заводов.

Процесс переработки проходит в несколько стадий:

1 Удаление черного металла.

Мусор поступает в приемные бункеры, где с помощью магнита удаляется черный металл.

2 Биообработка.

Мусор подают на огромные вращающиеся барабаны (60м на 4м), которые давят и трамбуют его. К «работе» приступают микроорганизмы, в течении 3-х дней температура поднимается до 70˚С. Идет гниение органических отходов.

3 Образование компоста.

Из гниющего мусора вручную извлекаются резина, кожа, цветные металлы, древесина, пластмасса. Оставшийся компост поступает в циклон, в котором удаляется измельченное стекло. Сухой органический остаток – компост используется на нужды сельского хозяйства.

Почти треть отходов, поступающих на завод, не поддается переработке. Смесь текстиля, древесины, пластмассы и резины подвергают пиролизу – нагреву без доступа кислорода и получают: а) пирокарбон (идет на производство полимеров); б) горючий газ; в) смолу.

Подобные заводы уже построены под Москвой, Санкт-Петербургом.

4.Биотрансформация ксенобиотиков и загрязняющих веществ. Получение экологически чистой энергии.

Чужеродные вещества – ксенобиотики, попадая в организм человека животных претерпевают биотрансформацию: окисление, восстановление, гидролиз и пр. Биотрансформация под воздействием микроорганизмов протекает в воде и в почве. Устойчивость некоторых ксенобиотиков в биосфере довольно высока (ДДТ-30 лет, хлордан- 15 лет, эльдрин -25 лет). К сожалению, подавляющее число ксенобиотиков трансформируются с образованием канцерогенов.

Биогаз.

Биогаз это смесь метана (65%), углекислого газа (30%), сероводорода (1%) и незначительных примесей. В основе получения биогаза лежит процесс метанового брожения – биометаногенез – превращение биомассы в энергию.

Бометаногенез – микробиологический процесс, в котором сложное органическое вещество разлагается до диоксида углерода и метана в аэробных условиях. Этому разложению подвержены почти все природные соединения и значительная часть ксенобиотиков. Процесс происходит в несколько стадий:

Первая стадия: белки, углеводы, липиды, разлагаются под действием ферментов гидролитических бактерий (гидролиз)

Вторая стадия: под действием ацетобактерий происходит ацитогенез, в ходе которого органические кислоты – продукты первой стадии, превращаются в уксусную кислоту, водород и углекислый газ.

Третья стадия : происходит метаногенез – метанобразующие бактерии из Н₂ и СО₂ образуют метан.

Экологическое значение биометаногенеза в том, что метановое сбраживание позволяет утилизировать отходы производств; защищать окружающую среду от загрязнения; получать биогаз как источник энергии (горит без дыма и запаха). Перспективы в области получения биогаза говорят о том, что анаэробная конверсия органических отходов в метан – конкурентно способная отрасль биоэнергетики.

Производство этанола

Энергию можно также получать из растений, богатых углеводами, превращая их в спирт. К таким растениям относятся картофель, топинамбур злаки, кукуруза. Полученным спиртом можно заправлять машины.

Этанол широко применяется в химической промышленности: является растворителем, входит в состав моющих средств, клеев, красителей и пр.

Лекция 9

Нанобиотехнологии

1.Понятие о нанотехнологиях.

Нанотехнологии – это новое научное направление, вызванное переходом от изучения макрообъектов к изучению микроскопических частиц (1-10 нм). «Нано» - от греческого nanos – карлик, что означает одну миллиардную долю какой-либо единицы измерения. Нижняя граница объектов нанотехнологии определяется радиусом атома порядка 0,1 нм, верхняя – размерами до 0,1 мкм (100 нм), т.е. размерами биомолекул.

Наноразмерные объекты имеют особые свойства, которые позволяют выделять их как независимую часть природы, как нечто промежуточное между микро- и макромиром. Поэтому нанотехнология как научное направление имеет междисциплинарный характер и зависит от достижений в области физики, химии и биологии.

Таким образом, нанотехнологии – это совокупность научных знаний, способов и средств, направленных на регулируемую сборку из отдельных атомов и молекул разных веществ и материалов, размер которых составляет миллиардную долю метра (1нм).

История использования нанотехнолгий уходит корнями в глубокую древность: египтяне смешивали сажу с водой для приготовления чернил, а скифы применяли магнитную жидкость Fe₃O₄ в виде красок. К первым наноматериалам можно также отнести рубиново-красные стекла Древнего Египта, витражи Средневековья.

Первые упоминания о построении любых материальных объектов из атомов прозвучали в 1959 г. Лауреат Нобелевской премии, физик Р.Ф.Фейнман сказал: «Существует поразительно сложный мир малых форм, и когда-нибудь (в 2000 г.) люди будут удивляться тому, что до 1960 г. никто серьезно не относился к исследованиям этого мира».

Научные исследования в области нанотехнологий признаны приоритетными во всем мире. Основными направлениями в этой области являются: уменьшение размеров вычислительных устройств, создание субмикронных электрических двигателей, устройств для передачи механической энергии от двигателя к рабочим органам механизма и т.п.

2.Нанотехнологии в медицине и биологии.

На сегодняшний день нанотехнологии применяются во всех отраслях медицины, особенно широко в генетике, гематологии, гигиене, токсикологии, микробиологии. Современные приложения нанотехнологий в медицине можно классифицировать:

• Наноструктурированные материалы, в том числе поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями,

• Наночастицы, в том числе фуллерены и дендримеры,

• Нанотехнологические сенсоры и анализаторы,

• Наноинструменты и наноманипуляторы,

• Микро- и наноустройства различной степени автономности.

Рассмотрим подробнее примеры использования нанотехнологий в медицине.

Наночастицы предполагается использовать в качестве контейнеров для адресной доставки лекарств в клетки мишени. Фуллерены и дендримеры можно «нафаршировать» лекарствами. Фуллерены – это замкнутые сферические структуры, состоящие из атомов углерода. Они напоминают футбольный мяч, в полость которого можно поместить другое вещество. Фуллереновые наносферы применяют как продукты с высокой антивирусной активностью. Дендримеры – это полимерные соединения с большим количеством разветвлений, по мере синтеза количество разветвлений увеличивается, а внутри образуются полости. Внутрь этих полостей можно вводить лекарственные препараты или вещества с радиоактивной меткой для диагностики. Диагностика с помощью таких наносфер позволяет определить даже одну молекулу какого-то вещества (вируса или антитела). Это гарантирует высокую точность проведения диагностики и помогает врачам идентифицировать заболевание как можно раньше, особенно когда речь идет о раковых заболеваниях.

Можно, «посадив» наночастицу на лекарство, превратить его в средство направленного действия, заставить «садиться» на ткань, которую необходимо разрушить (например, опухоль) или, наоборот, защитить какой-либо орган. Такое лечение минимализирует побочные эффекты

Нанокапсулы позволят доставлять лекарственные средства в нужное место организма. Это дает возможность помещать в капсулы инсулинпродуцирующие клетки животного. Нанокапсулы мгут взять на себя дублирование и расширение возможностей организма: респироцит – искусственный носитель кислорода и углекислого газа, который значительно превосходит по своим возможностям и эритроциты, и существующие кровозаменители.

Мембраны с нанопорами могут применяться для фильтрации жидкостей организма от вредных веществ и вирусов.

Наноконструированные материалы в решении проблем регенеративной медицины играют особую роль. Материалы с наноконструированной поверхностью и предварительно заданными свойствами могут быть использованы для замены тех или иных тканей: клетки организма распознают их как «свои» и прикрепляются к их поверхности. Преимущества: хорошая переносимость, отсутствие побочных эффектов, низкая цена. Наибольшие успехи – в ортопедии: получена нанокость, которая применяется в стоматологии, челюстно-лицевой хирургии.

Возможно создание принципиально новых типов перевязочных и клейких материалов с антимикробной, противовирусной и противовоспалительной активностью.Уже получены материалы с наночастицами серебра, обладающие антибактериальными свойствами, которые используются как перевязочные материалы, в качестве покрытия катетеров и т.п.

Наноинструменты и наноманипуляторы. Большой интерес представляет создание из наноматериалов новых хирургических инструментов с высокими режущими свойствами и износостойкостью.

На сегодняшний день уже возможно производство магнитных жидкостей – коллоидных дисперсий магнитных материалов. Магнитная частица покрывается липидной оболочкой с добавлением лекарства, вводится в кровь и под контролем магнитного поля направляется на место локализации патологического процесса. Ведутся работы по использованию магнитных наночастиц в лечении прогрессирующих форм рака груди. Эти частицы крепятся к антителам, которые, попав в кровь, распознают раковые клетки и прикрепляются к ним. Затем с помощью магнитного поля происходит их быстрый разогрев, который убивает клетки опухоли, не повреждая соседние ткани.

Устройства, предназначенные для манипуляций с нанообъектами можно назвать наноманипуляторами. Таковыми являются зондовые микроскопы, которые позволяют перемещать любые объекты, вплоть до атомов. Уже созданы варианты нанопинцетов. Предполагается, что наноустройства смогут полностью заменить существующие промышленные и с/х технологии и превзойти их по производительности.

Нанотехнологические сенсоры и анализаторы. Благодаря нанотехнологиям многократно повышается возможность обнаружения и анализа свермалых количеств различных веществ. Одним из вариантов является «лаборатория на чипе» или биологический наночип. Это пластинка, на поверхности которой упорядоченно размещены рецепторы к нужным веществам, например, антитела. Такое устройство позволяет обнаруживать отдельные молекулы, поэтому может быть использовано при секвенировании ДНК или аминокислот, выявлении гентических и онкологических заболеваний, инфекционных возбудителей.

Нановакцины. Это новое направление подразумевает создание нановакцин для профилактики и терапии таких инфекционных заболеваний, против которых невозможно разработать вакцины традиционными методами (туберкулез, гепатит В, вируса папилломы, лептоспироз, туляремия, бруцеллез).

Преимущества нановакцин:

1. Безопасны, т. к. содержат только вакцинные компоненты.

2. Нетоксичны, биосовместимы, биодеградируемы в организме.

3. Технология нановакцин позволяет получать многокомпонентные препараты широкого спектра действия, т. е. против широкого спектра заболеваний.

Другие направления нанобиотехнологии:

Самособирающиеся пептидные нанотрубки. Метод основан на внедрении пептидных колец в мембрану бактерий, где они собираются в трубки, которые и приводят к гибели бактерий. Предполагают, что данное направление будет особенно эффективным средством борьбы с микроорганизмами, устойчивыми к антибиотикам.

Изучается влияние нанодисперсного кремнезема на уменьшение токсичности факторов внешней среды. Доказано, что такой кремнезем понижает токсичность нитрита натрия, фторида натрия, противотуберкулезных препаратов за счет связывания белков. На основе такого нанодисперсного кремнезема создан препарат, который показан при острых кишечных заболеваниях, вирусных гепатитах, атеросклерозе, острой почечной недостаточности, аллергиях, гнойных ранах, в стоматологии и пр.

Нанокапли с антивирусной и антимикробной активностью. Они уничтожают не только микроорганизмы, но и их споры, обеззараживая поверхность. Сами, при этом, являются абсолютно безвредными для животных клеток.

Использование нанотехнологий в других отраслях.

Отрасль	Применение нанотехнологий
Сельское хозяйство	Обеззараживание воздуха, кормов, конечной продукции животноводства. Стимуляция роста растений. Лечение животных. Создание новых упаковочных материалов, обеспечивающих долгое хранение продукции.
Пищевая промышленность	Нейтрализация токсинов, аллергенов, патогенов. Получение растительного масла с нанодобавками, препятствующими поступлению холестерина в кровь. Использование наноматериалов для упаковки пищи.
Экология	Использование наноматериалов для очистки вод в агросистемах, для переработки отходов растениеводства в этанол.

Ученые прогнозируют встраивание в клетки крови датчиков, реагирующих на появление радионуклидов в окружающей среде и раковых клеток в организме, а также создание сверхчувствительных сенсоров и «умной» косметики, новых видов топлива и материалов для полета в космос.

3.Проблемы нанобиотехнологии.

Ученые говорят о возможных выгодах применения нанотехнологий, но и о возможных рисках. Даже специалисты обращают внимание на отсутствие «порога» действия наноматериалов и значительные выбросы их при производстве. Поэтому, говоря о создании наноматериалов, не следует забывать, что это огромный риск для здоровья человека и окружающей среды. Ведь наночастицы легко проникают через кожу, дыхательные пути, ЖКТ, взаимодействуют друг с другом, приобретая при этом неизвестные свойства.

Наноматериалы могут обладать огромной разрушительной силой. Например: ученые провели опыт с углеродом и наноуглеродом. В аквариум с рыбками бросили обычный угольный порошок, и он просто осел на дно. Когда в аквариум поместили порошкообразный наноуглерод, все рыбы погибли, т.к. наноуглерод проникает в мозг и блокирует нервные клетки.

Из сказанного видно, что должна быть разработана программа по безопасности наноматериалов.

1. Обеспечение безопасности труда при производстве наноматериалов (пока отсутствуют правила по технике безопасности).

2. Охрана наносубстанций (относятся к ранку экологически опасных или потенциально опасных веществ). Проблема заключается в утилизации наноотходов, просроченных лекарств и средств, созданных с применением нанотехнологии.

3. Необходимость контроля качества продукции, особенно лекарств и биодобавок.

Очень важно изучить фундаментальные закономерности проявления биологических и токсических эффектов наночастиц. Необходимо правильно оценить возможные отдаленные риски и эффекты нанотерапии.

Биологическая нанотехнология – одно из наиболее спорных, но и едва ли не самое многообещающее направление в современной науке. Вопрос о реализации ее идей будет решен в ближайшие десятилетия.

ГЛОССАРИЙ

Антиген – молекула, способная вызвать синтез специфического антитела у позвоночных.

Биометаногенез – превращение биомассы в энергию.

Вектор – молекула ДНК, автономно реплицирующаяся в клетке – хозяине.

Вермикультивирование – переработка твердых органических отходов с помощью культуры красных калифорнийских червей.

Геном – совокупность всех генов организма.

Генотерапия – лечение наследственных заболеваний с помощью генов.

Гибридома – клеточный гибрид, полученный слиянием нормального лимфоцита (продуцирует антитела) и опухолевой клетки (синтезирует моноклональные антитела).

Гликопротеиды – белки, содержащие углеводные компоненты.

Евгеника – учение о наследственном здоровье человека и путях его улучшения.

Иммуноглобулины – белки, специфически связывающиеся с чужеродными веществами – антигенами.

Интерфероны – группа белков, образующаяся в клетках при вирусных инфекциях и обеспечивающих неспецифический иммунитет.

Интроны – последовательности внутри гена, которые не участвуют в кодировании белка.

Каллус (каллюс) – скопление недифференцированных клеток.

Капсид – белковая оболочка вируса.

Клон – совокупность клеток или особей, произошедших от общего предка путем бесполого размножения.

Клонирование – это воспроизведение точных генетических копий организма (у растений рассматривается как вид бесполого размножения; у животных – как вид полового размножения, т.к. участвует яйцеклетка).

Лигазы – ферменты, устраняющие разрывы в ДНК, восстанавливающие ковалентные связи.

Меристема – ткань растений, долго сохраняющая способность к делению.

Незаменимые аминокислоты – аминокислоты, которые не синтезируются в организме человека и животных.

Оперон – единица генетической информации, состоящая из одного или нескольких, связанных между собой генов.

Плазмиды – кольцевые молекулы ДНК, способные стабильно существовать в автономном, не связанном с хромосомами состоянии.

Протопласт – клетка растений, лишенная клеточной стенки.

Рестриктазы – ферменты, специфически узнающие определенные короткие последовательности в ДНК и расщепляющие ее.

Сбраживание – анаэробное расщепление молекул питательного вещества, сопровождающееся выделением энергии.

Сплайсинг – ферментативное удаление интронов и соединение экзонов при синтезе матричной РНК.

Тотипотентность – свойство клеток реализовывать генетическую информацию, проявляется в культуре клеток и тканей.

Трансгенные или генетически-модифицированные организмы (ГМО) – растения, животные, микроорганизмы и вирусы с измененной наследственностью, вызванной включением в их геном чужеродных генов с помощью генно-инженерных методов.

Эксплант – фрагмент ткани или органа, культивируемого на питательной среде для получения каллуса.

Экзоны – участки гена, кодирующие белок, разделены интронами.

Экологическая биотехнология – это применение биотехнологических методов для решения проблем окружающей среды.

Электропорация – метод переноса генов в клетку с помощью электрического разряда, вызывающего образование дополнительных пор в мембране.