Конспект Биотехнология

Биотехнология – это использование организмов, биологических систем или биологических процессов в промышленном производстве.

Основными объектами биотехнологии являются микроорганизмы. Микроорганизмы быстро растут и размножаются, потребляют и производят широкий спектр химических соединений. С помощью генной инженерии можно заставить их производить полезные для человека продукты. К биотехнологии также можно отнести разведение и усовершенствование сельскохозяйственных животных и растений. Методы генной инженерии позволяют наделять живые организмы новыми желаемыми признаками.

Биотехнология имеет широкий спектр применения. Биотехнология, особенно с применением методов генной инженерии, позволяет получать разнообразные продукты, необходимые человеку:

· продукты питания (молочные продукты, хлебопечение, пивоварение);

С изготовлением пищевых продуктов и напитков связаны самые старейшие биотехнологии. Производство хлеба, сыра, йогурта, уксуса, пива и вина существует уже тысячи лет. В настоящее время производство этих продуктов осуществляется в условиях крупных производств, с использованием современных методов селекции микроорганизмов.

· медикаменты (гормоны, лекарства, антибиотики, вакцины);

Производство антибиотика пенициллина с момента открытия в 1928 году спасло, возможно, миллионы жизней. С тех пор благодаря селекции высокопродуктивных мутантных штаммов, а также разработке методов культивирования, выделения и очистки, производство пенициллина возросло примерно в 2000 раз.

Моноклональные антитела

Инсулин, соматотропин

· химические вещества (спирты, ацетон, полимеры);

· топливо (биогаз);

Запасы традиционных видов топлива (таких как нефть, древесина, уголь, торф) постепенно истощаются, поэтому разрабатываются новые методы использования живых организмов и биологических процессов в качестве источников топлива. Примером тому служит образование биогаза (метана) метаногенными бактериями, образующими метан из углекислого газа в анаэробных условиях. В качестве субстрата чаще всего используются отходы (из навоза, полученного от одной коровы за год, можно получить количество метана, эквивалентное приблизительно 227 л бензина). Например, в Китае такой газ используется для приготовления пищи, освещения, заправки тракторов и автомобилей, запуска электрических генераторов.

Достижения биотехнологии используются в сельском хозяйстве:

· получение кормового белка

Белок получают при крупномасштабном выращивании микроорганизмов, таких как бактерии, водоросли, а также дрожжи и другие грибы. Белок используется в качестве корма для животных и пригоден для употребления людьми. Он служит полезным источником минеральных веществ, витаминов, жиров и углеводов.

· силосование кормов;

Изготовление силоса это традиционных процесс, в основе которого лежит сбраживание клетчатки молочнокислыми бактериями, позволяющий сохранить питательную ценность травы для кормления сельскохозяйственных животных в зимнее время. В настоящее время для изготовления силоса используются культуры быстрорастущих молочнокислых бактерий, что повышает качество и время изготовления силоса.

· азотфиксация.;

Культуры семейства бобовых (горох, бобы, клевер, люцерна), на протяжении многих веков использовались в системах севооборота, потому, что их корни обогащают почву азотом. В 19 веке было установлено, что наросты на корнях этих растений содержат симбиотические бактерии рода Rhizobium, которые могут усваивать азот из воздуха и превращать его в нитрат. В настоящее время штаммы этого микроорганизма выращивают промышленным способом, а затем добавляют в почву при посеве семян. Благодаря этому можно выращивать бобовые культуры в различных почвах, в том числе не содержащих симбиотических азотфиксаторов.

Для решения проблем окружающей среды:

· переработка отходов (бумажных, нефтяных, сельскохозяйственных, бытовых);

· нефтяные разливы;

· добыча металлов;

Необходимые человеку металлы (медь, железо, золото, свинец и др.) а природе встречаются в виде минералов, которые называются также рудами. Добывать металлы из руды – очень трудоемкий процесс. Сейчас стало известно, что процесс высвобождения металлов из руд (выщелачивания) происходит под действием бактерий, которые превращают нерастворимые металлические соединения в растворимые. Бактериальное выщелачивание сейчас используют во всем мире как дополнительный метод выделения металлов из руд, главным образом медных и урановых.

· очистка сточных вод.

Генетическая инженерия исследует возможность создания в лаборатории наследственно измененных организмов. Благодаря генетической инженерии стало возможным соединить в лабораторных условиях фрагменты ДНК разных организмов и получить совершенно новую (рекомбинантную) ДНК, не существующую в природе. Организм, получивший такую ДНК, может сочетать в себе желаемые признаки растений и животных, бактерий и человека, которые в естественных условиях не могли бы сочетаться благодаря межвидовым барьерам.

Эксперименты с рекомбинантной ДНК чаще всего проводят по следующей схеме:

1. Из организма-донора нужных генов выделяют (экстрагируют) ДНК, разрезают с помощью специальных ферментов – нуклеаз и сшивают (лигируют) с другой ДНК (вектор для клонирования) с образованием новой рекомбинантной молекулы ДНК.

Таким образом, молекула рекомбинантной ДНК содержит в себе фрагмент клонируемой (чужеродной) ДНК и векторную молекулу ДНК. Сама по себе ДНК, введенная в живую клетку будет разрушена специальными ферментами – нуклеазами. Для того чтобы нужные гены стали составной частью генетического аппарата клетки, сконструированная ДНК должна встроится в ее геном, либо быть способной к самостоятельной (автономной) репликации. Молекулы ДНК, способные встраиваться в геном клетки или автономно реплироваться используются в генетической инженерии для ввода желаемых генов. Такие молекулы ДНК называют векторными. К числу векторов относят плазмиды, бактериофаги, вирусы животных. Векторные плазмиды и векторные вирусы часто называют гибридными.

Плазмиды – это дополнительные, внехромосомные молекулы ДНК, кодирующие признаки, полезные для бактериальной клетки (устойчивость к антибиотикам, синтез антибиотиков, способность разрушать и использовать некоторые вещества. Плазмиды представляют собой двойную спираль, замкнутую в кольцо. Число их может колебаться от 1 до 38 на клетку. Они не являются необходимыми для жизни. Бактерии способны обмениваться плазмидами, приобретая новые свойства (посредством контакта через половые пили).

2. Эту конструкцию вводят в клетку-хозяина (реципиент), где она копируется (реплицируется) и передается потомкам. Этот процесс называется трансформацией.

Клетку реципиентного организма (бактериальную, грибную, растительную или животную клетку) предварительно подвергают специальной обработке, благодаря чему их мембрана становится проницаемой для ДНК.

3. Идентифицируют и отбирают клетки, несущие рекомбинантную ДНК (трансформированные клетки).

Поскольку эффективность проникновения чужеродной ДНК через мембрану довольно низка, для отбора трансформированных клеток, их помещают в среду, в которой способны существовать только клетки, получившие векторную молекулу.

4. Получают специфический белковый продукт, синтезированный клетками-хозяевами, что служит подтверждением клонирования искомого гена.

Клетка, получившая новые признаки, начинает делиться с образованием маленькой колонии. Эта колония называется клоном, причем из каждой клетки образуется свой клон, все клетки которого имеют свойства бактерии-родоначальника. Такой способ выделения трансформированной клетки и копирование клеток с заданными признаками, называется клонированием.

Таким образом, сущность генетической инженерии сводится к конструированию генетических систем вне организма и последующему введению их в живой организм. При этом рекомбинантные ДНК становятся составной частью генетического аппарата организма и привносят в него новые генетические и физиолго-биохимические свойства, полезные для человека. К числу таких свойств можно отнести синтез аминокислот, белков, гормонов, ферментов, витаминов и др.