Роль биотехнологий в развитии общества
Многие современные религиозные деятели и некоторые учёные предостерегают научное сообщество от излишнего увлечения такими биотехнологиями (в частности, биомедицинскими технологиями) как генная инженерия, клонирование, и различные методы искусственного размножения (такие, как ЭКО).
Человек перед лицом новейших биомедицинских технологий, статья старшего научного сотрудника РИСИ В. Н. Филяновой:
Проблема биотехнологий
Проблема биотехнологий — лишь часть проблемы научных технологий, которая коренится в ориентации европейского человека на преобразование мира, покорение природы, начавшееся в эпоху Нового времени. Биотехнологии, стремительно развивающиеся в последние десятилетия, на первый взгляд приближают человека к реализации давней мечты о преодолении болезней, устранению физических проблем, достижению земного бессмертия посредством человеческого опыта. Но с другой стороны они порождают совершенно новые и неожиданные проблемы, которые не сводятся только к последствиям долговременного употребления генетически изменённых продуктов, ухудшению человеческого генофонда в связи с появлением на свет массы людей, рождённых лишь благодаря вмешательству врачей и новейших технологий. В перспективе встаёт проблема трансформации социальных структур, воскресает призрак медицинского фашизма и евгеники, осуждённых на Нюрнбергском процессе.
История биотехнологий
Пивоварение было одним из первых применений биотехнологии. Впервые термин биотехнология применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году.
Использование в промышленном производстве микроорганизмов или их ферментов, обеспечивающих технологический процесс, известно издревле, однако систематизированные научные исследования позволили существенно расширить арсенал методов и средств биотехнологии.
Так, в 1814 году петербургский академик К. С. Кирхгоф открыл явление биологического катализа и пытался биокаталитическим путём получить сахар из доступного отечественного сырья. В 1891 году в США японский биохимик Дз. Такамине получил первый патент на использование ферментных препаратов в промышленных целях.
Развитие биотехнологий в XX веке
В начале XX века активно развивалась бродильная и микробиологическая промышленность. В эти же годы были предприняты первые попытки наладить производство антибиотиков, пищевых концентратов, полученных из дрожжей, осуществить контроль ферментации продуктов растительного и животного происхождения.
Первый антибиотик — пенициллин — удалось выделить и очистить до приемлемого уровня в 1940 году, что дало новые задачи: поиск и налаживание промышленного производства лекарственных веществ, продуцируемых микроорганизмами, работа над удешевлением и повышением уровня биобезопасности новых лекарственных препаратов.
Биотехнология: использование живых организмов для технологических задач
Биотехноло́гия (от гр. βίος — жизнь, τέχνη — искусство, мастерство, способность, λόγος — слово, смысл, мысль, понятие) — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии.
Применение биотехнологии
Биотехнологией часто называют применение генной инженерии в XX—XXI веках, но термин относится и к более широкому комплексу процессов модификации биологических организмов для обеспечения потребностей человека, начиная с модификации растений и животных путём искусственного отбора и гибридизации. С помощью современных методов традиционные биотехнологические производства получили возможность улучшить качество пищевых продуктов и увеличить продуктивность живых организмов.
История и развитие
До 1971 года термин биотехнология использовался, главным образом, в пищевой промышленности и сельском хозяйстве. С 1970 года учёные используют термин в применении к лабораторным методам, таким, как использование рекомбинантной ДНК и культур клеток, выращиваемых in vitro.
Основы биотехнологии
Биотехнология основана на генетике, молекулярной биологии, биохимии, эмбриологии, микробиологии и клеточной биологии, а также прикладных дисциплинах — химической и информационной технологиях и робототехнике.
Таблица: Структура транспортной РНК
Нуклеотид | Содержание (%) |
---|---|
Аденин | 25 |
Гуанин | 25 |
Цитозин | 25 |
Урацил | 25 |
Возможности производства
Возможные способы применения массовой культуры водорослей показывают перспективы в развитии биотехнологии.
Отличия животных
- У круглых червей первичная полость тела, заполненная жидкостью, у плоских червей полость тела отсутствует, промежутки между органами заполнены паренхимой.
- У круглых червей только продольные мышцы (черви могут только изгибаться), у плоских червей – продольные, кольцевые, косые мышцы.
- У круглых червей сквозная пищеварительная система, у плоских червей – слепозамкнутая пищеварительная система.
- Круглые черви имеют спинной и брюшной нервные стволы, плоские черви – боковые нервные стволы.
Повсеместное использование
- Вредители сельского хозяйства – слизни, виноградные улитки.
- Являются промежуточными хозяевами паразитических червей – малый прудовик.
- Моллюск корабельный червь протачивает ходы в подводных частях деревянных хозяйственных сооружений, разрушая их.
- Поселяются на днищах кораблей, снижая из судоходность.
Воздействие на человека
Известно, что моллюсков человек использует в пищу, благодаря им получает жемчуг, моллюски являются важными звеньями в пищевых цепях. Однако моллюски также могут причинить вред человеку.
Преобразования организма
- Легочное дыхание
- Возникновение второго круга кровообращения
- Возникновение трехкамерного сердца
- Появление пятипалых рычажных конечностей
- Появление среднего уха
- Возникновение шейного позвонка
Эволюционные изменения
Какие существенные изменения в строении организма произошли у предков земноводных, обеспечившие им выход на сушу и жизнь на ней?
2. Генетический метод;
3. Молекулярно-генетический метод;
4. Компьютерное моделирование.
Какие методы используют в биологии для изучения развития организмов? Поясните каждый метод.
Онтогенез и филогенез: как эволюция повторяется в развитии
На ранних стадиях развития у зародышей всех позвоночных имеются следующие структуры: жаберные щели, двухкамерное сердце, хорда, плавники. Затем появляются черты строения, характерные для каждого класса, и лишь на более поздних стадиях формируются особенности конкретного вида.
Геккель сформулировал закон, который гласит: Онтогенез повторяет филогенез. С помощью какого метода изучения эволюции можно подтвердить этот закон? Проиллюстрируйте действие данного закона на примере онтогенеза позвоночных.
Доказательства единства органического мира
- Защитные образования: панцирь, раковина, иглы, шипы, влажные покровы
- Активное использование различных средств защиты: механических (зубы, ногти, когти, копыта); химических (запахи, яды); электрических (электрические органы у рыб)
- Формы защитной окраски
Нейроэндокринная регуляция и почки
- Гипоталамус является главным звеном нейроэндокринной регуляции нашего организма
- АКТГ влияет только на кору надпочечников, на мозговое вещество он не влияет
- АДГ и окситоцин синтезируются гипоталамусом и выделяются задней долей гипофиза
Регуляция работы почек
- Вегетативная нервная система и кора головного мозга контролируют процесс мочеиспускания
- Вазопрессин (АДГ) и альдостерон уменьшают образование мочи
Влияние антибактериальных препаратов и симбиотических бактерий
- Антибактериальные препараты уничтожают не только патогенные бактерии, но и симбиотические
- Препараты с симбиотическими бактериями рекомендуется принимать натощак
Эти факты подчеркивают важность понимания процессов, которые происходят в организме человека, и влияния различных веществ и систем на его функционирование.
Также в желудке содержится соляная кислота, создающая кислую агрессивную среду. Среда способна привести к денатурации белков клеточной стенки бактериальных клеток, убить живые культуры симбиотических организмов;
Натощак пищеварительные ферменты и соляная кислота выделяются в незначительном количестве. Их воздействие на лекарственный препарат в таком случае минимально.
После приёма антибактериальных препаратов назначают комплексы с симбиотическими бактериями. Определите, для чего этого делают? В какое время необходимо принимать эти препараты? Ответ поясните.
Некоторые дисциплины, относящиеся к биотехнологии
Биоинженерия (или биомедицинская инженерия) — это дисциплина, направленная на углубление знаний в области инженерии, биологии и медицины и укрепление здоровья человечества за счёт междисциплинарных разработок, которые объединяют в себе инженерные подходы с достижениями биомедицинской науки и клинической практики. Биоинженерия/биомедицинская инженерия — это применение технических подходов для решения медицинских проблем в целях улучшения охраны здоровья. Эта инженерная дисциплина направлена на использование знаний и опыта для нахождения и решения проблем биологии и медицины. Биоинженеры работают на благо человечества, имеют дело с живыми системами и применяют передовые технологии для решения медицинских проблем. Специалисты по биомедицинской инженерии могут участвовать в создании приборов и оборудования, в разработке новых процедур на основе междисциплинарных знаний, в исследованиях, направленных на получение новой информации для решения новых задач. Среди важных достижений биоинженерии можно упомянуть разработку искусственных суставов, магнитно-резонансной томографии, кардиостимуляторов, артроскопии, ангиопластики, биоинженерных протезов кожи, почечного диализа, аппаратов искусственного кровообращения. Также одним из основных направлений биоинженерных исследований является применение методов компьютерного моделирования для создания белков с новыми свойствами, а также моделирования взаимодействия различных соединений с клеточными рецепторами в целях разработки новых фармацевтических препаратов («drug design»).
Компьютерное изображение инсулина
Раздел фармакологии, который изучает физиологические эффекты, производимые веществами биологического и биотехнологического происхождения. Фактически, биофармакология — это плод конвергенции двух традиционных наук — биотехнологии, а именно, той её ветви, которую именуют «красной», медицинской биотехнологией, и фармакологии, ранее интересовавшейся лишь низкомолекулярными химическими веществами, в результате взаимного интереса.
Объекты биофармакологических исследований — изучение биофармацевтических препаратов, планирование их получения, организация производства. Биофармакологические лечебные средства и средства для профилактики заболеваний получают с использованием живых биологических систем, тканей организмов и их производных, с использованием средств биотехнологии, то есть лекарственные вещества биологического и биотехнологического происхождения.
В биоинформатике используются методы прикладной математики, статистики и информатики. Биоинформатика используется в биохимии, биофизике, экологии, медицине и в других областях.
Прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формы живого в природе и их промышленные аналоги. Проще говоря, бионика — это соединение биологии и техники. Бионика рассматривает биологию и технику совсем с новой стороны, объясняя, какие общие черты и какие различия существуют в природе и в технике.
Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими.
Комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферы с использованием метаболического потенциала биологических объектов — растений, грибов, насекомых, червей и других организмов.
Избирательной допущение к размножению животных, растений или других организмов с целью выведения новых сортов и пород. Предшественник и основной метод современной селекции. Результатом искусственного отбора является многообразие сортов растений и пород животных.
Появление естественным путём или получение нескольких генетически идентичных организмов путём бесполого (в том числе вегетативного) размножения. Термин «клонирование» в том же смысле нередко применяют и по отношению к клеткам многоклеточных организмов. Клонированием называют также получение нескольких идентичных копий наследственных молекул (молекулярное клонирование). Наконец, клонированием также часто называют биотехнологические методы, используемые для искусственного получения клонов организмов, клеток или молекул. Группа генетически идентичных организмов или клеток — клон.
Долли — самка овцы, первое млекопитающее, успешно клонированное из клетки другой взрослой особи
Прогнозируемая методология, заключающаяся в создании эмбриона и последующем выращиванием из эмбриона людей, имеющих генотип того или иного индивида, ныне существующего или ранее существовавшего. Пока технология клонирования человека не отработана. В настоящее время достоверно не зафиксировано ни одного случая клонирования человека. И здесь встаёт ряд как теоретических, так и технических вопросов. Однако, уже сегодня есть методы, позволяющие с большой долей уверенности говорить, что в главном вопрос технологии решён. Опасения вызывают такие моменты, как большой процент неудач при клонировании и связанные с этим возможности появления неполноценных людей. А также вопросы отцовства, материнства, наследования, брака и многие другие. С точки зрения основных мировых религий (христианство, ислам, иудаизм) клонирование человека является или проблематичным актом, или актом, выходящим за рамки вероучения и требующим у богословов чёткого обоснования той или иной позиции религиозных иерархов. В некоторых государствах использование данных технологий применительно к человеку официально запрещено — Франция, Германия, Япония. Эти запреты, однако, не означают намерения законодателей названных государств воздерживаться от применения клонирования человека в будущем, после детального изучения молекулярных механизмов взаимодействия цитоплазмы ооцита-реципиента и ядра соматической клетки-донора, а также совершенствования самой техники клонирования.
Процесс образования или получения гибридов, в основе которого лежит объединение генетического материала разных клеток в одной клетке. Может осуществляться в пределах одного вида (внутривидовая гибридизация) и между разными систематическими группами (отдалённая гибридизация, при которой происходит объединение разных геномов). Для первого поколения гибридов часто характерен гетерозис, выражающийся в лучшей приспособляемости, большей плодовитости и жизнеспособности организмов. При отдалённой гибридизации гибриды часто стерильны, но этот недостаток иногда можно исправить полиплоидизацей.
Субстраты для получения белка одноклеточных для разных классов микроорганизмов
Получить новый ген можно:
После этого обрабатывают векторную молекулу ДНК рестриктазой с целью образования двуцепочечного разрыва и в образовавшуюся «брешь» производится «вклеивание» гена в вектор используя фермент ДНК-лигазу, а затем такими рекомбинантными молекулами трансформируют клетки реципиента, например клетки кишечной палочки. При трансформации с использованием в качестве вектора, например, плазмидной ДНК необходимо, чтобы клетки были компетентными ( готовыми принять чужеродный генетический материал) для проникновения экзогенной ДНК в клетку, для чего например используют электропорацию клеток реципиента. После успешного проникновения в клетку экзогенная ДНК начинает реплицироваться и экспрессироваться в клетке.
Трансгенные растения — это те растения, которым «пересажены» гены других организмов.
Картофель, устойчивый к колорадскому жуку, был создан путём введения гена, выделенного из генома почвенной тюрингской бациллы Bacillus thuringiensis, вырабатывающий белок Cry, представляющий собой протоксин, в кишечнике насекомых этот белок растворяется и активируется до истинного токсина, губительно действующего на личинок и имаго насекомых, у человека и других теплокровных животных подобная трансформация протоксина невозможна и соответственно этот белок для человека не токсичен и безопасен. Опрыскивание спорами Bacillus thuringiensis использовалось для защиты растений и до получения первого трансгенного растения, но с низкой эффективностью, продукция эндотоксина внутри тканей растения существенно повысило эффективность защиты, а также повысило экономическую эффективность ввиду того, что растение само начало продуцировать защитный белок. Путём трансформации растения картофеля при помощи Agrobacterium tumefaciens были получены растения, синтезирующие этот белок в мезофилле листа и других тканях растения. В итоге растение стало не подверженным нападкам колорадского жука. Данный подход используется и для создания других сельскохозяйственных растений, резистентных к различным видам насекомых.
В качестве трансгенных животных чаще всего используются свиньи. Например, есть свиньи с человеческими генами — их вывели в качестве доноров человеческих органов.
Зелёные светящиеся свиньи — трансгенные свиньи, выведенные группой исследователей из Национального университета Тайваня путём введения в ДНК эмбриона гена зелёного флуоресцентного белка, позаимствованного у флуоресцирующей медузы Aequorea victoria. Затем эмбрион был имплантирован в матку самки свиньи. Поросята светятся зелёным цветом в темноте и имеют зеленоватый оттенок кожи и глаз при дневном свете. Основная цель выведения таких свиней, по заявлениям исследователей, — возможность визуального наблюдения за развитием тканей при пересадке стволовых клеток. Похожие эксперименты были проведены на мышах и крысах.