Глава 1. Общие предствления о биотехнологии

Глава 1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О БИОТЕХНОЛОГИИ

Современные биотехнологические производства – сложный комплекс взаимосвязанных биофизических, биохимических и физико-химических процессов; в этих технологических процессах производство и биология представляют единое целое.

Биотехнология – это использование культур клеток, бактерий, животных, растений, метаболизм и биологические возможности которых обеспечивают выработку специфических веществ. В фармацевтической промышленности биотехнология охватывает разработку вакцин, синтез гормонов, ферментов, интерферонов, антибиотиков, аминокислот, витаминов, алкалоидов, полисахаридов и других биологически активных веществ (БАВ).

В историческом смысле биотехнология возникла, когда дрожжи были впервые использованы при изготовлении пива, а бактерии – для получения йогурта.

С 1961 г. биотехнология тесно связана с исследованиями в области промышленного производства коммерческих продуктов при участии живых орга­низмов, биологических систем и процессов. С этого времени биотехнология встала на прочный фундамент микробиологии, биохимии и промышленной инженерии.

Промышленный биотехнологический процесс, в котором для производства коммерческих продуктов используются микроорганизмы, обычно состоит из трех ключевых этапов:

1. Исходная обработка: обработка сырья для использования в качестве источника питательных веществ для микроорганизма- мишени.

2. Ферментация и биотрансформация: рост микроорганизма – мишени в большом (обычно более 100 л) биореакторе (ферментация) с последующим образованием нужного метаболита, например антибиотика, аминокислоты или белка (биотрансформация).

3. Конечная обработка: очистка целевого продукта от компонентов культуральной среды или от клеточной массы (рис. 1).

Цель биотехнологических исследований — максимальное повышение эффективности каждого из этих этапов и поиск микроорганизмов, с помощью которых можно получить целевой продукт.

Наиболее трудным для оптимизации был этап биотрансформации. При использовании природных микробных штаммов выход конечного продукта часто оказывался существенно ниже оптимального. Традиционные схемы генетического усовершенствования бактерий включают скрининг, отбор и тестирование огромного количества колоний. Такие работы высокозатратны, занимают много времени и при этом можно рассчитывать только на усовершенствование уже существующих, передаваемых по наследству свойств штамма, а не на расширение его генетических возможностей. И все же к концу 70-х таким образом были усовершенствованы производственные процессы получения целого ряда конечных продуктов.

С развитием технологии рекомбинантных ДНК природа и возможности биотехнологии резко изменились. Стратегия переноса функциональной единицы наследственности (гена) из одного организма в другой была разработана американскими учеными Стенли Коэном и Гербертом Бойером в 1973 г. Появилась возможность оптимизировать этап биотрансформации – не просто отбирать высокопродуктивные штаммы микроорганизмов и эукариотических клеток, а создавать принципиально новые, используя их в качестве «биологических фабрик» по производству инсулина, интерферонов, интерлейкинов, гормона роста, вирусных антигенов и множества других белков. Технология рекомбинантных ДНК позволяет получать в больших количествах ценные низкомолекулярные вещества и макромолекулы, которые в естественных условиях синтезируются в минимальных количествах. Технология рекомбинантных ДНК – это быстродействующий, эффективный, мощный инструмент, обеспечивающий создание микроорганизмов с заранее заданными генетическими характеристиками. Этот инструмент может работать не только с микроорганизмами, но с растениями и животными.

На стыке технологии рекомбинантных ДНК и биотехнологии возникла динамичная, высококонкурентоспособная молекулярная БТ (МБТ). Биотехнологическая составляющая молекулярной биотехнологии — промышленная микробиология и химическая инженерия; молекулярная составляющая – молекулярная биология, молекулярная генетика бактерий, энзимология нуклеиновых кислот.

История развития молекулярной биотехнологии (даты, события)

1917 – введен термин «биотехнология»;

1943 – произведен в промышленном масштабе пенициллин;

1944 – показано, что генетический материал представляет собой ДНК;

1953 – установлена структура инсулина, расшифрована структура ДНК;

1961 – учрежден журнал «Biotechnology and Bioengineering»;

1961-1966 – расшифрован генетический код, оказавшийся универсальным для всех организмов;

1953-1976 – расшифрована структура ДНК, ее функции в сохранении и передаче организмом наследственной информации, способность ДНК организовываться в гены;

1963 – осуществлён синтез биополимеров по установленной структуре;

1970 – выделена первая рестрикционная эндонуклеаза; осуществлён синтез ДНК;

1972 – синтезирован полноразмерный ген транспортной РНК;

1975 – изучены моноклональные антитела;

1976 – разработаны методы определения нуклеотидной последовательности ДНК;

1978 – фирма «Genentech» выпустила человеческий инсулин, полученный с помощью Е. coli;

1981 – синтезированы фрагменты нуклеиновых кислот;

1982 – разрешена к применению в Европе первая вакцина для животных, полученная по технологии рекомбинантных ДНК;

1983 – гибридные Тi-плазмиды применены ДМ трансформации растений;

1990 – официально начаты работы над проектом «геном человека»;

1994-1995 – опубликованы подробные генетические и физические карты хромосом человека;

1996 – ежегодный объем продаж первого рекомбинантного белка (эритропоэтина) превысил 1 млрд. долларов;

1997 – клонировано млекопитающее из дифференцированной соматической клетки;

2003 – расшифрован геном (набор генов, присущий организму) человека, содержащий приблизительно 30 тысяч генов и три миллиарда «букв» молекул ДНК.

В последние годы родилась новая отрасль генетики — геномика, изучающая не отдельные гены, а целые геномы. Достижения молекулярной биологии к генной инженерии дали человеку возможность читать генетические тексты вначале вирусов, бактерий, дрожжевых грибков, многоклеточных животных. Например, знание, геномной структуры патогенных бактерий очень важно при создании рационально сконструированных вакцин, для диагностики и других медицинских целей.

Апрель 2003 года ознаменовался сенсацией в биологии и медицине; Международный консорциум по составлению генетической карты человека (Центр геномного секвенирования; Вашингтонский университет и Сенгеровский центр в Кембридже) опубликовал заявление, что удалось полностью расшифровать геном человека. Титанический труд сотен исследователей из США, Великобритании, Германии, Франции, Японии и Китая занял более 10 лет и обошелся почти в 3 млрд. долларов. При этом были разработаны высокоэффективные технологии и инструменты картирования, такие как коллекции клеток, в которых есть небольшие фрагменты каждой из хромосом или искусственные дрожжевые хромосомы, содержащие крупные фрагменты хромосом человека, бактериальные и фаговые векторы, позволяющие размножить (клонировать) фрагменты ДНК человека. Быстро прогрессировала техника секвенирования (например, многоканальный капиллярный электрофорез ускорил и удешевил расшифровку первичной структуры ДНК). Созданы компьютерные программы, позволяющие находить гены в расшифрованных участках ДНК.

Ранее было объявлено о «черновой» расшифровке генома человека с точностью 99,9%, сейчас эта точность увеличена на порядок. Осталось заполнить, расшифровать в геноме примерно 460 «дырок». В геноме человека прочитано 3 млрд. символов, но решающее значение принадлежит пониманию смысла прочитанного. Из 30 тыс. генов, составляющих геном человека, науке известно о предназначении лишь трети их числа. Полная расшифровка генома человека позволит справиться с множеством недугов, таких как наследственные болезни, рак, заболевания сердечно-сосудистой системы, психические и многие другие.

В России существует своя программа «Геном человека», независимая от Международного консорциума, гораздо более скромная по финансовым возможностям. Ученые на уровне генома изучают связь различных генов с наиболее распространенными заболеваниями, ДНК – диагностику, диагностику хромосомных нарушений, молекулярный цитогенетический анализ. Геномная медицина «корректирует» традиционные методы лечения заболеваний с учетом индивидуальных генетических данных каждого человека. Генетическую обусловленность наследственных заболеваний определяют около 3 тыс. генов.

Геномные методы идентификации личности, разработанные и практические реализованные в геномике человека, имеют большое значение для общества. Криминалистика получила в свое распоряжение абсо­лютно достоверный метод доказательства: для геномной дактилоскопии достаточно лишь одной капли крови, одного волоса, кусочка ногтя, следов пота, спермы, слюны, перхоти.

Молекулярная биотехнология (МБТ) пользуется достижениями разных областей науки и применяет их для создания разнообразных коммерческих продуктов (рис. 2).

Знания и методы биохимии, микробиологии, молекулярной биологии, генетики, химической технологии, электроники позволяют использовать потенциал живых клеток в интересах человека. Знания и умения биотехнолога простираются от биохимии и кинетики физиологических процессов в биосистемах (микроорганизм, клетка, вирус) до математического моделирования, экономики, вопросов управления биотехнологическими процессами, объединёнными в сложные системы.

Биотехнология получила возможность воспроизводить нужные продукты в неограниченных количествах, используя новые технологии, позволяющие переносить гены в микробные клетки-продуценты или в организм млекопитающих (трансгенные животные), синтезировать пептиды, создавать искусственные вакцины – это основные биотехнологические процессы, реализующиеся на уровне клетки или с участием отдельных клеточных структур. В промышленном масштабе подобная биотехнология представляет биоиндустрию.

Категории
Рекомендации
Подсказка
Нажмите Ctrl + F, чтобы найти фразу в тексте
Партнеры
А знаете ли вы, что нажав сочетание клавиш Ctrl+F - можно воспользоваться поиском по сайту?
X
Copyrights © 2015: FARMF.RU - тесты, лекции, обзоры
яндекс.ћетрика
Рейтинг@Mail.ru