Biološke tehnologije (biotehnologije) omogućavaju kontroliranu proizvodnju zdravi proizvodi za različite sfere ljudske aktivnosti, zasnovane na korišćenju katalitičkog potencijala bioloških agenasa i sistema različitog stepena organizacije i složenosti - mikroorganizama, virusa, biljnih i životinjskih ćelija i tkiva, kao i ekstracelularnih supstanci i ćelijskih komponenti.

Razvoj i transformacija biotehnologije potaknuti su dubokim promjenama koje su se dogodile u biologiji u posljednjih 25-30 godina. Ovi događaji su bili zasnovani na novim idejama u oblasti molekularne biologije i molekularne genetike. Istovremeno, treba napomenuti da su razvoj i dostignuća biotehnologije usko povezani sa znanjem ne samo bioloških nauka, već i mnogih drugih.

Proširenje praktične sfere biotehnologije također je posljedica socio-ekonomskih potreba društva. Takvi hitni problemi sa kojima se suočava čovječanstvo na pragu 21. vijeka, kao što je nestašica čista voda i nutrijenti (posebno proteini), zagađenje životne sredine, nedostatak sirovina i energetskih resursa, potreba za dobijanjem novih, ekološki prihvatljivih materijala, razvoj novih alata za dijagnostiku i lečenje, ne mogu se rešiti tradicionalnim metodama. Stoga, kako bi se osiguralo održavanje života ljudi, poboljšala kvaliteta života i njegovo trajanje, postaje sve potrebnije ovladavanje temeljno novim metodama i tehnologijama.

Razvoj naučnog i tehnološkog napretka, praćen povećanjem stope materijalnih i energetskih resursa, nažalost, dovodi do neravnoteže u procesima biosfere. Vodeni i vazdušni bazeni gradova su zagađeni, reproduktivna funkcija biosfere je smanjena, a zbog akumulacije slijepih produkata tehnosfere, poremećeni su globalni ciklusi cirkulacije biosfere.

Brzi tempo modernog naučnog i tehnološkog napretka čovječanstva slikovito je opisao švicarski inženjer i filozof Eichelberg: „Vjeruje se da je starost čovječanstva 600.000 godina. Zamislimo kretanje čovječanstva u obliku maratona od 60 km, koji, počevši odnekud, ide prema centru jednog od naših gradova, kao prema cilju... Veći dio udaljenosti trči veoma teškom stazom - kroz prašume, a mi o tome ne znamo ništa, jer tek na samom kraju, na 58-59 km trčanja, nalazimo, uz primitivna oruđa, pećinske crteže kao prve znakove kulture, a tek na posljednjeg kilometra pojavljuju se znakovi poljoprivrede.

200 m prije cilja, pored rimskih utvrđenja vodi cesta prekrivena kamenim pločama. 100 metara dalje, trkači su okruženi srednjovjekovnim gradskim zgradama. Ostalo je još 50 metara do cilja, gdje stoji čovjek i inteligentnim očima sa razumijevanjem gleda trkače - ovo je Leonardo da Vinci. Ostalo je još 10 m. Počinju pri svjetlu baklji i slabom osvjetljenju uljanica. Ali pri ubacivanju u zadnjih 5 metara, događa se zapanjujuće čudo: svjetlo preplavi noćni put, kola bez teglećih životinja jure pored, automobili šušte u zraku, a zadivljeni trkač je zaslijepljen svjetlom reflektora fotografija i televizije kamere...”, tj. u 1 m ljudski genije pravi zapanjujući skok u polju naučnog i tehnološkog napretka. Nastavljajući ovu sliku, možemo dodati da kako se trkač približava cilju, termonuklearna fuzija je ukroćena, svemirski brodovi se lansiraju i genetski kod se dešifruje.

Biotehnologija je osnova naučnog i tehnološkog napretka i poboljšanja kvaliteta ljudskog života

Biotehnologija kao oblast znanja i industrijski sektor koji se dinamično razvija osmišljen je da reši mnoge ključne probleme našeg vremena, a da pritom obezbedi očuvanje ravnoteže u sistemu odnosa „čovek – priroda – društvo“, jer biološke tehnologije (biotehnologije), zasnovane na o korišćenju potencijala živih bića, po definiciji su usmjereni na prijateljstvo i harmoniju osobe sa svijetom oko sebe. Trenutno je biotehnologija podijeljena na nekoliko najznačajnijih segmenata: to su “bijela”, “zelena”, “crvena”, “siva” i “plava” biotehnologija.

“Bijela” biotehnologija obuhvata industrijsku biotehnologiju, fokusiranu na proizvodnju proizvoda koje je prethodno proizvodila hemijska industrija – alkohola, vitamina, aminokiselina itd. (uzimajući u obzir zahtjeve očuvanja resursa i zaštite okoliša).

Zelena biotehnologija pokriva područje od značaja za poljoprivredu. Ovo je istraživanje i tehnologija usmjerena na stvaranje biotehnoloških metoda i lijekova za suzbijanje štetočina i patogena. kultivisane biljke i domaće životinje, stvaranje biođubriva, povećanje produktivnosti biljaka, uključujući korištenje metoda genetskog inženjeringa.

Crvena (medicinska) biotehnologija je najznačajnija oblast moderne biotehnologije. Riječ je o proizvodnji dijagnostikuma biotehnološkim metodama i lijekovi korišćenjem tehnologija ćelijskog i genetskog inženjeringa (zelene vakcine, genska dijagnostika, monoklonska antitela, konstrukti i proizvodi tkivnog inženjeringa, itd.).

Siva biotehnologija razvija tehnologije i lijekove za zaštitu okoliša; to su rekultivacija tla, tretman otpadnih voda i gasovitih emisija, odlaganje industrijskog otpada i degradacija toksičnih tvari korištenjem bioloških agenasa i bioloških procesa.

Plava biotehnologija je uglavnom fokusirana na efikasno korišćenje okeanskih resursa. Prije svega, to je korištenje morske biote za dobivanje hrane, tehničkih, biološki aktivnih i ljekovitih tvari.

Savremena biotehnologija je jedno od prioritetnih oblasti nacionalne ekonomije svih razvijenih zemalja. Način povećanja konkurentnosti biotehnoloških proizvoda na prodajnim tržištima jedan je od glavnih u ukupnoj strategiji razvoja biotehnologije u industrijaliziranim zemljama. Stimulativni faktor su posebno usvojeni vladini programi za ubrzani razvoj novih oblasti biotehnologije.

Državni programi predviđaju izdavanje besplatnih kredita investitorima, dugoročnih kredita i oslobađanja od poreza. Kako osnovna i ciljana istraživanja postaju sve skuplja, mnoge zemlje nastoje premjestiti značajna istraživanja izvan nacionalnih granica.

Kao što je poznato, vjerovatnoća uspjeha R&D projekata općenito ne prelazi 12-20%, oko 60% projekata dostiže fazu tehničkog završetka, 30% - komercijalni razvoj, a samo 12% je profitabilno.

Karakteristike razvoja istraživanja i komercijalizacije bioloških tehnologija u SAD, Japanu, zemljama EU i Rusiji

SAD. Vodeću poziciju u biotehnologiji u pogledu industrijske proizvodnje biotehnoloških proizvoda, obima prodaje, spoljnotrgovinskog prometa, izdvajanja i obima istraživanja i razvoja zauzimaju Sjedinjene Američke Države, gdje se velika pažnja poklanja razvoju ove oblasti. Do 2003. godine u ovom sektoru bilo je zaposleno preko 198.300 ljudi.

Izdvajanja za ovaj sektor nauke i ekonomije u Sjedinjenim Državama su značajna i iznose preko 20 milijardi dolara. SAD godišnje. Prihodi američke biotehnološke industrije porasli su sa 8 milijardi dolara. 1992. godine na 39 milijardi dolara. 2003. godine

Ova industrija je pod velikom pažnjom vlade. Dakle, u periodu formiranja najnovije biotehnologije i pojave njenih pravaca vezanih za manipulaciju genetskim materijalom, sredinom 70-ih godina. prošlog veka, američki Kongres je posvetio veliku pažnju bezbednosti genetskih istraživanja. Samo u 1977. godini održano je 25 posebnih ročišta i doneseno 16 zakona.

Početkom 90-ih. Fokus se pomjerio na razvoj mjera za poticanje praktične upotrebe biotehnologije za proizvodnju novih proizvoda. Razvoj biotehnologije u Sjedinjenim Državama povezan je s rješavanjem mnogih ključnih problema: pitanja energije, sirovina, hrane i okoliša.

Među biotehnološkim područjima u blizini praktična implementacija ili u fazi industrijskog razvoja, sljedeće:
- biokonverzija solarne energije;
- korištenje mikroorganizama za povećanje prinosa nafte i ispiranje obojenih i rijetkih metala;
- dizajniranje sojeva koji mogu zamijeniti skupe neorganske katalizatore i promijeniti uslove sinteze kako bi se dobila fundamentalno nova jedinjenja;
- upotreba bakterijskih stimulansa rasta biljaka, promjena genotipa žitarica i njihova adaptacija na sazrijevanje u ekstremnim uvjetima (bez oranja, zalijevanja i gnojiva);
- usmjerena biosinteza za efikasnu proizvodnju ciljnih proizvoda (aminokiseline, enzimi, vitamini, antibiotici, aditivi u hrani, farmakološki lijekovi;
- dobijanje novih dijagnostičkih i terapijskih lijekova zasnovanih na metodama ćelijskog i genetskog inženjeringa.

Uloga američkog lidera je zbog visokih izdvajanja državnog i privatnog kapitala za fundamentalna i primijenjena istraživanja. Nacionalna naučna fondacija (NSF), Odeljenja za zdravstvo i ljudske usluge, poljoprivredu, energetiku, hemikalije i Prehrambena industrija, Odbrana, Nacionalna uprava za aeronautiku i svemir (NASA), Unutrašnje poslove. Alokacije se dodjeljuju na programsko-ciljnoj osnovi, tj. Istraživački projekti su subvencionirani i ugovoreni.

Istovremeno, velike industrijske kompanije uspostavljaju poslovne odnose sa univerzitetima i istraživačkim centrima. To doprinosi stvaranju kompleksa u jednom ili drugom području, u rasponu od osnovna istraživanja prije serijske proizvodnje proizvoda i isporuke na tržište. Ovaj „sistem participacije“ omogućava formiranje specijalizovanih fondova sa odgovarajućim stručnim savetima i privlačenje najkvalifikovanijeg kadra.

Prilikom odabira projekata s velikim komercijalnim utjecajem, postalo je korisno koristiti takozvanu „analizu ograničenja“. To vam omogućava da značajno smanjite vrijeme implementacije projekta (u prosjeku sa 7-10 na 2-4 godine) i povećate vjerovatnoću uspjeha na 80%. Koncept „specificiranih ograničenja“ uključuje potencijal uspješne prodaje proizvoda i ostvarivanja profita, povećanje godišnje proizvodnje, konkurentnost proizvoda, potencijalni rizik iz perspektive prodaje, mogućnost restrukturiranja proizvodnje uzimajući u obzir nova dostignuća itd.

Godišnja ukupna potrošnja američke vlade na istraživanje genetskog inženjeringa i biotehnologije iznosi milijarde dolara. Investicije privatnih kompanija znatno premašuju ove brojke. Samo za stvaranje dijagnostičkih i antikancerogenih lijekova godišnje se izdvaja nekoliko milijardi dolara. To su uglavnom sledeće oblasti: metode rekombinacije DNK, proizvodnja hibrida, proizvodnja i upotreba monoklonskih antitela, kultura tkiva i ćelija.

U Sjedinjenim Državama postalo je uobičajeno da kompanije koje ranije nisu bile povezane sa biotehnologijom počnu da kupuju udjele u postojećim kompanijama i grade svoja vlastita biotehnološka preduzeća (Tabela 1.1). To je, na primjer, praksa takvih hemijskih divova kao što su Philips Petrolium, Monsanto, Dow Chemical. Oko 250 hemijskih kompanija trenutno ima interese u biotehnologiji. Tako gigant američke hemijske industrije, kompanija De Pont, ima nekoliko biotehnoloških kompleksa vrijednih 85-150 hiljada dolara. sa osobljem od 700-1.000 ljudi.

Slični kompleksi stvoreni su u okviru Monsanto strukture, štaviše, trenutno se do 75% budžeta (preko 750 miliona dolara) izdvaja za oblast biotehnologije. Fokus ovih kompanija je proizvodnja genetski modifikovanog hormona rasta, kao i niza genetski modifikovanih lekova za veterinu i farmakologiju. Osim toga, firme, zajedno sa univerzitetskim istraživačkim centrima, potpisuju ugovore o zajedničkom istraživanju i razvoju.

Tabela 1.1. Najveći američki koncerni i farmaceutske kompanije koje proizvode medicinske biotehnološke lijekove

Postoji mišljenje da su svi potrebni uslovi za formiranje i razvoj biotehnologije u Sjedinjenim Državama pripremljeni od strane venture businessa. Za velike firme i kompanije, rizično poslovanje je dobro uspostavljena tehnika koja im omogućava da u kraćem vremenskom periodu dođu do novih dostignuća, privlačeći za to male firme i male timove, umesto da to rade sami.

Na primjer, 80-ih godina. General Electric je, uz pomoć malih firmi, počeo da ovladava proizvodnjom biološki aktivnih jedinjenja; samo 1981. godine, njegova raspodela rizika u biotehnologiji iznosila je 3 miliona dolara. Preuzimanje rizika malih firmi pruža velikim kompanijama i korporacijama mehanizam za odabir ekonomski održivih inovacija sa jakim komercijalnim izgledima.

NA. Voinov, T.G. Volova

Biotehnologija kao nauka i sfera proizvodnje. Predmet, ciljevi i zadaci biotehnologije, povezanost sa fundamentalnim disciplinama.

Biotehnologija je tehnološki proces koji koristi biotehnološke sisteme - žive organizme i komponente žive ćelije. Sistemi mogu biti različiti - od mikroba i bakterija do enzima i gena. Biotehnologija je proizvodnja zasnovana na dostignućima savremene nauke: genetsko inženjerstvo, fiziko-hemija enzima, molekularna dijagnostika i molekularna biologija, selekcijska genetika, mikrobiologija, biohemija, antibiotska hemija.

U oblasti proizvodnje lijekovi Biotehnologija istiskuje tradicionalne tehnologije i otvara fundamentalno nove mogućnosti. Biotehnološkim metodama se proizvode genetski modifikovani proteini (interferoni, interleukini, insulin, vakcine protiv hepatitisa, itd.), enzimi, dijagnostički alati (test sistemi za lekove, lekovite supstance, hormone itd.), vitamine, antibiotike, biorazgradivu plastiku, biokompatibilne materijale.

Imunološka biotehnologija, uz pomoć koje se pojedinačne ćelije prepoznaju i izoluju iz mešavina, može se koristiti ne samo direktno u medicini za dijagnostiku i lečenje, već i u naučnim istraživanjima, u farmakološkoj, prehrambenoj i drugim industrijama, a može se koristiti i za dobijanje lekova koje sintetišu ćelije odbrambenog sistema tela.

Trenutno, biotehnološka dostignuća obećavaju u sljedećim industrijama:

U industriji (prehrambena, farmaceutska, hemijska, naftna i gasna) - upotreba biosinteze i biotransformacije novih supstanci na bazi sojeva bakterija i kvasca konstruisanih metodama genetskog inženjeringa sa određenim svojstvima na osnovu mikrobiološke sinteze;

U ekologiji - povećanje efikasnosti ekološki prihvatljive zaštite bilja, razvoj ekološki prihvatljivih tehnologija čišćenja Otpadne vode, reciklaža otpada iz agroindustrijskog kompleksa, projektovanje ekosistema;

U sektoru energetike - upotreba novih izvora bioenergije dobijenih na osnovu mikrobiološke sinteze i simuliranih fotosintetskih procesa, biokonverzija biomase u biogas;

U poljoprivredi - razvoj u oblasti biljne proizvodnje transgenih useva, bioloških sredstava za zaštitu bilja, bakterijskih đubriva, mikrobioloških metoda, rekultivacije zemljišta; u oblasti stočarstva - stvaranje efikasnih preparata za hranu od biljne, mikrobne biomase i poljoprivrednog otpada, reprodukcija životinja na osnovu embriogenetskih metoda;

U medicini - razvoj medicinskih bioloških proizvoda, monoklonskih antitela, dijagnostika, vakcina, razvoj imunobiotehnologije u pravcu povećanja senzitivnosti i specifičnosti imunoeseja za bolesti infektivne i neinfektivne prirode.

U poređenju sa hemijskom tehnologijom, biotehnologija ima sledeće glavne prednosti:

Mogućnost dobijanja specifičnih i jedinstvenih prirodnih supstanci, od kojih se neke (npr. proteini, DNK) još ne mogu dobiti hemijskom sintezom;

Provođenje biotehnoloških procesa na relativno niskim temperaturama i pritiscima;

Mikroorganizmi imaju znatno veće stope rasta i akumulacije ćelijske mase od drugih organizama. Na primjer, uz pomoć mikroorganizama u fermentoru zapremine 300 m 3 može se proizvesti 1 t proteina dnevno (365 t/godišnje). Da biste proizveli istu količinu proteina godišnje koristeći goveda, potrebno je da imate stado od 30.000 grla. Ako koristite mahunarke, kao što je grašak, za postizanje takve stope proizvodnje proteina, morat ćete imati polje graška površine 5400 hektara;

Jeftini poljoprivredni i industrijski otpad može se koristiti kao sirovina u biotehnološkim procesima;

Biotehnološki procesi, u poređenju sa hemijskim, obično su ekološki prihvatljiviji, imaju manje štetnog otpada i bliski su prirodnim procesima koji se dešavaju u prirodi;

Tehnologija i oprema u biotehnološkoj proizvodnji su po pravilu jednostavniji i jeftiniji.

Primarni zadatak biotehnologije je stvaranje i razvoj proizvodnje lijekova za medicinu: interferona, inzulina, hormona, antibiotika, vakcina, monoklonskih antitijela i drugih, koji omogućavaju ranu dijagnostiku i liječenje kardiovaskularnih, malignih, nasljednih, zaraznih bolesti, uključujući virusne. bolesti.

Koncept „biotehnologije“ je kolektivan i pokriva oblasti kao što su tehnologija fermentacije, upotreba biofaktora pomoću imobiliziranih mikroorganizama ili enzima, genetski inženjering, imunološke i proteinske tehnologije, tehnologija koja koristi ćelijske kulture i životinjskog i biljnog porijekla.

Biotehnologija je skup tehnoloških metoda, uključujući genetski inženjering, korišćenje živih organizama i bioloških procesa za proizvodnju lekova, ili nauka o razvoju i primeni živih sistema, kao i neživih sistema biološkog porekla u okviru tehnološki procesi i industrijska proizvodnja.

Moderna biotehnologija je hemija, gdje se promjena i transformacija supstanci odvija kroz biološke procese. U intenzivnoj konkurenciji uspješno se razvijaju dvije hemije: sintetička i biološka.

1. Biološki objekti kao sredstvo za proizvodnju terapijskih, rehabilitacijskih, preventivnih i dijagnostičkih sredstava. Klasifikacija i opšte karakteristike bioloških objekata.

Objekti biotehnologije su virusi, bakterije, gljive - mikromiceti i makromiceti, protozojski organizmi, stanice (tkiva) biljaka, životinja i ljudi, neke biogene i funkcionalno slične tvari (npr. enzimi, prostaglandini, pektini, nukleinske kiseline itd.) . Posljedično, biotehnološki objekti mogu biti predstavljeni organiziranim česticama (virusi), stanicama (tkiva) ili njihovim metabolitima (primarni, sekundarni). Čak i kada se biomolekul koristi kao predmet biotehnologije, njegovu početnu biosintezu u većini slučajeva provode odgovarajuće ćelije. S tim u vezi, možemo reći da se biotehnološki objekti odnose ili na mikrobe ili na biljne i životinjske organizme. Zauzvrat, tijelo se figurativno može okarakterizirati kao sistem ekonomične, složene, kompaktne, samoregulirajuće i stoga ciljane biohemijske proizvodnje, koja postojano i aktivno napreduje uz optimalno održavanje svih potrebnih parametara. Iz ove definicije proizilazi da virusi nisu organizmi, ali po sadržaju molekula nasljednosti, prilagodljivosti, varijabilnosti i nekih drugih svojstava pripadaju predstavnicima žive prirode.

Kao što se može vidjeti iz dijagrama u nastavku, objekti biotehnologije su izuzetno raznoliki, njihov raspon se proteže od organiziranih čestica (virusa) do ljudi.

Trenutno, većina biotehnoloških objekata su mikrobi koji pripadaju tri nadkraljevstva (nenuklearna, prednuklearna, nuklearna) i pet carstava (virusi, bakterije, gljive, biljke i životinje). Štaviše, prva dva nadkraljevstva se sastoje isključivo od mikroba.

Mikrobi među biljkama su mikroskopske alge (Algae), a među životinjama - mikroskopske protozoe (Protozoa). Među eukariote, mikrobi uključuju gljive i, uz određene rezerve, lišajeve, koji su prirodne simbiotske asocijacije mikroskopskih gljiva i mikroalgi ili gljiva i cijanobakterija.

Acaryota - nenuklearna, Procaruota - prednuklearna i Eucaruota - nuklearna (od grčkog a - ne, pro - do, eu - dobro, potpuno, caryota - jezgro). Prvi uključuje organizirane čestice - viruse i viroide, drugi - bakterije, treći - sve ostale organizme (gljive, alge, biljke, životinje).

Mikroorganizmi formiraju ogroman broj sekundarnih metabolita, od kojih se mnogi također koriste, na primjer, antibiotici i drugi korektori homeostaze u stanicama sisara.

Probiotici - preparati na bazi biomase određenih vrsta mikroorganizama koriste se za disbiozu za normalizaciju mikroflore gastrointestinalnog trakta. Mikroorganizmi su takođe potrebni u proizvodnji vakcina. Konačno, mikrobne ćelije se mogu konvertovati pomoću metoda genetskog inženjeringa u proizvođače proteinskih hormona specifičnih za ljude, proteinskih faktora nespecifičnog imuniteta itd.

Više biljke su tradicionalni i do danas najopsežniji izvor lijekova. Pri korištenju biljaka kao bioloških objekata, glavna pažnja je usmjerena na pitanja uzgoja biljnih tkiva na umjetnim podlogama (kalus i suspenzijske kulture) i na nove perspektive koje to otvara.

2. Makrobiološki objekti životinjskog porijekla. Čovjek kao donor i objekt imunizacije. Sisavci, ptice, gmizavci itd.

Posljednjih godina, zbog razvoja tehnologije rekombinantne DNK, značaj takvog biološkog objekta kao što je osoba ubrzano raste, iako se to na prvi pogled čini paradoksalnim.

Međutim, sa stanovišta biotehnologije (koristeći bioreaktore), osoba je postala biološki objekt tek nakon što je shvatila mogućnost kloniranja svoje DNK (tačnije, njenih egzona) u mikrobnim stanicama. Zahvaljujući ovom pristupu, eliminisan je nedostatak sirovina za dobijanje humanih proteina specifičnih za vrstu.

Važni u biotehnologiji su makro objekti, koje uključuju razne životinje i ptice. U slučaju proizvodnje imunološke plazme, osoba djeluje i kao objekt imunizacije.

Za dobijanje različitih vakcina, organi i tkiva, uključujući i embrionalna, raznih životinja i ptica koriste se kao objekti za razmnožavanje virusa: Treba napomenuti da je termin "donator" V u ovom slučaju označava biološki objekt koji opskrbljuje materijalom za proces proizvodnje lijeka bez štetnog djelovanja na vlastitu životnu aktivnost, a pojam "donator"- biološki objekat iz kojeg se ispostavlja da je prikupljanje materijala za proizvodnju lijeka nespojivo sa nastavkom životne aktivnosti.

Od embrionalnih tkiva, tkivo kokošijeg embriona se najviše koristi. Od posebne koristi su pileći embrioni (prema dostupnosti) od deset do dvanaest dana starosti, koji se prvenstveno koriste za reprodukciju virusa i naknadnu proizvodnju virusnih vakcina. Pileće embrione u virološku praksu uveli su 1931. G. M. Woodruff i E. W. Goodpasture. Takvi embriji se preporučuju i za detekciju, identifikaciju i određivanje infektivne doze virusa, za proizvodnju antigenskih preparata koji se koriste u serološkim reakcijama.

Pileća jaja inkubirana na 38°C se ovoskopiraju (svjete), odbacuju se “prozirni” neoplođeni primjerci, a zadržavaju oplođeni, u kojima su jasno vidljivi ispunjeni krvni sudovi korioalantoične membrane i pokreti embrija.

Infekcija embriona može se izvršiti ručno ili automatski. Posljednja metoda se koristi u velikoj proizvodnji, na primjer, cjepiva protiv gripe. Materijal koji sadrži viruse ubrizgava se pomoću šprica (baterije špriceva) u različite dijelove embrija(a).

Sve faze rada sa pilećim embrionima nakon ovoskopije provode se u aseptičnim uslovima. Materijal za infekciju može biti suspenzija zgnječenog moždanog tkiva (u odnosu na virus bjesnoće), jetre, slezine, bubrega (u vezi sa psitakozom klamidijom) itd. Da bi se virusni materijal dekontaminirao od bakterija ili spriječio njegovo bakterijsko kontaminacije, mogu se koristiti odgovarajući antibiotici, na primjer, penicilin sa bilo kojim aminoglikozidom, oko 150 IU svakog po 1 ml suspenzije materijala koji sadrži virus. Za suzbijanje gljivične infekcije embriona preporučljivo je koristiti neke polienske antibiotike (nistatin, amfotericin B) ili određene derivate benzimidazola (npr. daktarin itd.).

Najčešće se suspenzija virusnog materijala ubrizgava u alantoičnu šupljinu ili, rjeđe, na korioalantoičnu membranu u količini od 0,05-0,1 ml, probijajući dezinficiranu školjku (na primjer, jodiranim etanolom) do izračunate dubine. Nakon toga, rupa se zatvara rastopljenim parafinom i embriji se stavljaju u termostat, u koji optimalna temperatura za reprodukciju virusa, na primjer 36-37,5°C. Trajanje inkubacije ovisi o vrsti i aktivnosti virusa. Obično se nakon 2-4 dana može uočiti promjena na membranama, nakon čega slijedi smrt embrija. Inficirani embrioni se prate 1-2 puta dnevno (ovoskopirani, okrenuti na drugu stranu). Mrtvi embrioni se zatim prenose u odjel za prikupljanje virusnog materijala. Tamo se dezinfikuju, alantoična tečnost sa virusom se isisava i prenosi u sterilne posude. Inaktivacija virusa na određenoj temperaturi obično se provodi pomoću formaldehida, fenola ili drugih tvari. Koristeći centrifugiranje velike brzine ili afinitetnu hromatografiju (vidi), moguće je dobiti visoko pročišćene virusne čestice.

Prikupljeni virusni materijal, koji je prošao odgovarajuću kontrolu, suši se zamrzavanjem. Kontroli su podvrgnuti sljedeći pokazatelji: sterilnost, neškodljivost i specifična aktivnost. Što se tiče steriliteta, oni označavaju odsustvo: živog homolognog virusa u ubijenoj vakcini, bakterija i gljivica. Sigurnost i specifična aktivnost se procjenjuju na životinjama i tek nakon toga se vakcina može testirati na dobrovoljcima ili volonterima; poslije uspješna implementacija Nakon kliničkog ispitivanja, vakcina je dozvoljena za upotrebu u širokoj medicinskoj praksi.

Na pilećim embrionima, npr. live vakcina protiv gripa. Namijenjen je za intranazalnu primjenu (osobe starije od 16 godina i djeca od 3 do 15 godina). Vakcina je osušena alantoična tečnost uzeta iz pilećih embriona zaraženih virusom. Vrsta virusa se bira prema epidemiološkoj situaciji i prognozama. Stoga se lijekovi mogu proizvoditi u obliku monovakcine ili divakcine (na primjer, uključujući viruse A2 i B) u ampulama sa 20 i 8 doza vakcinacije za relevantne grupe stanovništva. Osušena masa u ampulama obično ima svijetložutu boju, koja ostaje i nakon što se sadržaj ampule otopi u prokuhanoj, ohlađenoj vodi.

Žive vakcine protiv gripa za odrasle i djecu također se pripremaju za oralnu primjenu. Takve vakcine su posebni vakcinalni sojevi, čija se reprodukcija odvijala u roku od 5-15 pasaža (ni manje ni više) na kulturi bubrežnog tkiva pilećih embriona. Proizvode se u suvom obliku u bocama. Kada se otopi u vodi, boja se mijenja od svijetložute do crvenkaste.

Ostale virusne vakcine proizvedene na pilećim embrionima uključuju anti-zauške i žutu groznicu.

Ostala embrionalna tkiva uključuju embrije miševa ili drugih sisara, kao i pobačene ljudske fetuse.

Embrionalna transplantabilna tkiva dostupna su nakon tretmana tripsinom, budući da se velika količina međustaničnih supstanci (uključujući neproteinske prirode) još nije formirala u takvim tkivima. Ćelije se odvajaju i nakon potrebnih tretmana uzgajaju u posebnim podlogama u monosloju ili u suspendiranom stanju.

Tkiva izolirana od životinja nakon rođenja klasificiraju se kao zrelo.Što su stariji, teže ih je uzgajati. Međutim, nakon uspješnog uzgoja, one se onda "izravnaju" i ne razlikuju se mnogo od embrionalnih stanica.

Osim dječje paralize, za morbile se provodi i specifična profilaksa živim vakcinama. Živa suha vakcina protiv malih boginja napravljeni su od vakcinalnog soja, čija je reprodukcija izvršena na ćelijskim kulturama bubrega zamorca ili fibroblasta japanske prepelice.

3. Biološki objekti biljnog porijekla. Divlje biljke i kulture biljnih ćelija.

Biljke karakteriziraju: sposobnost fotosinteze, prisustvo celuloze i biosinteza škroba.

Alge su važan izvor različitih polisaharida i drugih biološki aktivnih supstanci. Razmnožavaju se vegetativno, aseksualno i spolno. Kao biološki objekti, nedovoljno se koriste, iako se, na primjer, kelp pod nazivom morska trava proizvodi u industriji u raznim zemljama. Agar-agar i alginati dobijeni iz algi su dobro poznati.

Ćelije viših biljaka. Više biljke (oko 300.000 vrsta) su diferencirani višećelijski, uglavnom kopneni organizmi. Od svih tkiva samo meristematska su sposobna za podjelu i na njihov račun nastaju sva ostala tkiva. Ovo je važno za dobijanje ćelija koje se potom moraju uključiti u biotehnološki proces.

Meristemske stanice koje se zadržavaju u embrionalnoj fazi razvoja tijekom cijelog života biljke nazivaju se početnim; druge se postupno diferenciraju i pretvaraju u stanice različitih trajnih tkiva - terminalne stanice.

U zavisnosti od topologije u biljci, meristemi se dijele na apikalne, odnosno apikalne (lat. arex - vrh), lateralne ili bočne (od lat. lateralis - bočni) i srednje, odnosno interkalarne (od lat. Intercalaris - srednji, umetnuti .

Totipotencija- to je svojstvo biljnih somatskih ćelija da u potpunosti ostvare svoj razvojni potencijal sve do formiranja cijele biljke.

Bilo koja vrsta biljke može, pod odgovarajućim uslovima, proizvesti neorganizovanu masu ćelija koje se dele - kalus (lat. callus - kalus), posebno pod indukujućim uticajem biljnih hormona. Masovna proizvodnja kalusa sa daljom regeneracijom izdanaka pogodna je za masovnu biljnu proizvodnju. Općenito, kalus je glavna vrsta biljnih stanica uzgajanih na hranljivom mediju. Kalusno tkivo bilo koje biljke može se rekultivirati dugo vremena. U ovom slučaju, početne biljke (uključujući meristematske) su diferencirane i despecijalizirane, ali su inducirane na podjelu, formirajući primarni kalus.

Osim uzgoja kalusa, moguće je uzgajati ćelije nekih biljaka u suspenzijskim kulturama. Čini se da su i protoplasti biljnih ćelija važni biološki objekti. Metode za njihovo dobivanje su u osnovi slične metodama za dobivanje bakterijskih i gljivičnih protoplasta. Naknadni eksperimenti bazirani na ćelijama s njima su primamljivi zbog mogućih vrijednih rezultata.

4. Biološki objekti - mikroorganizmi. Glavne grupe dobijenih biološki aktivnih supstanci.

Objekti biotehnologije su virusi, bakterije, gljive - mikromiceti i makromiceti, protozojski organizmi, stanice (tkiva) biljaka, životinja i ljudi, neke biogene i funkcionalno slične tvari (npr. enzimi, prostaglandini, lektini, nukleinske kiseline itd.) . Posljedično, biotehnološki objekti mogu biti predstavljeni organiziranim česticama (virusi), stanicama (tkiva) ili njihovim metabolitima (primarni, sekundarni). Čak i kada se biomolekul koristi kao predmet biotehnologije, njegovu početnu biosintezu u većini slučajeva provode odgovarajuće ćelije. S tim u vezi, možemo reći da se biotehnološki objekti odnose ili na mikrobe ili na biljne i životinjske organizme. Zauzvrat, tijelo se figurativno može okarakterizirati kao sistem ekonomične, složene, kompaktne, samoregulirajuće i stoga ciljane biohemijske proizvodnje, koja postojano i aktivno napreduje uz optimalno održavanje svih potrebnih parametara. Iz ove definicije proizilazi da virusi nisu organizmi, ali po sadržaju molekula nasljednosti, prilagodljivosti, varijabilnosti i nekih drugih svojstava pripadaju predstavnicima žive prirode.

Ćelije gljiva, algi, biljaka i životinja imaju pravo jezgro, odvojeno od citoplazme, te se stoga svrstavaju u eukariote.

5. Biološki objekti - makromolekule sa enzimskom aktivnošću. Upotreba u biotehnološkim procesima.

IN U poslednje vreme grupa enzimskih preparata dobila je novi smjer primjene - to je inženjerska enzimologija, koja je grana biotehnologije u kojoj je biološki objekt enzim.

Organoterapija, tj. liječenje organima i preparatima iz organa, tkiva i izlučevina životinja, dugo je počivalo na dubokom empirizmu i kontradiktornim idejama, zauzimajući istaknuto mjesto u medicini svih vremena i naroda. Tek u drugoj polovini 19. veka, kao rezultat uspeha biološke i organske hemije i razvoja eksperimentalne fiziologije, organoterapija postaje naučno utemeljena. Ovo je povezano s imenom francuskog fiziologa Brown-Séquarda. Posebnu pažnju privukao je rad Brown-Séquard-a povezan sa uvođenjem u ljudsko tijelo ekstrakata iz testisa bika, koji je imao pozitivan uticaj na performanse i dobrobit.

Prvi zvanični lijekovi (GF VII) bili su adrenalin, inzulin, pituitrin, pepsin i pankreatin. Nakon toga, kao rezultat opsežnog istraživanja sovjetskih endokrinologa i farmakologa, pokazalo se da je moguće dosljedno proširiti raspon službenih i neslužbenih pripravaka organa.

Međutim, neke aminokiseline se dobivaju kemijskom sintezom, na primjer, glicin, kao i D-, L-metionin, čiji je D-izomer nisko toksičan, stoga medicinski preparat na bazi metionina sadrži D- i L- oblici, iako se lijek koristi u medicini u inostranstvu i sadrži samo L-oblik metionina. Tamo se racemska smjesa metionina odvaja biokonverzijom D-forme u L-formu pod utjecajem posebnih enzima živih stanica mikroorganizama.

Imobilizirani enzimski preparati imaju niz značajnih prednosti kada se koriste u primijenjene svrhe u odnosu na nativne prekursore. Prvo, heterogeni katalizator se lako odvaja od reakcionog medija, što omogućava: a) zaustavljanje reakcije u pravo vrijeme; b) ponovo koristiti katalizator; c) dobiti proizvod koji nije kontaminiran enzimom. Ovo posljednje je posebno važno u nizu prehrambenih i farmaceutskih industrija.

Drugo, upotreba heterogenih katalizatora omogućava da se enzimski proces izvodi kontinuirano, na primjer u protočnim kolonama, i da se brzina katalizirane reakcije, kao i prinos proizvoda, kontrolira promjenom brzine protoka.

Treće, imobilizacija ili modifikacija enzima doprinosi ciljanoj promjeni svojstava katalizatora, uključujući njegovu specifičnost (posebno u odnosu na makromolekularne supstrate), ovisnost katalitičke aktivnosti o pH, ionskom sastavu i drugim parametrima okoliša i, što je vrlo važno , njegovu stabilnost u odnosu na različite vrste denaturirajućih utjecaja. Napominjemo da je to veliki doprinos razvoju opšti principi stabilizaciju enzima uradili su sovjetski istraživači.

Četvrto, imobilizacija enzima omogućava regulaciju njihove katalitičke aktivnosti promjenom svojstava nosača pod utjecajem određenih fizičkih faktora, poput svjetlosti ili zvuka. Na osnovu toga nastaju mehanički i zvučno osjetljivi senzori, pojačivači slabih signala i fotografski procesi bez srebra.

Kao rezultat uvođenja nove klase bioorganskih katalizatora - imobiliziranih enzima, otvorili su se novi, do tada nedostupni razvojni putevi za primijenjenu enzimologiju. Samo nabrajanje područja u kojima se koriste imobilizirani enzimi moglo bi zauzeti mnogo prostora.

6. Pravci poboljšanja bioloških objekata metodama selekcije i mutageneze. Mutageni. Klasifikacija. Karakteristično. Mehanizam njihovog djelovanja.

Da su mutacije primarni izvor varijabilnosti u organizmima, stvarajući osnovu za evoluciju. Međutim, u drugoj polovini 19.st. Otkriven je još jedan izvor varijabilnosti za mikroorganizme - prijenos stranih gena - svojevrsni "genetski inženjering prirode".

Dugo vremena se koncept mutacije pripisivao samo hromozomima u prokariota i hromozomima (nukleusima) kod eukariota. Trenutno se, pored kromosomskih mutacija, pojavio i koncept citoplazmatskih mutacija (plazmid - kod prokariota, mitohondrijski i plazmid - kod eukariota).

Mutacije mogu biti uzrokovane i preuređivanjem replikona (promjenom broja i redoslijeda gena u njemu) i promjenama unutar pojedinačnog gena.

U odnosu na bilo koji biološki objekt, a posebno često kod mikroorganizama, otkrivaju se takozvane spontane mutacije koje se nalaze u populaciji ćelija bez posebnog uticaja na nju.

Na osnovu ozbiljnosti gotovo bilo koje karakteristike, ćelije u mikrobnoj populaciji formiraju niz varijacija. Većina ćelija ima prosječnu ekspresiju osobine. Odstupanja “+” i “–” od prosječne vrijednosti su rjeđa u populaciji, što je veća odstupanja u bilo kojem smjeru (slika I). Početni, najjednostavniji pristup poboljšanju biološkog objekta bio je odabir odstupanja “+” (pod pretpostavkom da ta odstupanja odgovaraju interesima proizvodnje). U novom klonu (genetski homogeno potomstvo jedne ćelije; na čvrstoj podlozi - kolonija), dobijenom iz ćelije sa „+“ devijacijom, selekcija je ponovo izvršena po istom principu. Međutim, ovaj postupak, kada se ponovi nekoliko puta, brzo gubi na djelotvornosti, odnosno odstupanja „+“ postaju sve manja u novim klonovima.

Mutageneza se provodi kada se biološki objekt tretira fizičkim ili kemijskim mutagenima. U prvom slučaju, u pravilu, to su ultraljubičasto, gama i rendgensko zračenje; u drugom - nitrozometilurea, nitrozoguanidin, akridinske boje, neke prirodne supstance (na primjer, iz DNK-tropskih antibiotika zbog njihove toksičnosti za zarazne bolesti koje se ne koriste u kliničkoj praksi). Mehanizam djelovanja i fizičkih i kemijskih mutagena povezan je s njihovim direktnim djelovanjem na DNK (prvenstveno na dušične baze DNK, što se izražava u umrežavanju, dimerizaciji, alkilaciji potonjih, interkalaciji između njih).

Podrazumijeva se, naravno, da šteta ne dovodi do smrti. Dakle, nakon tretiranja biološkog objekta mutagenima (fizičkim ili kemijskim), njihovo djelovanje na DNK dovodi do čestih nasljednih promjena već na nivou fenotipa (određenih njegovih svojstava). Sljedeći zadatak je odabrati i procijeniti mutacije koje su potrebne biotehnologu. Za njihovu identifikaciju tretirana kultura se sije na čvrste hranljive podloge različitog sastava, prethodno razrijeđene na način da nema kontinuiranog rasta na čvrstoj podlozi, već se formiraju zasebne kolonije koje nastaju tijekom reprodukcije pojedinačnih stanica. Zatim se svaka kolonija subkulturi, a rezultirajuća kultura (klon) provjerava određene karakteristike u odnosu na originalnu. Ovaj selekcijski dio posla u cjelini je vrlo radno intenzivan, iako se tehnike za povećanje njegove efikasnosti stalno usavršavaju.

Dakle, promjenom sastava čvrstih hranjivih podloga na kojima rastu kolonije, mogu se odmah dobiti početne informacije o svojstvima ćelija ove kolonije u odnosu na ćelije izvorne kulture. Za sjemenje klonova sa različitim metaboličkim karakteristikama koristi se tzv. “metoda otiska prsta”, koju su razvili J. Lederberg i E. Lederberg. Populacija mikrobnih ćelija uzgaja se tako da na Petrijevoj posudi sa hranljivim medijumom raste oko stotinu kolonija i jasno su odvojene. Velvet se stavlja na metalni cilindar prečnika približnog prečniku Petrijeve posude; sve se potom steriliše, stvarajući tako “sterilno baršunasto dno” cilindra. Zatim nanesite ovo dno na površinu podloge u čaši na kojoj su izrasle kolonije. U ovom slučaju, kolonije kao da se „utiskuju“ na somot. Ovaj baršun se zatim nanosi na površinu medija različitih sastava. Na ovaj način moguće je ustanoviti: koja od kolonija u originalnoj posudi (na baršunu, lokacija kolonija odražava njihov položaj na površini čvrstog medija u originalnoj posudi) odgovara, na primjer, mutantu zahtijevaju određeni vitamin ili određenu aminokiselinu; ili koja se kolonija sastoji od mutantnih stanica sposobnih za proizvodnju enzima koji oksidira određeni supstrat; ili koja se kolonija sastoji od ćelija koje su postale otporne na određeni antibiotik, itd.

Prije svega, biotehnologa zanimaju mutantne kulture koje imaju povećanu sposobnost formiranja ciljnog proizvoda. Proizvođač ciljane supstance, u praktičnom smislu najperspektivniji, može se više puta tretirati različitim mutagenima. Novi mutantni sojevi dobijeni u naučnim laboratorijama različite zemlje svijetu, služe kao predmet razmjene u kreativnoj saradnji, licenciranoj prodaji itd.

Potencijal mutageneze (sa naknadnom selekcijom) je posljedica ovisnosti biosinteze ciljnog proizvoda o mnogim metaboličkim procesima u tijelu proizvođača. Na primjer, može se očekivati povećana aktivnost organizma koji formira ciljni proizvod ako mutacija dovede do dupliciranja (udvostručavanja) ili amplifikacije (umnožavanja) strukturnih gena uključenih u sistem za sintezu ciljnog proizvoda. Daljnja aktivnost može se povećati ako se, zbog različitih vrsta mutacija, potisnu funkcije gena represora koji reguliraju sintezu ciljnog proizvoda. Veoma efikasan način da se poveća formiranje ciljnog proizvoda je da se poremeti sistem retroinhibicije. Takođe je moguće povećati aktivnost proizvođača promenom (zbog mutacija) sistema transporta prekursora ciljnog proizvoda u ćeliju. Konačno, ponekad ciljni proizvod, uz naglo povećanje njegovog formiranja, negativno utječe na održivost vlastitog proizvođača (tzv. samoubilački učinak). Povećanje otpornosti proizvođača na supstancu koju proizvodi često je potrebno da bi se dobili, na primjer, superproizvođači antibiotika.

Pored umnožavanja i amplifikacije strukturnih gena, mutacije mogu biti prirode delecije – „brisanja“, tj. “gubitak” dijela genetskog materijala. Mutacije mogu biti uzrokovane transpozicijom (umetanje dijela hromozoma na novu lokaciju) ili inverzijom (promjenom redoslijeda gena na hromozomu). U ovom slučaju, genom mutantnog organizma prolazi kroz promjene, što u nekim slučajevima dovodi do gubitka određene osobine od strane mutanta, au drugim do pojave nove osobine. Geni na novim mestima su pod kontrolom drugih regulatornih sistema. Osim toga, hibridni proteini neuobičajeni za izvorni organizam mogu se pojaviti u mutantnim stanicama zbog činjenice da su polinukleotidni lanci dva (ili više) strukturnih gena koji su prethodno bili udaljeni jedan od drugog pod kontrolom jednog promotora.

Takozvane “tačkaste” mutacije također mogu biti od velike važnosti za biotehnološku proizvodnju. U ovom slučaju promjene se dešavaju unutar samo jednog gena. Na primjer, gubitak ili umetanje jedne ili više baza.“Tačkaste” mutacije uključuju transverziju (kada je purin zamijenjen pirimidinom) i tranziciju (jedan purin je zamijenjen drugim purinom ili jedan pirimidin drugim pirimidinom). Supstitucije u jednom paru nukleotida (minimalne supstitucije) tokom prijenosa genetskog koda u fazi translacije dovode do pojave jedne aminokiseline u kodiranom proteinu umjesto druge. To može dramatično promijeniti konformaciju datog proteina i, shodno tome, njegovu funkcionalnu aktivnost, posebno u slučaju zamjene aminokiselinskog ostatka u aktivnom ili alosteričnom centru.

Jedan od najsjajnijih primjera efikasnosti mutageneze praćen selekcijom za povećanje formiranja ciljnog proizvoda je istorija stvaranja modernih superproizvođača penicilina. Rad sa početnim biološkim objektima - sojevima (soj je klonska kultura čija homogenost određene znakove podržano selekcijom) gljive Penicillium chrysogenum izolovane iz prirodnih izvora, provodi se od 1940-ih. nekoliko decenija u mnogim laboratorijama. U početku je postignut određeni uspjeh u odabiru mutanata koji su rezultat spontanih mutacija. Zatim su prešli na izazivanje mutacija fizičkim i hemijskim mutagenima. Kao rezultat niza uspješnih mutacija i postepene selekcije sve produktivnijih mutanata, aktivnost sojeva Penicillium chrysogenum koji se koriste u industriji zemalja u kojima se proizvodi penicilin sada je 100 hiljada puta veća od one originalnog soja koji je otkrio A. Fleming. , od kojeg je počela istorija otkrića penicilina.

Industrijski sojevi (u odnosu na biotehnološku proizvodnju) sa tako visokom produktivnošću (ovo se ne odnosi samo na penicilin, već i na druge ciljne proizvode) izuzetno su nestabilni zbog činjenice da su brojne umjetne promjene u genomu ćelija soja u sebi nemaju pozitivan uticaj na vitalnost ovih ćelija. Stoga, mutantni sojevi zahtijevaju stalno praćenje tokom skladištenja: ćelijska populacija se stavlja na čvrsti medij, a kulture dobijene iz pojedinačnih kolonija se testiraju na produktivnost. U ovom slučaju, revertanti - kulture sa smanjenom aktivnošću - se odbacuju. Reverzija se objašnjava obrnutim spontanim mutacijama koje dovode do vraćanja dijela genoma (specifičnog fragmenta DNK) u prvobitno stanje. Posebni sistemi za popravku enzima uključeni su u vraćanje na normu - u evolutivni mehanizam održavanja postojanosti vrste.

Poboljšanje bioloških objekata u odnosu na proizvodnju nije ograničeno na povećanje njihove produktivnosti. Iako je ovaj pravac nesumnjivo glavni, ne može biti jedini: uspješan rad biotehnološke proizvodnje determinisan je mnogim faktorima. Sa ekonomske tačke gledišta, vrlo je važno dobiti mutante koji bi mogli koristiti jeftinije i manje oskudne hranljive podloge. Ako za rad u istraživačkoj laboratoriji skupi mediji ne stvaraju posebne financijske probleme, onda je za veliku proizvodnju izuzetno važno smanjenje njihove cijene (iako bez povećanja razine aktivnosti proizvođača).

Drugi primjer: u slučaju nekih bioloških objekata, tečnost kulture nakon završetka fermentacije ima tehnološki nepovoljna reološka svojstva. Zbog toga u radnji za izolaciju i prečišćavanje ciljnog proizvoda, radeći sa tečnošću kulture visokog viskoziteta, nailaze na poteškoće pri upotrebi separatora, filter preša itd. Mutacije koje na odgovarajući način mijenjaju metabolizam biološkog objekta u velikoj mjeri eliminiraju ove poteškoće.

Proizvodnja bioloških objekata otpornih na fage je od velikog značaja u smislu garantovanja pouzdanosti proizvodnje. Poštivanje aseptičnih uslova tokom fermentacije prvenstveno se odnosi na sprečavanje ulaska ćelija i spora stranih bakterija i vlakana (u ređim slučajevima algi i protozoa) u sjemenski materijal (kao i u aparat za fermentaciju). Izuzetno je teško spriječiti da fagi uđu u fermentor zajedno sa procesnim zrakom koji se sterilizira filtracijom. Nije slučajno što su viruse u prvim godinama nakon otkrića nazivali „filtrirajućim“. Stoga je glavni način borbe protiv bakteriofaga, aktinofaga i faga koji inficiraju gljive dobivanje mutantnih oblika bioloških objekata koji su otporni na njih.

Ne dotičući se posebnih slučajeva rada sa biološkim objektima-patogenima, treba naglasiti da ponekad zadatak poboljšanja bioloških objekata proizlazi iz zahtjeva industrijske higijene. Na primjer, proizvođač jednog od važnih betalaktamskih antibiotika izoliranih iz prirodnog izvora značajan iznos formirane isparljive tvari s neugodnim mirisom trulog povrća.

Mutacije koje dovode do uklanjanja gena koji kodiraju enzime uključene u sintezu ovih hlapljivih supstanci su u ovom slučaju dobile praktični značaj za proizvodnju.

Iz svega navedenog proizilazi da je moderni biološki objekt koji se koristi u biotehnološkoj industriji superproizvođač, koji se od izvornog prirodnog soja razlikuje ne po jednom, već, u pravilu, po nekoliko pokazatelja. Čuvanje takvih superproducirajućih sojeva predstavlja ozbiljan nezavisan problem. Uz sve metode skladištenja, moraju se periodično ponovo zasijavati i provjeravati kako na produktivnost, tako i na druga svojstva važna za proizvodnju.

U slučaju korištenja viših biljaka i životinja kao bioloških objekata za proizvodnju lijekova, mogućnosti korištenja mutageneze i selekcije za njihovo poboljšanje su ograničene. Međutim, u principu, mutageneza i selekcija ovdje nisu isključeni. To se posebno odnosi na biljke koje stvaraju sekundarne metabolite koji se koriste kao ljekovite tvari.

7. Pravci stvaranja novih bioloških objekata metodama genetskog inženjeringa. Osnovni nivoi genetskog inženjeringa. Karakteristično.

Metodama genetskog inženjeringa moguće je prema određenom planu konstruisati nove forme mikroorganizama sposobne da sintetiziraju širok spektar proizvoda, uključujući proizvode životinjskog i biljnog porijekla, pri čemu treba voditi računa o visokim stopama rasta i produktivnost mikroorganizama, njihova sposobnost da koriste različite vrste sirovina. Mogućnost mikrobiološke sinteze humanih proteina otvara široke perspektive za biotehnologiju: na taj način se dobijaju somatostatin, interferoni, insulin i hormon rasta.

Glavni problemi na putu dizajniranja novih mikroorganizama-proizvođača svode se na sljedeće.

1. Genski proizvodi biljnog, životinjskog i ljudskog porijekla ulaze u intracelularno okruženje koje im je strano, gdje ih uništavaju mikrobne proteaze. Kratki peptidi kao što je somatostatin hidroliziraju se posebno brzo, u roku od nekoliko minuta. Strategija zaštite genetski modifikovanih proteina u mikrobnoj ćeliji svodi se na: a) upotrebu inhibitora proteaze; Tako se prinos humanog interferona povećao 4 puta kada je fragment DNK T4 faga sa genom uveden u plazmid koji nosi gen za interferon. igla, odgovoran za sintezu inhibitora proteaze; b) dobijanje peptida od interesa kao dela hibridnog proteinskog molekula, u tu svrhu se peptidni gen umreži sa prirodnim genom organizma primaoca; najčešće se koristi gen za protein A Staphylococcus aureus\ c) amplifikacija (povećanje broja kopija) gena; višestruko ponavljanje humanog proinzulinskog gena kao dijela plazmida dovelo je do sinteze u ćeliji E. coli multimer ovog proteina, za koji se pokazalo da je mnogo stabilniji na djelovanje intracelularnih proteaza od monomernog proinzulina. Problem stabilizacije stranih proteina u ćelijama još nije dovoljno proučavan (V.I. Tanyashin, 1985).

2. U većini slučajeva, transplantirani genski proizvod se ne oslobađa u medijum kulture i akumulira se unutar ćelije, što značajno otežava njenu izolaciju. Tako je prihvaćena metoda proizvodnje inzulina korištenjem E. coli uključuje uništavanje stanica i naknadno pročišćavanje inzulina. U tom smislu, veliki značaj pridaje se transplantaciji gena odgovornih za izlučivanje proteina iz ćelija. Postoje informacije o novoj metodi genetski modifikovane sinteze insulina, koji se oslobađa u medijum kulture (M. Sun, 1983).

Opravdano je i preorijentacija biotehnologa sa njihovog omiljenog predmeta genetskog inženjeringa E. coli na druge biološke objekte. E. coli izlučuje relativno malo proteina. Osim toga, stanični zid ove bakterije sadrži toksičnu supstancu zvanu endokotin, koja se mora pažljivo odvojiti od proizvoda koji se koriste u farmakološke svrhe. Gram-pozitivne bakterije (predstavnici rodova Bacillus, Staphylococcus, Streptomyces). Posebno Bas. subtilis oslobađa više od 50 različitih proteina u medijum kulture (S. Vard, 1984). To uključuje enzime, insekticide i antibiotike. Eukariotski organizmi također obećavaju. Imaju brojne prednosti, a posebno se interferon kvasca sintetizira u glikoliziranom obliku, kao nativni ljudski protein (za razliku od interferona sintetiziranog u stanicama E. coti).

3. Većina nasljednih osobina je kodirana sa nekoliko gena, a razvoj genetskog inženjeringa treba da uključuje faze sekvencijalne transplantacije svakog od gena. Primjer implementiranog multigenskog projekta je stvaranje soja Pseudomonas sp., sposoban za iskorištavanje sirove nafte. Uz pomoć plazmida, soj je sukcesivno obogaćen genima za enzime koji razgrađuju oktan, kamfor, ksilen i naftalen (V. G. Debabov, 1982). U nekim slučajevima moguća je ne sekvencijalna, već simultana transplantacija cijelih blokova gena pomoću jednog plazmida. Kao dio jednog plazmida, nif operon se može prenijeti u ćeliju primaoca Klebsiella pneumonia odgovoran za fiksaciju azota. Sposobnost tijela da fiksira dušik određena je prisustvom najmanje 17 različitih gena odgovornih kako za strukturne komponente kompleksa nitrogenaze tako i za regulaciju njihove sinteze.

Genetski inženjering biljaka se provodi na nivou organizma, tkiva i ćelije. Pokazana mogućnost, iako za nekoliko vrsta (paradajz, duvan, lucerka), regeneracije čitavog organizma iz jedne ćelije naglo je povećala interesovanje za genetski inženjering biljaka. Međutim, ovdje je, osim čisto tehničkih, potrebno riješiti probleme povezane s narušavanjem strukture genoma (promjene u ploidnosti, kromosomski preustroj) kultiviranih biljnih stanica. Primjer implementiranog projekta genetskog inženjeringa je sinteza fazaolina, proteina za skladištenje pasulja, u regeneriranim biljkama duhana. Transplantacija gena odgovornog za sintezu fazaolina izvršena je korišćenjem Ti plazmida kao vektora. Koristeći Ti plazmid, gen za otpornost na antibiotik neomicin je također presađen u biljke duhana, a pomoću CMV virusa gen za otpornost na inhibitor dihidrofolat reduktaze metotreksat presađen je u biljke repe.

Genetski inženjering biljaka uključuje manipulacije ne samo sa nuklearnim genomom ćelija, već i sa genomom hloroplasta i mitohondrija. Upravo je u genom kloroplasta najpoželjnije uvesti gen za fiksaciju dušika kako bi se eliminirala potreba biljaka za dušičnim gnojivima. Dva plazmida (S-1 i S-2) pronađena su u mitohondrijima kukuruza, uzrokujući citoplazmatski muški sterilitet. Ako oplemenjivači treba da "zabrane" kukuruzu da se samooprašuje i dozvoli samo unakrsno oprašivanje, možda se neće truditi da ručno uklone prašnike ako za oplodnju odaberu citoplazmatski muške sterilne biljke. Takve biljke se mogu razvijati dugotrajnom selekcijom, ali genetski inženjering nudi bržu i ciljaniju metodu - direktno uvođenje plazmida u mitohondrije ćelija kukuruza. Razvoj u oblasti genetskog inženjeringa biljaka trebao bi uključiti i genetsku modifikaciju biljnih simbionta - nodulnih bakterija roda Rhizobium. Pretpostavlja se da se u ćelije ovih bakterija unosi pomoću plazmida hup(uptake vodonika) - gen koji prirodno postoji samo u nekim sojevima R. japonicum I R. leguminosarum. Nir-gen određuje apsorpciju i korištenje plinovitog vodika koji se oslobađa tijekom funkcionisanja kompleksa enzima koji fiksiraju dušik kvržičnih bakterija. Reciklizacija vodika izbjegava gubitak redukcijskih ekvivalenata tokom simbiotske fiksacije dušika u nodulama mahunarke i značajno povećati produktivnost ovih biljaka.

Upotreba metoda genetskog inženjeringa za poboljšanje pasmina domaćih životinja ostaje daleki cilj. Riječ je o povećanju efikasnosti upotrebe stočne hrane, povećanju plodnosti, prinosu mlijeka i jaja, otpornosti životinja na bolesti, ubrzanju njihovog rasta, poboljšanju kvaliteta mesa. Međutim, genetika svih ovih osobina kod domaćih životinja još nije razjašnjena, što otežava pokušaje genetske manipulacije na ovom području.

8. Ćelijski inženjering i njegova upotreba u stvaranju mikroorganizama i biljnih ćelija. Metoda fuzije protoplasta.

Ćelijsko inženjerstvo je jedno od najvažnijih područja u biotehnologiji. Temelji se na korištenju fundamentalno novog objekta - izolirane kulture stanica ili tkiva eukariotskih organizama, kao i na totipotentnosti - jedinstvenom svojstvu biljnih stanica. Upotreba ovog objekta otkrila je velike mogućnosti u rješavanju globalnih teorijskih i praktičnih problema. U polju fundamentalnih nauka postalo je izvodljivo proučavati tako složene probleme kao što su interakcija ćelija u tkivima, diferencijacija ćelija, morfogeneza, implementacija ćelijske totipotencije, mehanizmi pojave ćelija raka itd. Prilikom rešavanja praktičnih problema, Glavna pažnja posvećena je pitanjima selekcije, dobijanja značajnih količina biološki vrijednih metabolita biljnog porijekla, posebno jeftinijih lijekova, kao i uzgoju zdravih biljaka bez virusa, njihovom klonskom razmnožavanju itd.

Godine 1955., nakon otkrića F. Skooga i S. Millera nove klase fitohormona - citokinina - ispostavilo se da kada djeluju zajedno s drugom klasom fitohormona - auksinima - postaje moguće stimulirati diobu stanica, održavati rast kalusnog tkiva i indukuju morfogenezu u kontrolisanim uslovima.

Godine 1959. predložena je metoda za uzgoj velikih masa ćelijskih suspenzija. Važan događaj je razvoj metode za dobijanje izolovanih protoplasta od strane E. Cockinga (Univerzitet Nottingham, UK) 1960. godine. To je poslužilo kao poticaj za proizvodnju somatskih hibrida, uvođenje virusne RNK, ćelijskih organela i prokariotskih stanica u protoplaste. U isto vrijeme, J. Morel i R. G. Butenko predložili su metodu klonske mikropropagacije, koja je odmah našla široku praktičnu primjenu. Veoma važan napredak u razvoju tehnologija za kultivaciju izolovanih tkiva i ćelija bila je kultivacija jedne ćelije pomoću tkiva „dadilje“. Ova metoda je razvijena u Rusiji 1969. godine na Institutu za fiziologiju biljaka po imenu. K. A. Timiryazev RAS pod vodstvom R. G. Butenka. Poslednjih decenija, brz napredak u tehnologijama ćelijskog inženjeringa je nastavljen, što je omogućilo značajno olakšanje uzgoja. Ostvaren je veliki napredak u razvoju metoda za proizvodnju transgenih biljaka, tehnologija korišćenja izolovanih tkiva i ćelija zeljastih biljaka, a započeta je i kultivacija tkiva drvenastih biljaka.

Termin “izolovani protoplasti” prvi je predložio D. Hanstein 1880. Protoplast u cijeloj ćeliji se može uočiti tokom plazmolize. Izolovani protoplast je sadržaj biljne ćelije okružene plazmalemom. Ova formacija nema celulozni zid. Izolirani protoplasti su jedan od najvrednijih objekata u biotehnologiji. Oni omogućavaju proučavanje različitih svojstava membrana, kao i transporta supstanci kroz plazmalemu. Njihova glavna prednost je što je prilično lako uvesti genetske informacije iz organela i stanica drugih biljaka, prokariotskih organizama i životinjskih stanica u izolirane protoplaste. E. Cocking je ustanovio da je izolirani protoplast, zahvaljujući mehanizmu pinocitoze, sposoban apsorbirati iz okoline ne samo tvari male molekularne težine, već i velike molekule, čestice (viruse) pa čak i izolirane organele.

Od velikog značaja u stvaranju novih biljnih oblika za proučavanje interakcije nuklearnog genoma i genoma organela je sposobnost izolovanih protoplasta da se spajaju, formirajući hibridne ćelije. Na ovaj način je moguće dobiti hibride od biljaka različitog stepena taksonomske udaljenosti, ali vrijednih ekonomskih kvaliteta.

Protoplaste je prvi izolovao J. Klerner 1892. dok je proučavao plazmolizu u ćelijama listova telores (Stratiotes aloides) tokom mehaničko oštećenje tkanine. Stoga se ova metoda naziva mehaničkom. Omogućava vam samo isticanje veliki broj protoplasti (proizvodnja nije moguća iz svih vrsta tkiva); sama metoda je duga i radno intenzivna. Moderna metoda izolacije protoplasta uključuje uklanjanje stanične stijenke korištenjem korak po korak enzima za njegovo uništavanje: celulaze, hemicelulaze, pektinaze. Ova metoda se naziva enzimska.

Prvu uspješnu izolaciju protoplasta iz ćelija viših biljaka ovom metodom izvršio je E. Cocking 1960. godine. U odnosu na mehaničku enzimsku metodu ima niz prednosti. Omogućava relativno lako i brzo izolovanje velikog broja protoplasta, koji ne doživljavaju jak osmotski šok. Nakon djelovanja enzima, smjesa protoplasta se propušta kroz filter i centrifugira kako bi se uklonile neuništene stanice i njihovi fragmenti.

Protoplasti se mogu izolovati iz ćelija biljnog tkiva, kultura kalusa i suspenzijskih kultura. Optimalni uslovi za izolaciju protoplasta su individualni za različite objekte, što zahtijeva mukotrpan preliminarni rad na odabiru koncentracija enzima, njihovog omjera i vremena obrade. Vrlo važan faktor koji omogućava izolaciju cijelih održivih protoplasta je odabir osmotskog stabilizatora. Kao stabilizatori obično se koriste različiti šećeri, ponekad jonski osmotici (rastvori soli CaCl 2, Na 2 HP0 4, KCI). Osmotska koncentracija mora biti blago hipertonična kako bi protoplasti bili u stanju slabe plazmolize. U tom slučaju se usporava metabolizam i regeneracija ćelijskog zida.

Izolovani protoplasti se mogu uzgajati. Obično se u tu svrhu koriste isti mediji na kojima rastu izolirane stanice i tkiva. Odmah nakon uklanjanja enzima iz protoplasta u kulturi, počinje formiranje stanične stijenke. Protoplast koji je regenerirao zid ponaša se kao izolirana stanica i sposoban je podijeliti i formirati klon stanica. Regeneracija cijelih biljaka iz izoliranih protoplasta povezana je s nizom poteškoća. Do sada je bilo moguće postići regeneraciju embriogenezom samo u biljkama šargarepe. Stimulacijom uzastopnog stvaranja korijena i izdanaka (organogeneza) postignuta je regeneracija duhana, petunije i nekih drugih biljaka. Treba napomenuti da protoplasti izolirani iz genetski stabilne ćelijske kulture češće regeneriraju biljke i s velikim uspjehom se koriste u proučavanjima genetičke modifikacije protoplasta.

9. Metode ćelijskog inženjeringa primijenjene na životinjske ćelije. Hibridomska tehnologija i njena upotreba u biotehnološkim procesima.

Godine 1975. G. Köhler i K. Milstein su po prvi put uspjeli izolirati ćelijske klonove sposobne da luče samo jednu vrstu molekula antitijela i da istovremeno rastu u kulturi. Ovi ćelijski klonovi su dobijeni fuzijom ćelija koje stvaraju antitijela i tumorskih ćelija - ćelija himera, nazvanih hibridomi, budući da su, s jedne strane, naslijedili sposobnost gotovo neograničenog rasta u kulturi, as druge strane, sposobnost proizvodnje antitijela određene specifičnosti (monoklonska antitijela) .

Za biotehnologa je vrlo važno da se odabrani klonovi mogu dugo čuvati zamrznuti, pa se po potrebi može uzeti određena doza takvog klona i dati životinji koja će razviti tumor koji proizvodi monoklonska antitijela određene specifičnosti. . Uskoro će se u serumu životinje otkriti antitijela u vrlo visokoj koncentraciji od 10 do 30 mg/ml. Ćelije takvog klona mogu se uzgajati i in vitro, a antitijela koja luče mogu se dobiti iz tečnosti kulture.

Stvaranje hibridoma koji se mogu čuvati zamrznuti (krioprezervacija) omogućilo je organiziranje čitavih banaka hibridoma, što je zauzvrat otvorilo velike izglede za korištenje monoklonskih antitijela. Njihov opseg primjene, pored kvantitativnog određivanja različitih supstanci, uključuje široku lepezu dijagnostike, na primjer, identifikaciju specifičnog hormona, virusnih ili bakterijskih antigena, antigena krvnih grupa i tkivnih antigena.

Faze dobijanja hibridnih ćelija. Fuziji ćelija prethodi uspostavljanje bliskog kontakta između plazma membrana. To se sprječava prisustvom površinskog naboja na prirodnim membranama, uzrokovanog negativno nabijenim grupama proteina i lipida. Depolarizacija membrana naizmjeničnim električnim ili magnetskim poljem, neutralizacija negativnog naboja membrane uz pomoć kationa pospješuje fuziju stanica. U praksi se široko koriste ioni Ca2+ i hlorpromazin. Efikasno sredstvo za "spajanje" (fuzogeno) je polietilen glikol.

Sendai virus se također koristi u odnosu na životinjske stanice, čije je djelovanje kao fuzijskog agensa očigledno povezano s djelomičnom hidrolizom proteina citoplazmatske membrane. Region podjedinice FI virusa ima proteolitičku aktivnost (S. Nicolau et al., 1984). Prije fuzije, biljne, gljivične i bakterijske stanice se oslobađaju od stanične stijenke, što rezultira protoplastima. Stanični zid se podvrgava enzimskoj hidrolizi pomoću lizozima (za bakterijske stanice), zimolijaze puževa (za stanice gljivica), kompleksa celulaza, hemicelulaza i pektinaza koje proizvode gljive (za biljne stanice). Oticanje i naknadno uništavanje protoplasta sprečava se stvaranjem povećane osmolarnosti medijuma. Odabir hidrolitičkih enzima i koncentracija soli u mediju kako bi se osigurao maksimalni prinos protoplasta je težak zadatak, o čemu se odlučuje u svakom slučaju posebno.

Za skrining dobijenih hibridnih ćelija koriste se različiti pristupi: 1) uzimajući u obzir fenotipske karakteristike; 2) stvaranje selektivnih uslova u kojima opstaju samo hibridi koji kombinuju genome roditeljskih ćelija.

Mogućnosti metode stanične fuzije. Metoda fuzije somatskih ćelija otvara značajne izglede za biotehnologiju.

1. Mogućnost ukrštanja filogenetski udaljenih oblika živih bića. Spajanjem biljnih ćelija dobijeni su plodni, fenotipski normalni interspecifični hibridi duvana, krompira, kupusa sa repom (ekvivalent prirodnoj repici) i petunije. Postoje sterilni interplemenski hibridi krompira i paradajza, sterilni interplemenski hibridi Arabidopsis i repe, duvana i krompira, duvana i beladone, koji formiraju morfološki abnormalne stabljike i biljke. Hibridi ćelija su dobijeni između predstavnika različitih porodica, ali postoje samo kao neorganizovane ćelije u rastu (duvan i grašak, duvan i soja, duvan i faba pasulj). Dobiveni su interspecifični (Saccharomyces uvarum i S. diastalicus) i intergenerički (Kluyveromyces lactis i S. cerevisiae) hibridi kvasca. Postoje dokazi o fuziji stanica različitih vrsta gljivica i bakterija.

Eksperimenti o fuziji ćelija organizama koji pripadaju različitim kraljevstvima, na primjer, stanica protoplasta žabe Xenopus taevis i mrkve, djeluju pomalo znatiželjno. Hibridna biljno-životinjska stanica postupno postaje zatvorena u ćelijski zid i raste na podlozi na kojoj se uzgajaju biljne stanice. Jezgro životinjske ćelije, očigledno, brzo gubi svoju aktivnost (E. S. Cocking, 1984).

2. Dobivanje asimetričnih hibrida koji nose kompletan set gena jednog od roditelja i delimičan set drugog roditelja. Takvi hibridi često nastaju fuzijom ćelija organizama koji su filogenetski udaljeni jedan od drugog. U ovom slučaju, zbog pogrešne diobe stanica uzrokovane nekoordiniranim ponašanjem dva različita seta hromozoma, hromozomi jednog od roditelja se delimično ili potpuno gube u nizu generacija.

Asimetrični hibridi su stabilniji, plodniji i održiviji od simetričnih, koji nose kompletan set gena iz roditeljskih ćelija. U svrhu asimetrične hibridizacije moguće je selektivno tretirati ćelije jednog od roditelja kako bi se uništio dio njegovih hromozoma. Moguć je ciljani prijenos željenog kromosoma iz ćelije u ćeliju. Takođe je od interesa da se dobiju ćelije u kojima je samo citoplazma hibridna. Citoplazmatski hibridi nastaju kada, nakon stanične fuzije, jezgra zadrže svoju autonomiju i, nakon naknadne diobe hibridne ćelije, završe u različitim ćelijama kćerima. Skrining takvih stanica provodi se korištenjem markerskih gena nuklearnog i citoplazmatskog (mitohondrijalnog i kloroplastnog) genoma.

Stanice sa spojenom citoplazmom (ali ne i jezgra) sadrže nuklearni genom jednog od roditelja i istovremeno kombinuju citoplazmatske gene spojenih ćelija. Postoje indikacije rekombinacije DNK mitohondrija i hloroplasta u hibridnim ćelijama.

Dobivanje hibrida spajanjem tri ili više roditeljskih ćelija. Iz takvih hibridnih ćelija mogu se uzgajati regenerisane biljke (gljive).

Hibridizacija ćelija koje nose različite razvojne programe je fuzija ćelija različitih tkiva ili organa, fuzija normalnih ćelija sa ćelijama čiji je razvojni program promenjen usled maligne degeneracije. U ovom slučaju se dobijaju takozvane hibridomske ćelije, ili hibridomi, koji od normalne roditeljske ćelije nasleđuju sposobnost sinteze jednog ili drugog korisnog jedinjenja, a od maligne - sposobnost brzog i neograničenog rasta.

Hybridoma tehnologija. Proizvodnja hibridoma danas je najveća obećavajući pravacćelijski inženjering. Glavni cilj je "besmrtnost" ćelije koja proizvodi vrijedne tvari spajanjem sa ćelijom raka i kloniranjem nastale hibridomske stanične linije. Hibridomi se dobijaju na bazi ćelija - predstavnika različitih kraljevstava života. Fuzija biljnih ćelija, koje obično sporo rastu u kulturi, sa biljnim tumorskim ćelijama omogućava dobijanje klonova brzorastućih ćelija koje proizvode željena jedinjenja. Brojne su primjene hibridomske tehnologije na životinjske ćelije, gdje se uz njenu pomoć planira dobijanje neograničeno umnožavajućih proizvođača hormona i proteinskih faktora u krvi.Najveći praktični značaj imaju hibridomi - produkti fuzije ćelija malignih tumora imuni sistem (mijelomi) sa normalnim ćelijama istog sistema - limfocitima.

Kada strani agens uđe u tijelo životinje ili čovjeka - bakterije, virusi, "strane" stanice ili jednostavno složena organska jedinjenja - limfociti se mobiliziraju kako bi neutralizirali uneseni agens. Postoji nekoliko populacija limfocita čije se funkcije razlikuju. Postoje takozvani T-limfociti, među kojima su T-killeri („ubice”), koji direktno napadaju strani agens kako bi ga inaktivirali, i B-limfociti čija je glavna funkcija proizvodnja imunih proteina (imunoglobulina). ) koji neutraliziraju strani agens tako što se vezuju za njegove površine (antigenske determinante), drugim riječima, B limfociti proizvode imune proteine, koji su antitijela na strani agens - antigen.

Fuzija T-limfocita ubojice sa tumorskom ćelijom proizvodi klon ćelija koje se neograničeno razmnožavaju i traže specifični antigen – onaj za koji je uzeti T-limfocit bio specifičan. Oni pokušavaju koristiti slične klonove hibridoma T-ubice za borbu protiv ćelija raka direktno u tijelu pacijenta (B. Fuchs et al., 1981; 1983),

Kada se B-limfocit spoji sa ćelijom mijeloma, dobijaju se klonovi B-hibridoma, koji se naširoko koriste kao proizvođači antitijela koja ciljaju isti antigen kao i antitijela sintetizirana od strane B-limfocita iz kojeg je nastao klon, tj. monoklonska antitijela. . Monoklonska antitela su homogena po svojim svojstvima, imaju isti afinitet za antigen i vezuju se za njega. jedna jedina antigenska determinanta. Ovo je važna prednost monoklonskih antitijela - B-hibridnih proizvoda, u odnosu na antitijela dobijena bez upotrebe staničnog inženjeringa, imunizacijom laboratorijske životinje odabranim antigenom uz naknadnu izolaciju antitijela iz njenog krvnog seruma ili kao rezultat direktne interakcije antigena sa populacijom limfocita u kulturi tkiva. Slično tradicionalne metode proizvode mješavinu antitijela koja se razlikuju po specifičnosti i afinitetu za antigen, što se objašnjava učešćem u proizvodnji antitijela mnogih različitih klonova B-limfocita i prisustvom nekoliko determinanti u antigenu, od kojih svaka odgovara posebna vrsta antitela. Dakle, monoklonska antitijela se selektivno vezuju samo za jedan antigen, inaktivirajući ga, što je od velike praktične važnosti za prepoznavanje i liječenje bolesti uzrokovanih stranim agensima - bakterijama, gljivicama, virusima, toksinima, alergenima i transformiranim vlastitim stanicama (tumori raka). Monoklonska antitijela uspješno se koriste u analitičke svrhe za proučavanje ćelijskih organela, njihove strukture ili pojedinačnih biomolekula.

Do nedavno, za hibridizaciju su korištene samo ćelije mijeloma miša i štakora i B limfociti. Monoklonska antitijela koja proizvode imaju ograničenu terapijsku upotrebu, budući da su sama po sebi strani protein za ljudsko tijelo. Ovladavanje tehnologijom proizvodnje hibridoma na bazi ljudskih imunoloških stanica povezano je sa značajnim poteškoćama: ljudski hibridomi rastu sporo i relativno su malo stabilni. Međutim, već su dobiveni ljudski hibridomi - proizvođači monoklonskih antitijela. Pokazalo se da ljudska monoklonska antitijela u nekim slučajevima izazivaju imunološke reakcije, a njihova klinička učinkovitost ovisi o pravilnom odabiru klase antitijela i hibridomskih linija pogodnih za datog pacijenta. Prednosti ljudskih monoklonskih antitijela uključuju sposobnost prepoznavanja suptilnih razlika u strukturi antigena koje ne prepoznaju monoklonska antitijela miša ili štakora. Učinjeni su pokušaji da se dobiju himerni hibridomi koji kombinuju ćelije mijeloma miša i humane B limfocite; takvi hibridomi su do sada našli samo ograničenu upotrebu (tK-Haron, 1984).

Uz nesumnjive prednosti, monoklonska antitijela imaju i nedostatke koji stvaraju probleme u njihovoj praktičnoj upotrebi. Oni nisu stabilni kada se čuvaju u osušenom stanju, dok istovremeno mešavina konvencionalnih (poliklonskih) antitela uvek sadrži grupu antitela koja su stabilna u odabranim uslovima skladištenja. Dakle, heterogenost konvencionalnih antitela daje im dodatnu rezervu stabilnosti pri promeni spoljašnjih uslova, što odgovara jednom od osnovnih principa povećanja pouzdanosti sistema. Monoklonska antitela često imaju preniski afinitet za antigen i preusku specifičnost, što onemogućava njihovu upotrebu protiv varijabilnih antigena karakterističnih za infektivne agense i tumorske ćelije. Takođe treba napomenuti da visoka cijena monoklonska antitijela na međunarodnom tržištu.

Opća shema Dobivanje hibridoma na bazi ćelija mijeloma i imunih limfocita uključuje sljedeće korake.

1. Dobivanje mutantnih tumorskih ćelija koje umiru tokom naknadne selekcije hibridomskih ćelija. Standardni pristup je razvijanje staničnih linija mijeloma koje nisu sposobne da sintetiziraju enzime u rezervnim putevima za biosintezu purina i pirimidina iz hipoksantina i timidina (slika 6). Selekcija takvih mutanata tumorskih stanica provodi se korištenjem toksičnih analoga hipoksantina i timidina. U mediju koji sadrži ove analoge, opstaju samo mutantne stanice kojima nedostaju enzimi hipoksantin guanin fosforiboziltransferaza i timidin kinaza, koji su neophodni za rezervne puteve biosinteze nukleotida.

Znate li šta je biotehnologija?

Naravno, čuli ste nešto o njima. Ovo je inovativni pravac u modernoj biologiji, koji je u rangu sa naukama kao što su matematika ili fizika.

Biotehnologija se bavi stvaranjem proizvoda i materijala koji su ljudima potrebni koristeći žive kulture i mikroorganizme kao što su kvasac, spore gljivica, kultivisane ćelije biljaka i životinja itd. Izgradnja potrebnih gena pomoću metoda genetskog i staničnog inženjeringa omogućava kontrolu naslijeđe i vitalnu aktivnost životinja, biljaka i mikroorganizama te stvaraju organizme s novim svojstvima korisnim za čovjeka koja do sada nisu uočena u prirodi. Bioinženjeri se bave živim sistemima prirode koristeći svoje sposobnosti za rješavanje medicinskih problema, genetskog inženjeringa, poljoprivrede, hemijske industrije, kozmetičke industrije i prehrambene industrije. Biotehnologija je nauka na raskrsnici srodnih industrija.

Zanimljivo je da se prodor biotehnologije u svjetsku ekonomiju ogleda u činjenici da su formirani novi termini koji označavaju globalnu prirodu ovog procesa. Raznobojne biotehnologije su se čak pojavile u industriji:

„crvena“ biotehnologija – biotehnologija povezana sa osiguranjem zdravlja ljudi i potencijalnom korekcijom njegovog genoma, kao i sa proizvodnjom biofarmaceutika (proteini, enzimi, antitijela);
„zelena“ biotehnologija – usmjerena na razvoj i stvaranje genetski modificiranih (GM) biljaka koje su otporne na biotičke i abiotičke stresove, određuje savremene metode poljoprivrede i šumarstva;
“bijelo” - industrijska biotehnologija, koja kombinuje proizvodnju biogoriva, biotehnologija u prehrambenoj, hemijskoj i industriji prerade nafte;
“siva” - povezana sa aktivnostima zaštite životne sredine, bioremedijacije;
“plava” biotehnologija je povezana s korištenjem morskih organizama i sirovina.

Pojavile su se i nove profesije: biofarmakolog, bioničar, arhitekta živih sistema, urbani ekolog i dr. Pa, ekonomija koja objedinjuje sve ove inovativne oblasti počela je da se zove "bioekonomija".

Danas naša zemlja zaostaje za zemljama koje su tehnološki lideri u ovoj oblasti po proizvodnji zasnovanoj na visokim biotehnologijama. Politika naše države o supstituciji uvoza usmjerena je ne samo na stvaranje novih biotehnologija, već i na prenošenje stranih rješenja koja su već dobila priznanje u svijetu u našu zemlju.

Transfer tehnologije je praćen potragom za najnovijim i najprogresivnijim rješenjima. Ali postoji jedna važna stvar, pored činjenice da je tehnologija danas progresivna, morate biti u stanju predvidjeti njene izglede za napredak u budućnosti.

Ponekad cijeli istraživački instituti, grupe naučnika i praktičara rade na takvim strateškim predviđanjima. A ponekad, samo jedna osoba može predvidjeti izglede i revolucionarnu prirodu tehnologije. Kao Steve Jobs ili Bill Geitz.

Biotehnološka industrija također ima svoj dio pronicljivih poslovnih lidera. Jedan od njih je Yakovlev Maxim Nikolaevich, generalni direktor predstavništva biotehnološke korporacije Unhwa, sjeverna koreja, koji se nalazi u gradu Sankt Peterburgu.

Biotehnologija, koju je Maxim Yakovlev označio kao probojnu budućnost u različitim segmentima privrede, je u oblasti uzgoja biljnih ćelija koje imaju funkcije „prirodnih biofabrika“ za proizvodnju vrijednih sastojaka iz bilo koje biljke, uključujući i one jedinstvene.

Ova obećavajuća biotehnologija, prema biznismenu, sposobna je stvoriti prirodnu hranu iz jedne izolovane biljne ćelije direktno na svemirskim brodovima, uzgajati voće i povrće željenih karakteristika i veličina, stvarati ekosisteme drugih planeta i hranu za ljude u industrijskim razmjerima od bilo koja biljka bez uzgoja ove biljke na živom tlu.

Možda je takve izglede za biotehnologiju još uvijek teško shvatiti i prihvatiti kao moguće. Ali svi znamo da postoje ljudi koji su u stanju da vide dalje od mase, jer oni sami već žive u budućnosti i pozivaju nas da ih slijedimo.

Termin "biotehnologija" prvi je upotrebio mađarski inženjer Karl Ereky 1917. Određeni elementi biotehnologije pojavili su se dosta davno. U suštini, to su bili pokušaji da se pojedinačne ćelije (mikroorganizmi) i neki enzimi koriste u industrijskoj proizvodnji kako bi se olakšao nastanak niza hemijskih procesa.

Tako je 1814. godine peterburški akademik K. S. Kirchhoff otkrio fenomen biološke katalize i pokušao da dobije šećer iz dostupnih domaćih sirovina biokatalitičkom metodom (do sredine 19. stoljeća šećer se dobijao samo iz šećerne trske). Godine 1891. u SAD je japanski biohemičar Dž. Takamine je dobio prvi patent za upotrebu enzimskih preparata u industrijske svrhe: naučnik je predložio upotrebu dijastaze za saharifikaciju biljnog otpada.

Početkom 20. stoljeća aktivno se razvijaju fermentacijska i mikrobiološka industrija. U tim istim godinama učinjeni su prvi pokušaji upotrebe enzima u tekstilnoj industriji.

U periodu 1916–1917, ruski biohemičar A. M. Kolenev pokušao je razviti metodu koja bi omogućila kontrolu djelovanja enzima u prirodnim sirovinama tokom proizvodnje duhana.

Ogroman doprinos praktičnoj upotrebi biohemijskih dostignuća dao je akademik A. N. Bakh, koji je stvorio važno primijenjeno područje biokemije - tehničku biohemiju. A. N. Bach i njegovi studenti razvili su mnoge preporuke za unapređenje tehnologija za preradu širokog spektra biohemijskih sirovina, unapređenje tehnologija pečenja, pivarstva, vinarstva, proizvodnje čaja i duvana, itd., kao i preporuke za povećanje prinosa gajenih biljaka upravljajući njima biohemijskim procesima.

Sva ova istraživanja, kao i napredak hemijske i mikrobiološke industrije i stvaranje nove industrijske biohemijske proizvodnje (čaj, duvan i dr.) bili su najvažniji preduslovi za nastanak moderne biotehnologije.

U proizvodnom smislu, mikrobiološka industrija je postala osnova biotehnologije u procesu njenog formiranja. Iza poslijeratnih godina Mikrobiološka industrija dobila je fundamentalno nove karakteristike: mikroorganizmi su se počeli koristiti ne samo kao sredstvo za povećanje intenziteta biokemijskih procesa, već i kao minijaturne sintetičke tvornice sposobne sintetizirati najvrednije i najsloženije kemijske spojeve unutar svojih stanica. Prekretnica je povezana sa otkrićem i početkom proizvodnje antibiotika.

Prvi antibiotik, penicilin, izolovan je 1940. Nakon penicilina, otkriveni su i drugi antibiotici (ovaj rad traje do danas). Otkrićem antibiotika odmah su se pojavili novi zadaci: uspostavljanje proizvodnje ljekovitih supstanci koje proizvode mikroorganizmi, rad na smanjenju troškova i povećanju dostupnosti novih lijekova, te njihovo dobivanje u vrlo velikim količinama potrebnim medicini.

Hemijski je sintetizirati antibiotike bilo vrlo skupo ili čak nevjerovatno teško, gotovo nemoguće (nije bez razloga da se hemijska sinteza tetraciklina sovjetskog naučnika akademika M. M. Šemjakina smatra jednim od najvećih dostignuća organske sinteze). A onda su odlučili da za industrijsku proizvodnju lijekova koriste mikroorganizme koji sintetiziraju penicilin i druge antibiotike. Tako je nastala najvažnija oblast biotehnologije, zasnovana na korišćenju procesa mikrobiološke sinteze.

Vrste biotehnologije

Bioinženjering

Bioinženjering ili biomedicinsko inženjerstvo je disciplina koja ima za cilj unapređenje znanja iz inženjerstva, biologije i medicine i poboljšanje ljudskog zdravlja kroz interdisciplinarni razvoj koji kombinuje inženjerske pristupe sa napretkom u biomedicinskoj nauci i kliničkoj praksi. Bioinženjering/biomedicinski inženjering je primjena inženjerskih pristupa za rješavanje medicinskih problema radi poboljšanja zdravstvene zaštite. Ova inženjerska disciplina fokusira se na korištenje znanja i iskustva za pronalaženje i rješavanje problema u biologiji i medicini.

Bioinženjeri rade za dobrobit čovječanstva, baveći se živim sistemima i primjenom naprednih tehnologija za rješavanje medicinskih problema. Specijalisti biomedicinskog inženjeringa mogu učestvovati u kreiranju uređaja i opreme, u razvoju novih procedura zasnovanih na interdisciplinarnom znanju, kao iu istraživanju u cilju dobijanja novih informacija za rešavanje novih problema.

Među značajna dostignuća bioinženjeringa su razvoj umjetnih zglobova, magnetna rezonanca, pejsmejkeri, artroskopija, angioplastika, bioinženjering kožnih proteza, bubrežna dijaliza i aparati za srce-pluća. Također, jedno od glavnih područja istraživanja bioinženjeringa je korištenje metoda kompjuterskog modeliranja za stvaranje proteina s novim svojstvima, kao i modeliranje interakcije različitih spojeva sa ćelijskim receptorima u cilju razvoja novih farmaceutskih proizvoda („dizajn lijekova“).

Biomedicina

Grana medicine koja iz teorijske perspektive proučava ljudsko tijelo, njegovu građu i funkciju u normalnim i patološkim stanjima, patološka stanja, metode njihove dijagnostike, korekcije i liječenja. Biomedicina uključuje akumulirane informacije i istraživanja, u većoj ili manjoj mjeri, opću medicinu, veterinu, stomatologiju i fundamentalne biološke nauke, kao što su hemija, biološka hemija, biologija, histologija, genetika, embriologija, anatomija, fiziologija, patologija, biomedicinsko inženjerstvo, zoologije, botanike i mikrobiologije.

Praćenje, ispravljanje, inženjering i kontrola ljudskih bioloških sistema na molekularnom nivou pomoću nanouređaja i nanostruktura. U svijetu je već stvoren niz tehnologija za industriju nanomedicine. To uključuje ciljanu isporuku lijekova oboljelim stanicama, laboratorije na čipu i nova baktericidna sredstva.

Biofarmakologija

Grana farmakologije koja proučava fiziološke efekte tvari biološkog i biotehnološkog porijekla. Zapravo, biofarmakologija je plod konvergencije dviju tradicionalnih znanosti - biotehnologije, odnosno one njene grane koja se zove "crvena", medicinske biotehnologije i farmakologije, koju su ranije zanimale samo hemikalije malih molekula, kao rezultat od obostranog interesa.

Predmeti biofarmakoloških istraživanja su proučavanje biofarmaceutika, planiranje njihove proizvodnje, organizacija proizvodnje. Biofarmakološka terapeutska sredstva i sredstva za prevenciju bolesti dobijaju se korišćenjem živih bioloških sistema, tkiva organizama i njihovih derivata, korišćenjem biotehnologije, odnosno lekovitih supstanci biološkog i biotehnološkog porekla.

Bioinformatika

Skup metoda i pristupa, uključujući:

matematičke metode kompjuterske analize u komparativnoj genomici (genomska bioinformatika);
razvoj algoritama i programa za predviđanje prostorne strukture proteina (strukturna bioinformatika);
strategije istraživanja, odgovarajuće računske metodologije, i generalni menadžment informacijska kompleksnost bioloških sistema.

Bioinformatika koristi metode primijenjene matematike, statistike i računarstva. Bioinformatika se koristi u biohemiji, biofizici, ekologiji i drugim oblastima.

Bionika

Primijenjena nauka o primjeni u tehničkim uređajima i sistemima principa organizacije, svojstava, funkcija i struktura žive prirode, odnosno oblika živih bića u prirodi i njihovih industrijskih analoga. Jednostavno rečeno, bionika je kombinacija biologije i tehnologije. Bionika gleda na biologiju i tehnologiju iz potpuno nove perspektive, objašnjavajući šta zajedničke karakteristike i koje razlike postoje u prirodi i tehnologiji.

Razlikovati:

biološka bionika, koja proučava procese koji se dešavaju u biološkim sistemima;
teorijska bionika, koja gradi matematičke modele ovih procesa;
tehnička bionika, koja primjenjuje modele teorijske bionike za rješavanje inženjerskih problema.

Bionika je usko povezana sa biologijom, fizikom, hemijom, kibernetikom i inženjerskim naukama: elektronikom, navigacijom, komunikacijama, pomorstvom i dr.

Bioremedijacija

Skup metoda za pročišćavanje vode, tla i atmosfere koristeći metabolički potencijal bioloških objekata - biljaka, gljiva, insekata, crva i drugih organizama.

Kloniranje

Prirodna pojava ili proizvodnja nekoliko genetski identičnih organizama aseksualnom (uključujući vegetativnu) reprodukciju. Izraz “kloniranje” u istom smislu se često koristi u odnosu na ćelije višećelijskih organizama. Kloniranje se naziva i dobivanje nekoliko identičnih kopija nasljednih molekula (molekularno kloniranje). Konačno, kloniranje se također često naziva biotehnološkim metodama umjetna proizvodnja klonovi organizama, ćelija ili molekula. Grupa genetski identičnih organizama ili ćelija je klon.

Genetski inženjering

Suština genetskog inženjeringa je vještačko stvaranje gena sa željenim svojstvima i njihovo uvođenje u odgovarajuću ćeliju. Transfer gena vrši se pomoću vektora (rekombinantne DNK) - posebne molekule DNK konstruisane od DNK virusa ili plazmida, koja sadrži željeni gen, transportuje ga u ćeliju i osigurava njegovu integraciju u genetski aparat ćelije.

Za označavanje određenih ćelija organizama u molekularno-genetičkim studijama koristi se GFP gen izolovan iz meduze. Osigurava sintezu fluorescentnog proteina, koji svijetli u mraku.

Genetski inženjering se široko koristi u naučnim istraživanjima i najnovije metode izbor.

Biotehnologija je skup industrijskih metoda koje se koriste za proizvodnju razne supstance korištenje živih organizama, bioloških procesa ili pojava. Tradicionalna biotehnologija zasniva se na fenomenu fermentacije - upotrebi mikrobnih enzima u proizvodnim procesima. Ćelijski inženjering je grana biotehnologije koja razvija i koristi tehnologije za kultivaciju ćelija i tkiva izvan tela u veštačkim uslovima. Genetski inženjering je grana biotehnologije koja razvija i koristi tehnologije za izolaciju gena iz organizama i pojedinačnih ćelija, njihovu modifikaciju i uvođenje u druge ćelije ili organizme.

Neki etički i pravni aspekti upotrebe biotehnoloških metoda

Etika je doktrina morala, prema kojoj je glavna vrlina sposobnost pronalaženja sredine između dvije krajnosti. Ovu nauku je utemeljio Aristotel.

Bioetika je dio etike koji proučava moralnu stranu ljudske djelatnosti u medicini i biologiji. Termin je predložio V.R. Lončar 1969

U užem smislu, bioetika se odnosi na niz etičkih problema u oblasti medicine. U širem smislu, bioetika se odnosi na proučavanje društvenih, ekoloških, medicinskih i socio-pravnih problema koji pogađaju ne samo ljude, već i sve žive organizme uključene u ekosisteme. Odnosno, ima filozofsku orijentaciju, ocjenjuje rezultate razvoja novih tehnologija i ideja u medicini, biotehnologiji i biologiji općenito.

Moderne biotehnološke metode imaju toliko moćan i nedovoljno istražen potencijal da je njihova široka primjena moguća samo uz strogo pridržavanje etičkih standarda. Moralni principi koji postoje u društvu obavezuju nas da tražimo kompromis između interesa društva i pojedinca. Štaviše, interesi pojedinca se trenutno stavljaju iznad interesa društva. Stoga, poštovanje i dalji razvoj etičkih standarda u ovoj oblasti treba da ima za cilj, prije svega, punu zaštitu ljudskih interesa.

Masovno uvođenje u medicinsku praksu i komercijalizacija fundamentalno novih tehnologija u oblasti genetskog inženjeringa i kloniranja dovela je i do potrebe stvaranja odgovarajućeg zakonskog okvira koji bi regulisao sve pravne aspekte aktivnosti u ovim oblastima.

Zadržimo se na onim područjima biotehnoloških istraživanja koja su direktno povezana sa visokim rizikom od kršenja individualnih prava i izazivaju najžešće debate o njihovoj širokoj upotrebi: transplantacija organa i ćelija u terapeutske svrhe i kloniranje.

Posljednjih godina došlo je do naglog porasta interesa za proučavanje i korištenje ljudskih embrionalnih matičnih stanica u biomedicini i tehnikama kloniranja za njihovo dobivanje. Kao što je poznato, embrionalne matične ćelije su sposobne da se transformišu u različite tipove ćelija i tkiva (hematopoetske, reproduktivne, mišićne, nervne, itd.). Pokazalo se da su perspektivni za upotrebu u genskoj terapiji, transplantologiji, hematologiji, veterini, farmakotoksikologiji, ispitivanju lijekova itd.

Ove ćelije su izolovane iz ljudskih embriona i fetusa od 5-8 nedelja razvoja dobijenih tokom medicinskog prekida trudnoće (kao rezultat abortusa), što otvara brojna pitanja u vezi etičke i pravne zakonitosti provođenja istraživanja na ljudskim embrionima, uključujući sledeća :

Koliko su potrebna i opravdana naučna istraživanja ljudskih embrionalnih matičnih ćelija?
Da li je dozvoljeno uništavati ljudski život zarad medicinskog napretka i koliko je to moralno?
Da li je pravni okvir dovoljno razvijen za korištenje ovih tehnologija?

U nizu zemalja zabranjeno je svako istraživanje na embrionima (na primjer, u Austriji, Njemačkoj). U Francuskoj su prava embrija zaštićena od trenutka začeća. U Velikoj Britaniji, Kanadi i Australiji, iako stvaranje embriona u istraživačke svrhe nije zabranjeno, razvijen je sistem zakonodavstva koji reguliše i kontroliše takva istraživanja.

U Rusiji je situacija u ovoj oblasti više nego neizvjesna: aktivnosti na proučavanju i korištenju matičnih ćelija nisu dovoljno regulirane, a ostaju značajne praznine u zakonodavstvu koje koče razvoj ove oblasti. Što se tiče kloniranja, savezni zakon je 2002. godine uveo privremenu (5 godina) zabranu kloniranja ljudi, ali je istekla 2007. godine i to pitanje ostaje otvoreno.

Tržište biotehnologije

IT ima mnogo više paralela sa modernom biotehnologijom nego što se to na prvi pogled čini. Informacione tehnologije se nisu pojavile same od sebe, njihovom procvatu prethodila su fundamentalna otkrića u fizici, fizici materijala, računarskoj matematici i kibernetici. Kao rezultat toga, danas je IT područje „lakih startupa“, u kojem od nastanka ideje do ostvarivanja profita prođe vrlo malo vremena, a malo ljudi razmišlja o dosadašnjem poslu.

Slična je situacija i sa biotehnologijama, samo smo sada u ranijoj fazi, kada se alati i programi tek razvijaju. Biotehnologije čekaju pojavu svog "osobnog računara", samo što u našem slučaju to neće biti razumljiv masovni uređaj - više govorimo o skupu efikasnih i jeftinih alata.

Možemo reći da je sada situacija slična onoj koja je bila 1990-ih u IT-u. Tehnologije se još uvijek razvijaju i prilično su skupe. Na primjer, kompletno sekvenciranje osobe košta 1000 dolara. Ovo je mnogo jeftinije od cijene projekta Ljudski genom od 3,3 milijarde dolara, ali je i dalje nevjerovatno visoka za prosječnu osobu, a njena primjena za kliničku dijagnostiku u širokom opsegu još nije moguća. Da bi se to postiglo, tehnologija treba pojeftiniti za još jedan faktor od 10 i poboljšati tehnička svojstva toliko da se greške u sekvenciranju izjednače. Ne postoje tako moćni projekti u biotehnologiji kao što je Facebook, ali Illumina, Oxford Nanopore, Roche su sve izuzetno uspješne kompanije, čije aktivnosti često liče na Google, koji kupuje zanimljive startupove. Nanopore su, na primjer, postali milijarderi prije nego što su uopće ušli na tržište zahvaljujući kombinaciji dobre početne ideje, menadžmenta i uspjeha u prikupljanju sredstava.

Biotehnologija je danas i veliko tržište podataka, a time se nastavljaju paralele s IT-om, koji u ovom slučaju služi kao svojevrsni alat za veću i složeniju biotehnologiju. Kompanije kao što je Editas Medicine (jedan od kreatora cijenjene CRISPR/Cas9 tehnologije za uređivanje genoma) napravile su svoju IP adresu na osnovu rezultata sekvencioniranja bakterijskih genomskih podataka iz otvorenih izvora. Daleko od prvih koji su iskoristili prednosti akumuliranih informacija, nisu čak ni prvi otkrili princip rada CRISPR klastera, ali je Editas Medicine stvorio biotehnološki proizvod. Danas je to kompanija vrijedna više od milijardu dolara.

I ovo nije jedini posao koji će proizaći iz analize postojećih podataka. Štaviše, ne može se reći da postoji red za takve podatke – već ih ima mnogo više nego što se može analizirati, a biće ih još više, jer naučnici ne prestaju sa sekvenciranjem. Nažalost, metode analize su još uvijek nesavršene, tako da nije svatko u stanju pretvoriti podatke u proizvod vrijedan više milijardi dolara. Ali ako procijenimo stopu razvoja alata za analizu (nagoveštaj: vrlo je brz), nije teško shvatiti da će u budućnosti biti mnogo više kompanija koje primjećuju nešto zanimljivo u velikim genomskim podacima.

Može li Rusija postati biotehnološka zemlja?

Glavni problem biotehnologije u Rusiji nije zabrana GMO-a, kako mnogi misle, već veliki broj raznih birokratskih barijera. Ova činjenica je uočena iu Vladi. Ali čak i barijere se mogu prilagoditi. U proteklih 26 godina razvijali smo se pod pritiskom reformi, stalnih promjena pravila igre, a poslovanju je potrebna stabilnost i sigurnost da neće doći do šokova.

Ako se ruske biotehnologije ne miješaju, one će se početi razvijati. Napominjem i da nepromišljena želja da se pomogne, te vrlo nepromišljene državne investicije, zapravo, dovode do suprotnog rezultata - subvencije uče kompanije da će ih država stalno podržavati. Kao što praksa pokazuje, kompanije sa državnim ulaganjima postaju neefikasne. Svugdje je potrebna zdrava konkurencija, tako da početni doprinosi ne bi trebali dolaziti ni od države, već od biznisa, koji bi trebao osjećati samopouzdanje u budućnost, s čime još uvijek imamo problema.

Najispravnije za državu je da ulaže u stvaranje optimalnog okruženja za biotehnologiju. Imamo i umove i ljude sa energijom i željom za stvaranjem – važno je ne dozvoliti da ta želja propadne.

Danas su biotehnologije u fazi intenzivnog rasta, ali se već može zamisliti vektor njihovog razvoja. Na kraju krajeva, samo značenje tehnologije se neće promijeniti, kao što se nije promijenilo ni nakon pojave kompjutera: njena ideja 1951. godine nije se mnogo razlikovala od one iza modernih kompjutera. Samo se funkcionalnost i performanse značajno razlikuju. Ista stvar će se desiti i sa biotehnologijama, a pokretač njihovog razvoja je još jasniji - to je večita želja ljudi da budu zdravi i dugo žive, bez poštovanja svih složenih pravila zdrav imidžživot. Stoga ćemo u vrlo bliskoj budućnosti vidjeti uspon biotehnologije, a u konačnici ovo je odlična vijest za cijelo čovječanstvo.

Biotehnologija (Βιοτεχνολογία, iz grčkog Bios- život, techne- umjetnost, zanatstvo i logos- riječ, doktrina) - upotreba živih organizama i bioloških procesa u proizvodnji. Biotehnologija je interdisciplinarna oblast koja je nastala na razmeđu bioloških, hemijskih i tehničkih nauka. Razvoj biotehnologije povezan je sa rješavanjem globalnih problema čovječanstva - otklanjanjem nestašice hrane, energije, mineralnih resursa, poboljšanjem stanja zdravstvene zaštite i kvaliteta životne sredine.

Metoda

Pozitivan faktor u korištenju biološke metode je njena ekološka prihvatljivost. Biološki agensi može se koristiti bez ograničenja učestalosti primjene, dok je broj tretiranja biljaka hemijskim pesticidima strogo reguliran.

Biološka zaštita bilja zasniva se na sistematskom pristupu i integriranoj implementaciji dva glavna pravca: očuvanje i promicanje aktivnosti prirodnih populacija korisnih vrsta (entomofagi, mikroorganizmi), samoodbrana gajenog bilja u agrobiocenozama i obnova agrobiocenoza korisnim vrstama. kojih nedostaje ili ih nema. Temeljna razlika između biološke metode zaštite bilja i bilo koje druge je primjena prvog smjera, koji se provodi korištenjem bioloških preparata metodama sezonske kolonizacije, unošenja i aklimatizacije zoofaga i mikroorganizama. Reprodukcija i efikasnost korisnih vrsta je olakšana agrobiotehničkim mjerama, te nekim metodama obrade tla pomoću kojih se stvara povoljnim uslovima za životnu aktivnost zoofaga.

Uzgoj sorti kultiviranih biljaka otpornih na štetočine doprinosi stvaranju populacija štetočina male gustine.

Svako od glavnih sredstava biološke metode (upotreba zoofaga, korisnih u zaštiti biljaka od mikroorganizama) ima svoje karakteristike i efikasno je u odgovarajućim uslovima. Ova sredstva ne isključuju, već se dopunjuju. Sad Posebna pažnja je fokusiran na pronalaženje načina za kombinovanje biološke zaštite sa drugim metodama u integrisanim sistemima zaštite bilja od štetočina. Osnovni cilj ove metode je proučavanje uslova koji određuju djelotvornost prirodnih neprijatelja štetočina i razvoj načina za regulaciju njihove brojnosti i odnosa sa populacijama štetočina.

Introdukcija i aklimatizacija se koriste protiv karantenskih štetočina koje imaju ograničenu rasprostranjenost u zemlji.

Prirodni neprijatelji ograničavaju razmnožavanje štetočina u njegovoj domovini, a na novom geografskom području ih nema. Djelotvorni zoofagi i mikroorganizmi za uvoz i aklimatizaciju nalaze se u domovini štetočina i preseljavaju u nova područja. Najbolji rezultati dobiveni uvozom visoko specijaliziranih vrsta koje su prilagođene da opstanu na jednom štetniku, bolesti ili korovu. Intra-arealno premještanje podrazumijeva premještanje djelotvornih, često specijaliziranih, prirodnih neprijatelja iz starih žarišta, gdje broj štetočina opada, u nove u drugim dijelovima rasprostranjenja vrste, gdje ovih neprijatelja nema ili se još nisu nakupili.

Mikroorganizmi koji oštećuju štetne vrste koriste se za zaštitu biljaka u obliku bioloških preparata. Većina bioloških bakterijskih preparata bazira se na kristalno rastvorljivim bakterijama iz grupe Bacillus thuringiensis Berl., koje formiraju spore i kristale koji se mogu rastvoriti u crevima insekata, gde ulaze sa hranom.

Preparati od gljiva sadrže spore entomopatogenih gljiva koje pripadaju nesavršenim.

Virusni biološki preparati (Verinykh) izrađuju se na bazi virusa poliedroze i granuloze, koji najčešće inficiraju Lepidoptera.

U živim sistemima na svim nivoima organizacije uobičajena metoda prenošenja informacija je hemijska komunikacija. U posljednje vrijeme se velika pažnja posvećuje razvoju i korištenju biološki aktivnih tvari koje osiguravaju odnos živih organizama u biocenozama, njihov rast i razvoj. Glavna grupa biološki aktivnih supstanci su feromoni. Feromoni su kemikalije koje insekti proizvode i ispuštaju u okoliš. Ove supstance izazivaju odgovarajuće bihejvioralne ili fiziološke reakcije. Postoje različite grupe feromona - pol, agregacija, tragovi itd. Spolni feromoni, koje najčešće oslobađaju ženke da bi privukle mužjake, dobili su najveću rasprostranjenost u praksi zaštite bilja. Najviše proučavani su feromoni lepidoptera, koleoptera, stjenica, čipkarica i termita. Na osnovu utvrđivanja strukture prirodnih feromona insekata, stvoreni su njihovi sintetički analozi. Spolni feromoni se koriste za otkrivanje i određivanje zone rasprostranjenosti štetočina, za signalizaciju vremena primjene zaštitnih mjera, određivanje gustine populacija štetočina, kao i za zaštitu usjeva masovnim hvatanjem mužjaka (“muški vakuum”) i dezorijentacija, privlačenje mužjaka tokom hemijske sterilizacije.

Metoda dezorijentacije insekata uključuje zasićenje područja visokim koncentracijama sintetičkih feromona i narušavanje feromonske komunikacije između mužjaka i ženki. Kao rezultat toga, nesparene ženke polažu neoplođena jaja, što dovodi do smanjenja populacije vrste. Utvrđeno je da su procesi metamorfoze, linjanja, razmnožavanja i dijapauze insekata regulirani hormonima. Najviše proučavani su juvenilni (larva), ekdizon (larva) i mozak. Hormoni su sintetizovani i dobijeni kao hemijska jedinjenja, njihova struktura se razlikuje od prirodnih, ali imitiraju njihovu biološku aktivnost - deluju kao regulatori rasta i razvoja insekata. Inhibitori sinteze hitina i juvenoida dobili su praktičnu primjenu u zaštiti bilja. Hormonalni lekovi njihovo djelovanje se značajno razlikuje od tradicionalnih insekticida. Nisu toksični, ali uzrokuju poremećaje u embrionalnom razvoju, metamorfozu i sterilizaciju. Inhibitori hitina ometaju formiranje kutikule tokom linjanja. Juvenoidi uzrokuju smrt nakon završetka razvoja larve ili lutke i inhibitori su sinteze hitina tokom sljedećeg Linqija.

Genetski metod borbe protiv štetočina razvio je i predložio A. S. Serebrovsky (1938, 1950). Ova metoda uključuje zasićenje prirodne populacije štetočina genetski inferiornim jedinkama iste vrste. Ženke prirodne populacije, pareći se s takvim jedinkama, polažu jaja koja nisu održiva, ne daju potomstvo, a štetočina se samouništava. Genetska metoda se provodi zračenjem i hemijskom sterilizacijom. Radijacijska sterilizacija podrazumijeva masovno razmnožavanje štetočina, njihovo zračenje (gama zracima, rendgenskim zracima) i naknadno puštanje u voćke i usjeve. Oštećenje hromozomskog aparata javlja se kod ozračenih osoba. U hemijskoj sterilizaciji sterilizatori koriste hemikalije sa alkilnim jedinjenjima, antimetabolitima i antibioticima. Prvi uzrokuju seksualni sterilitet kod žena i muškaraca, dok antimetaboliti uzrokuju sterilitet kod žena. Genetska kontrola primijenjena je 1954. godine protiv sive muhe na ostrvu Curaçao, koja nanosi značajnu štetu stočarskoj proizvodnji. Puštanje steriliziranih osoba je uspješno. Metoda genetske kontrole je inherentno selektivna, njena upotreba nije povezana s negativnim utjecajem na okoliš i ne doprinosi razvoju rezistencije na faktore sterilizacije.

Istorija biotehnologije

Ljudi su od davnina koristili biotehnološke procese u pečenju, pripremi fermentisanih mlečnih proizvoda, proizvodnji vina itd., ali su tek zahvaljujući delima Louisa Pasteura sredinom 19. veka dokazali vezu između procesa fermentacije i delovanja mikroorganizama. , a tradicionalna biotehnologija dobila je naučnu osnovu.

U 40-50-im godinama 20. stoljeća, kada je biosinteza penicilina provedena fermentacijskim metodama, započela je era antibiotika, što je dalo poticaj razvoju mikrobiološke sinteze i stvaranju mikrobiološke industrije.

U 60-70-im godinama 20. vijeka, ćelijski inženjering je počeo naglo da se razvija.

Stvaranje prvog hibridnog molekula DNK in vitro 1972. godine od strane P. Bergove grupe u SAD-u formalno je povezano sa rođenjem genetskog inženjeringa, koji je otvorio put svjesnoj promjeni genetske strukture organizama na način da ovi organizmi mogu proizvoditi proizvode neophodne za ljude i provoditi potrebne procese. Ova dva pravca odredila su pojavu nove biotehnologije koja nema mnogo zajedničkog s primitivnom biotehnologijom koju je čovjek koristio hiljadama godina. Značajno je da je 1970-ih sam pojam postao široko rasprostranjen biotehnologija. Od tada je biotehnologija neraskidivo povezana sa molekularnom i ćelijskom biologijom, molekularnom genetikom, biohemijom i bioorganskom hemijom. U kratkom periodu svog razvoja (25-30 godina), savremena biotehnologija ne samo da je postigla značajne uspehe, već je pokazala i neograničene mogućnosti korišćenja organizama i bioloških procesa u različitim sektorima proizvodnje i nacionalne privrede.

Biotehnologija kao nauka

Biotehnologija je kompleks fundamentalnih i primenjenih nauka, tehničkih sredstava za dobijanje i korišćenje ćelija mikroorganizama, životinja i biljaka, kao i njihovih metaboličkih produkata: enzima, aminokiselina, vitamina, antibiotika itd.

Biotehnologija, koja uključuje industrijsku mikrobiologiju, zasniva se na korišćenju znanja i metoda biohemije, mikrobiologije, genetike i hemijske tehnologije, što omogućava tehnološkim procesima da iskoriste svojstva mikroorganizama i ćelijskih kultura. Savremeni biotehnološki procesi zasnivaju se na metodama rekombinantne DNK, kao i na upotrebi imobilizovanih enzima, ćelija i ćelijskih organela.

Glavna područja istraživanja:

Razvoj naučne osnove za stvaranje novih biotehnologija primenom metoda molekularne biologije, genetskog i ćelijskog inženjeringa.
Proizvodnja i upotreba mikrobne biomase i proizvoda mikrobiološke sinteze.
Proučavanje fizičko-hemijskih i biohemijskih osnova biotehnoloških procesa.
Korištenje virusa za stvaranje novih biotehnologija.

Aplikacija

Biotehnologija se primjenjuje oko nas u mnogim svakodnevnim predmetima - od odjeće koju nosimo do sira koji konzumiramo. Stoljećima su farmeri, pekari i pivari koristili tradicionalne tehnike za mijenjanje i modificiranje biljaka i hrane - pšenica je možda najstariji primjer, a nektarina jedan od najnovijih. Danas se biotehnologija koristi modernim naučne metode, koji nam omogućavaju da poboljšamo ili modificiramo biljke, životinje, mikroorganizme s većom preciznošću i predvidljivošću.

Potrošači bi trebali imati širi izbor sigurnih proizvoda. Biotehnologija može potrošačima pružiti ove izbore – ne samo u poljoprivredi, već iu medicini i izvorima goriva.

Prednosti biotehnologije

Biotehnologija nudi ogromne potencijalne prednosti. Razvijene zemlje i zemlje u razvoju trebale bi imati direktan interes u podršci daljim istraživanjima kako bi biotehnologija mogla ostvariti svoj puni potencijal.

Biotehnologija pomaže okolišu. Omogućujući poljoprivrednicima da smanje upotrebu pesticida i herbicida, biotehnološki proizvodi prve generacije doveli su do smanjenja njihove upotrebe u poljoprivrednim praksama, a očekuje se da će budući biotehnološki proizvodi pružiti još veće koristi. Smanjeno opterećenje pesticidima i herbicidima znači manji rizik od toksične kontaminacije tla i podzemnih voda. Osim toga, herbicidi koji se koriste u kombinaciji s genetski modificiranim biljkama često su sigurniji za okoliš od prethodne generacije herbicida koje zamjenjuju. Bioinženjering usjevi također doprinose širokoj upotrebi obrade tla bez daske, što dovodi do smanjenja gubitaka plodnosti tla.

Biotehnologija ima ogroman potencijal u borbi protiv gladi. Razvoj biotehnologije nudi značajne potencijalne koristi za zemlje u razvoju, gdje više od milijardu ljudi širom svijeta živi u siromaštvu i pati od hronične gladi. Povećanjem prinosa i razvojem usjeva otpornih na bolesti i sušu, biotehnologija može smanjiti nestašicu hrane za svjetsku populaciju, koja će do 2025. godine biti više od 800.000.000 ljudi, što je povećanje od 30% u odnosu na danas. Naučnici stvaraju useve sa novim svojstvima koja im pomažu da prežive teške uslove suše i poplava.

Biotehnologija pomaže u borbi protiv bolesti. Razvijajući i unapređujući medicinu, pruža nove alate u borbi protiv njih. Biotehnologija je dala medicinske metode liječenje srčanih bolesti, skleroze, hemofilije, hepatitisa i AIDS-a. Sada se stvaraju biotehnološki prehrambeni proizvodi koji će život učiniti jeftinijim i dostupnijim za najsiromašniji dio populacije planete. esencijalni vitamini i vakcine.

Upozorenja za upotrebu

Obim uklanjanja bioproizvoda iz biosfere dostigao je 70%, a živa materija funkcioniše na optimalnom nivou kada se ne povuče više od 15% produkata biosfere. Ekosistemi i biosfera u cjelini sve više gube sposobnost samoregulacije i samopodrške. U konačnici, to daje kruženju tvari na globusu kvalitativno nov i nepredvidiv karakter. Stabilnost funkcionisanja biosfere bila je ugrožena. Zagađenje i degradacija pokrivaju sve geosfere Zemlje. Vazduh, voda i tlo počeli su gubiti svoja osnovna prirodna svojstva.

Biotehnologija u zdravstvu

Biotehnologija može donijeti značajne prednosti zdravstvenoj industriji. Povećanjem nutritivne vrijednosti hrane, biotehnologija se može koristiti za poboljšanje nutritivnog kvaliteta. Na primjer, sada se stvaraju sorte pirinča i kukuruza s povećanim sadržajem proteina. Potrošači će ubuduće moći da koriste ulje sa smanjenim sadržajem masti koje će se dobijati od genetski modifikovanog kukuruza, soje i uljane repice. Osim toga, genetski inženjering bi se mogao koristiti za proizvodnju hrane s povećanim nivoom vitamina A, što bi moglo pomoći u rješavanju problema sljepoće u zemljama u razvoju. Genetski inženjering nudi i druge zdravstvene prednosti, sa sada dostupnim tehnikama koje mogu ukloniti određene alergene proteine iz hrane ili spriječiti njeno prerano kvarenje.

Biotehnologija u medicini

U medicini, biotehnološke tehnike i metode igraju veliku ulogu u stvaranju novih biološki aktivnih supstanci i lijekova namijenjenih ranoj dijagnostici i liječenju različitih bolesti. Antibiotici su većina farmaceutskih spojeva dobivenih mikrobiološkom sintezom. Stvoreni su genetski modificirani sojevi Escherichia coli, kvasca, kultiviranih stanica sisara i insekata, koji se koriste za proizvodnju hormona rasta, inzulina i humanog interferona, raznih enzima i antivirusnih vakcina. Promjenom nukleotidnog niza u genima koji kodiraju odgovarajuće proteine optimizira se struktura enzima, hormona i antigena (tzv. proteinski inženjering). Najvažnije otkriće bila je tehnika koju su 1975. razvili G. Köhler i S. Milstein za korištenje hibridoma za dobivanje monoklonskih antitijela željene specifičnosti. Monoklonska antitijela se koriste kao jedinstveni reagensi za dijagnostiku i liječenje različitih bolesti.

Biotehnologija u poljoprivredi

Biotehnologija u poljoprivredi olakšava tradicionalne metode uzgoja biljaka i životinja i razvija nove tehnologije za poboljšanje poljoprivredne efikasnosti. U mnogim zemljama, metodom genetskog i staničnog inženjeringa stvorene su visokoproduktivne sorte poljoprivrednih biljaka koje su otporne na štetočine, bolesti i herbicide. Razvijena tehnika za liječenje biljaka od nagomilanih infekcija, što je posebno važno za kulture koje se vegetativno razmnožavaju (krompir i dr.). Kao jedan od najvažniji problemi biotehnologija u cijelom svijetu, istraživanje mogućnosti kontrole procesa fiksacije dušika, mogućnosti uvođenja gena za fiksaciju dušika u genom korisnih biljaka, kao i procesa fotosinteze. Istražuju se poboljšanja aminokiselinskog sastava biljnih proteina. Razvijaju se novi regulatori rasta biljaka, mikrobiološka sredstva za zaštitu biljaka od bolesti i štetočina, te bakterijska gnojiva. Genetski modificirane vakcine, serumi i monoklonska antitijela koriste se za prevenciju, dijagnostiku i liječenje glavnih bolesti u stočarstvu. Za stvaranje efikasnih tehnologija uzgoja koristi se genetski modifikovan hormon rasta, kao i tehnike transplantacije i mikromanipulacije na životinjskim embrionima. Za povećanje produktivnosti životinja koristi se protein hrane dobiven mikrobiološkom sintezom.

Biotehnologija u proizvodnji

Biotehnološki procesi koji koriste mikroorganizme i enzime na savremenom tehničkom nivou imaju široku primjenu u prehrambenoj industriji. Industrijski uzgoj mikroorganizama, biljnih i životinjskih ćelija koristi se za dobijanje mnogih vrijednih jedinjenja - enzima, hormona, aminokiselina, vitamina, antibiotika, metanola, organskih kiselina (octena, limunska, mliječna) itd. Uz pomoć mikroorganizama vrši se biotransformacija nekih organskih spojeva u druge (npr. sorbitol u fruktozu). Imobilizirani enzimi se široko koriste u raznim industrijama. Monoklonska antitijela se koriste za izolaciju biološki aktivnih tvari iz složenih smjesa. A. S. Spirin je 1985-1988 razvio principe sinteze proteina bez ćelija, kada su umesto ćelija specijalni bioreaktori koji sadrže potreban set prečišćene ćelijske komponente. Ova metoda proizvodi različite vrste proteina i može biti efikasna u proizvodnji. Mnoge industrijske tehnologije zamjenjuju se tehnologijama koje koriste enzime i mikroorganizme. Takve biotehnološke metode za preradu poljoprivrednog, industrijskog i kućnog otpada, tretman i korištenje otpadnih voda za proizvodnju bioplina i gnojiva. U brojnim zemljama za dobijanje se koriste mikroorganizmi etanol, koji se koristi kao gorivo za automobile (u Brazilu, gdje se široko koristi alkohol za gorivo, dobija se iz šećerne trske i drugih biljaka). Ekstrakcija mnogih metala iz ruda niskog kvaliteta ili otpadnih voda zasniva se na sposobnosti različitih bakterija da prenesu metale u rastvorljiva jedinjenja ili ih akumuliraju.

Bionanotechnology

Razvoj bioloških materijala i posebnih procesa koji koriste nanomaterijale ili nanotehnologije. Uključujući molekularne motore, biomaterijale, tehnologiju manipulacije jednim molekulom, tehnologiju biočipa.

Biotehnologija. Istorija i dostignuća