Инновационные методы в биотехнологии

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Биология - это наука, которая в наши дни активно развивается и огромные надежды возлагает именно на биотехнологии. Сейчас методы биотехнологии внедряются в промышленность, сельское хозяйство и медицину. Генетическая инженерия, клеточная инженерия и конечно клонирование наиболее актуальны в XXI веке.

Биотехнология (от греч. bios -- жизнь, techne -- искусство, мастерство и logos -- слово, учение), использование живых организмов и биологических процессов в производстве. Биотехнология -- междисциплинарная область, возникшая на стыке биологических, химических и технических наук. С развитием биотехнологии связывают решение глобальных проблем человечества -- ликвидацию нехватки продовольствия, энергии, минеральных ресурсов, улучшение состояния здравоохранения и качества окружающей среды.

1. Клеточная инженерия

Клеточная инженерия - это создание клеток нового типа на основе их гибридизации, реконструкции и культивирования.

А) Гибридизация соматических клеток.

В основе метода лежит слияние клеток, в результате чего образуются гетерокарионы, содержащие ядра обоих родительских типов. Образовавшиеся гетерокарионы дают начало двум одноядерным гибридным клеткам. В 1965 английский ученый Г. Харрис впервые получил гетерокарионы, образованные клетками мыши и человека.

Такую искусственную гибридизацию можно осуществлять между соматическими клетками, принадлежащими далеким в систематическом отношении организмам и даже между растительными и животными клетками.

Гибридизация соматических клеток животных сыграла важную роль в исследовании механизмов реактивации генома покоящейся клетки и степени фенотипического экспрессивности отдельных генов, клеточного деления, в картировании генов в хромосомах человека, в анализе причин злокачественного перерождения клеток. С помощью этого метода созданы гибриды, используемые для получения однородных антител.

Первый межвидовой гибрид при слиянии протопластов из клеток разных видов табака был получен в 1972 П. Карлсоном (США). Гибриды, полученные при слиянии протопластов, имеют важные отличия от половых гибридов поскольку несут цитоплазму обоих родителей. Возможно создание гибридов, наследующих ядерные гены одного из родителей наряду с цитоплазматическими генами обоих родителей.

Особый интерес представляют гибриды растений, несущие цитоплазматические гены устойчивости к различным патогенам и стрессорным факторам от дикорастущих видов или цитоплазматические гены мужской стерильности. Слияние протопластов используют также для получения гибридов с ценными в хозяйственном отношении свойствами между отдаленными видами, которые плохо или вообще не скрещиваются обычным путем. Удалось, например, «ресинтезировать» рапс, являющийся естественным амфидиплоидом между турнепсом и капустой, получить соматический гибрид картофеля с томатами и т. д. При слиянии протопластов создают и новые клеточные линии-продуценты важных соединений.

Б) Реконструкция клеток.

Одним из способов модификации клеток является введение в них индивидуальных генов, т.е. метод генетической инженерии. Встраивание активного гена на место отсутствующего или поврежденного открывает путь для лечения генетических заболеваний человека. Изменять свойства клеток можно, вводя клеточные органеллы (ядра, хлоропласты), изолированные из одних клеток, в протопласты других клеток. Так, одним из путей активизации фотосинтеза растительной клетки может служить введение в нее высокоэффективных хлоропластов.

Искусственные ассоциации растительных клеток с микроорганизмами используют для моделирования на клеточном уровне природных симбиотических отношений, играющих важную роль в обеспечении растений азотным питанием в природных экосистемах. Рассматривается возможность придания растениям способности к фиксации молекулярного азота при введении в них целых клеток азотфиксирующих микроорганизмов.

Реконструкцию клеток проводят также при слиянии клеточных фрагментов (безъядерных, кариопластов с ядром, микроклеток, содержащих лишь часть генома интактной клетки) друг с другом или с интактными (неповрежденными) клетками. В результате получают клетки с различными свойствами, например, гибриды, либо клетки с ядром и цитоплазмой от разных родителей. Такие конструкции используют для изучения влияния цитоплазмы в регуляции активности ядра.

В) Улучшение растений и животных на основе клеточных технологий.

Выращиваемые на искусственных питательных средах клетки и ткани растений составляют основу разнообразных технологий в сельском хозяйстве. Одни из них направлены на получение идентичных исходной форме растений. Другие -- на создание растений, генетически отличных от исходных. В первом случае используют искусственное оплодотворение, культуру незрелых гибридных семяпочек и зародышей, регенерацию растений из тканей летальных гибридов, гаплоидные растения, полученные при культивировании пыльников или микроспор. Во втором -- новые формы растений создаются на основе мутантов. Таким путем получены растения, устойчивые к вирусам и другим патогенам, гербицидам, растения, способные синтезировать токсины, патогенные для насекомых-вредителей, растения с чужеродными генами, контролирующими синтез белков холодоустойчивости и белков с улучшенным аминокислотным составом, растения с измененным балансом фитогормонов и т.д.

Важную роль в животноводстве сыграла разработка методов длительного хранения спермы в замороженном состоянии и искусственного осеменения. Реально же развернулись исследования по клеточной и генной инженерии на млекопитающих.

Генетическое улучшение животных связано с разработкой технологии трансплантации эмбрионов. Клеточная инженерия позволяет конструировать клетки нового типа с помощью мутационного процесса гибридизации и, более того, комбинировать отдельные фрагменты разных клеток, клетки различных видов относящиеся не только к разным родам, семействам, но и царствам. Клеточная инженерия - широко используется в селекции растений. Выведены гибриды томата и картофеля, яблони и вишни. Регенерированные из таких клеток растения с измененной наследственностью позволяют синтезировать новые формы, сорта, обладающие полезными свойствами и устойчивые к неблагоприятным условиям и болезням. Этот метод и широко используется для «спасения» ценных сортов, пораженных вирусными болезнями.

2. Генная инженерия

Высшим достижением современной биотехнологии является генетическая трансформация, перенос чужеродных генов и других материальных носителей наследственности в клетки растений, животных и микроорганизмов, получение трансгенных организмов с новыми или усиленными свойствами и признаками. По своим целям и возможностям в перспективе это направление является стратегическим. Оно позволяет решать коренные задачи селекции биологических объектов на устойчивость, высокую продуктивность и качество продукции при оздоровлении экологической обстановки во всех видах производств. Однако для достижения этих целей предстоит преодолеть огромные трудности в повышении эффективности генетической трансформации и прежде всего в идентификации генов, создании их банков клонирования, расшифровке механизмов полигонной детерминации признаков и свойств биологических объектов, обеспечении высокой экспрессии генов и создании надежных векторных систем. Очевидна роль генетики и в изучении наследственных болезней человека и способов их профилактики, лечения, а так же путем предотвращения вредного воздействия на наследственность физических и химических факторов окружающей среды.

3. Клонирование

Клонирование - получение идентичных потомков при помощи бесполого размножения. По-другому определение клонирования звучит так “Клонирование - это процесс изготовления генетически идентичных копий отдельной клетки или организма”. То есть эти организмы похожи не только внешне, но и генетический код, заложенный в них, одинаков. Возможности клонирования открывают новые перспективы для садоводов-огородников, фермеров-животноводов, а также для его медицинского применения.

Одной из главных задач в данной области является создание коров, в молоке которых будет содержаться сыворотка человеческого алгаомина. Эта сыворотка используется для лечения ожогов и иных травм, и мировая потребность в ней составляет от 500 до 600 тон в год. Это одно направление. Второе - создание органов животных, которые можно будет использовать для трансплантации человеку. Во всех странах существует серьезный недостаток донорских органов: почек, сердец, поджелудочных желез, печени. Путём клонирования можно получать животных с высокой продуктивностью яиц, молока, шерсти или таких животных, которые выделяют нужные человеку ферменты (инсулин, интерферон, химозин). Человеческие ферменты можно получать и более простым способом: взяв нужную клетку крови человека, клонировать её и вырастить клеточную культуру, которая в лабораторных условиях будет производить нужный фермент. Комбинируя методы генной инженерии с клонированием, можно вывести трансгенные сельскохозяйственные растения.

Заключение

биотехнология клеточный гибридизация клонирование

В настоящее время биотехнология решает проблемы не только медицины или создания пищевых продуктов путем ферментации (традиционной области ее применения); с ее помощью ведется, например, разработка полезных ископаемых, решается проблема энергоресурсов, ведется борьба с нарушениями экологического равновесия и т.д. В некоторых странах (например, Японии) биотехнология объявлена «стратегической индустрией», а в других (например, Израиле) включена в число научных направлений с указанием «национальный приоритет».

Биотехнологии важны и необходимы, так как:

1) В рамках новых исследований, проведенных Службой сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США, обнаружено, что трансгенные животные могут служить новым источником ценных гормонов и лекарств для лечения эмфиземы и инфекций у маленьких детей.

2) Биотехнология помогла в изготовлении вакцины, которая защищает диких животных от бешенства, и вакцины от «транспортной лихорадки» крупного рогатого скота - болезни, которая является основной причиной падежа мясного скота в скотооткормочных хозяйствах.

3) Биотехнология может помочь товаропроизводителям увеличить урожаи сельскохозяйственных культур и накормить все больше людей. Например, ученый из Службы сельскохозяйственных исследований разработали экспериментальный гибрид картофеля, который содержит гены, устойчивые к новому, более живучему штамму так называемой фитофторозной гнили, заболевания, которое вызвало европейский картофельный голод в 1840-х годах.

Список литературы

1. Калашникова Е.А., Шевелуха В.С., Воронин Е.С. Биотехнология. М: Высшая школа, 2005.

2. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. -- Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004.

Размещено на Allbest.ru