Вход

Биотехнология. Вклад в решение глобальных проблем человечества

Реферат по биологии
Дата добавления: 09 сентября 2002
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 132 кб
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Данная работа не подходит - план Б:
Создаете заказ
Выбираете исполнителя
Готовый результат
Исполнители предлагают свои условия
Автор работает
Заказать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
Биотехнологии Удивительным и открытиями в науке и грандиозным научн о-техническим прогрессом ознаменовался XX век , однако научно-технический прогресс в настоящем виде имеет негативные стороны : исчерпание ископаемых ресурсов загрязнение окружающей сре ды , исчезновение многих видов растений и ж ивотных , глобальное изменени е климата , появление озоновых дыр над полюсами Земли и т.д . Ясно , что такой путь ведёт в тупик . Нужно принципиальное изменение вектор а развития . Биотехнология может внести решающ ий вклад в решение глобальных проблем чел овечества. Биотехнология - это использ ование живых организмов (или их состав ных частей ) в практических целях. Когда говорят о современной биотехноло гии , то подобное определение дополняют словам и : на базе достижений молеку лярной биологии. Если не сдел ать подобного добавления , то под определение "биотехнология " попадут и традиционное с /х , животноводство и многие отрасли пищев ой промышленности , использующие микроорганизмы . Да лее мы остановимся на одном из видов биотехнологии , а именно на генной инженерии , которая открывает совершенно новые пути в медицине химии , в производстве Энергии , новых материалов , в охране окружающ ей среды . Генная инженерия - это технология манипуляций с веществом наслед ственности - ДНК. Сегодня учёные могут в пробирке разре зать молекулу ДНК в желательном месте , изо лировать и очищать отдельные её фрагмен ты , синтезировать их из двух дезоксирибонукле отидов , могут сшивать такие фрагменты . Результ атом таких манипуляций являются "гибридные ", ил и рекомбинантные молекулы ДНК , которых до этого не было в природе. Годом рождения генн ой инженерии с читается 1972 год , когда в лаборатории Пола Б ерга в США была получена в пробирке п ервая рекомбинантная реплицироваться , т.е . размножа ться , в бактерии кишечной палочки E.с oli. Само появление генной инженерии стало возможным благодаря фундамен т альным открытиям в молекулярной биологии. В 60-е годы ученые расшифровали генетический код , т.е . установили , что каждая аминокислота в бе лке кодируется триплетом нуклеотидов в ДНК . Особенно важно , что генетический код универсален для всего живого мира. Эт о означает , что ве сь мир "разговаривает " на одном языке . Если передать в какую - либо клетку "чужеродную " ДНК , то информация , в ней закодированная , будет правильно воспринята клеткой реципиен том. Далее было установлено , что существуют специальные последова тельност и ДНК, определяющие начало и окончание транскрипции , трансляции , репликации . Практически все эти системы , в первом п риближении , безразличны к последовательностям ДНК , расположенным между данными сигналами . Надо сказать , что сами сигналы различают ся в разных организмах . Из всего сказанного следует , что если взять некий структурный ген (например человека ) и in vitro снабдить его сигналами , характерными для гена бактериальн ой клетки , то такая структура , помещённая в бактериальную клетку , будет спосо б на к синтезу человеческого белка. Принципиальная особенность генной - способность создавать структуры ДНК , которые никогда не образуются в живой природе. Генная инженерия прео долела барьер , существующий в живом мире , где генетический обмен осуществляется тольк о в пределах одного вида или близкородств енных видов организмов . Она позволяет перенос ить гены из одного живого организма в любой другой . Эта новая техника открыла безграничные перспективы создания микроорганизмов , растений и животных с новыми поле з ными свойствами. Конечно , нарушение барьеров живой природы может таить потенциальную опасность . Вот почему во всех развитых странах мира прав ила работы , законы , регулирующие генно-инженерную деятельность . Закон о "генно-инженерной деятел ьности " принят и п арламентом РФ в июле 1996 г. Невозможно рассказать о всех аспектах применения техники генной инженерии в биот ехнологии или научных исследованиях . Приведём лишь несколько примеров , иллюстрирующих возможнос ти этого метода. Одно из наиболее важных направлений генной инженерии - произво дство лекарств нового поколения, представляющих собой биологически активные белки человека . Следует напомнить , что в большинстве случаев белки человека (как и других животных ) видоспецифичны , т.е . для л ечения человека можно испо льзовать только белки человека . Вследствие этого возникает проблема получения человеческих белков в н ужных количествах. В связи со сказанным интересна истори я получения интерферонов . В 1957 г . английские ученые Иссаакс и Линдельман обнаружили , что мыши , б олевшие гриппом , не подвержены инфекции другими , более опасными вирусами . Исследование наблюдаемого явления привело к выводу , клетки животных и человека в от вет на вирусную инфекцию выделяют какое-то вещество , которое делает окружающие здоровые клетки уст о йчивыми к вирусной инфекции . Это вещество (или вещества ) получило название интерферона. В течение последующих 20 лет велись инт енсивные исследования . Было установлено , что и нтерфероны - группы белков , относящиеся к 3 клас сам - alpha, betta и gamma. Лейкоци ты крови выделяют интерферон ти па alpha , фиброблас ты типа betta и T- лейкоциты т ипа gamma. Интерфер оны выделили , очистили и показали их эффек т как противовирусных лекарств . Кроме того , эти белки оказались эффективными при лечен ии рассеянного склероза и не которых в идов рака . Единственным препятствием к исполь зованию интерферонов была их малая доступност ь . Они синтезировались в очень малых колич ествах : источником их получения была или д онорская кровь , или культура клеток человека . К сожалению , эти источники не позволяли получать интерфероны в количестве , нужных медицине. В 1980 - 1985 гг . в нескольких лабораториях мира , в том числе и в СССР , были вы делены гены человека , определяющие синтез инт ерферонов , и введены в бактерии . Такие бак терии стали способны син тезировать челове ческий интерферон . Очень важно , что они бы стро растут , используют дешёвую питательную с реду и синтезируют большое количество белка . Из 1 л бактериальной культуры можно выдел ить столько человеческого интерферона alpha, сколько из 10 тыс . л . донорской крови . По лученный белок абсолютно идентичен интерферону , синтезируемому в организме человека . Конечно , пришлось решать сложную задачу очистки инт ерферона , полученного способом генной инженерии , до гомогенного состояния. Ещё 4 - 6 лет заняли до клинические и клинические испытания . Наконец в 1989 -1990 гг . по явилось новое лекарство - человеческий интерферон alpha; в России он выпускается под названием "реаферон ". За эту работу группа ученых удостоена Ленинской премии. Сегодня это почти единствен ный пр епарат , который эффективен против вирусных ге патитов как в острой , так и в хроничес ких формах , против герпеса , простудных заболев аний . Интерферон применяется и в терапии н екоторых видов рака . За рубежом с 1994 г . выпускаются препараты betta и gamma - интерферонов человека. Из других препаратов рекомбинантных белко в человека , получивших широкое медицинское пр именение , следует назвать инсулин , гормон рост а , эритропоэтин . Свиной инсулин отличается от человеческого всего одной аминокислотой . При меняется с 1926 г . для лечения людей при инсулинзависимом сахарном диабете . Для гормо на роста и эритропоэтина отмечается , как и для интерферонов , видоспецифичность белков . Г енная инженерия открыла новую возможность исп ользования этих белков в медицине . Гормон роста применяется не только для бо рьбы с карликовостью , но и широко использу ется как стимулятор для заживления ран , ср ащивания костей . Гормоны роста животных начал и использовать в с /х (увеличение на 15% у доя коров , ускорение роста рыб ). Эритропоэтин - стимулято р кроветворения и используе тся при лечении различного рода анемий. В настоящее время в мире получили разрешение на применение более 30 препаратов , созданных методами генной инженерии , и бол ее 200 находятся на разных стадиях клинических исследований . Сейч ас более 20% фармацевтиче ского рынка лекарств составляют лекарства нов ой биотехнологии. Использование рекомбинантных белков человека - принципиально новая терапия. В не вводится ничего чуж ого . Действительно , если в нём не хватает инсулина или гормона рост а , их до бавляют (заместительная терапия ). С вирусами ор ганизм сам борется с помощью интерферонов - человек просто помогает ему. Значительные успехи достигнуты в генной инженерии растений. В основе этой техники лежат методы культивирования клеток и ткан ей раст ений в пробирке и возможность регенерации целого растения из отдельных клеток. В генной инженерии растений есть свои проблемы . Одна из них состоит в том , что многие полезные свойства растений коди руются не одним , а многими генами . Это делает трудным или невозможным прямое г енно-инженерное совершенствование свойств . Другое препятствие , которое постепенно преодолевается , - т рудности культивирования и регенерации клеток в целое растение среди некоторых видов , например злаков . Лучшие результаты получены в том случае , когда перенос од ного гена может привести к появлению у растения полезного свойства. Несмотря на ограничения , получены впеча тляющие результаты : созданы сорта хлопчатника , томатов , табака , риса , устойчивых к насекомым-в редителям , вирусам , гри бковым заболеваниям . Пионер в области применения генно-инженерных растений в с /х - США . Здесь в 1996 году до 20% посевов хлопчатника произведено семенами , модифицированными методом генной инженерии. Создание генно-инженерных (их сейчас называют трансгенны ми ) животных имеет те же принципиальные трудности , что и создан ие трансгенных растений , а именно : множественн ость генов , определяющих хозяйственно ценные признаки . Тем не менее , есть быстро развив ающаяся область , связанная с созданием трансг енных животных - продуцентов биологически ак тивных белков. В высших организмах конкретные гены кодируют производство белков в определенных тканях . Хотя все гены содержатся в кажд ой клетке , в специализированных клетках работ ают только некоторые из них , этим и оп ределяе тся тканевая специфичность . Примером может служить производство белков молока (к озеин , лактальбумин ) в молочных железах . Есть возможность подставить нужный нам ген под регуляторные последовательности , например казеин а , и получить чужеродный белок в состав е молока . Важно при этом , что животное чувствует себя нормально , так как чужой ген работает только в процессе лактации. В мире уже существуют сотни трансгенн ых овец и коз , продуцирующих в молоке от десятков миллиграмм до нескольких грамм биологически активн ых белков человека в 1л молока . Такой метод производства экон омически выгоден и экологически чище , хотя и требует от ученых больших усилий и времени при создании трансгенных животных по сравнению с созданием генно-инженерных мик роорганизмов. С молоком тран сгенных животных мо жно получать не только лекарства . Известно , что для производства сыра высокого качеств а необходим фермент , створаживающий молоко , - реннин . Этот ф ермент добывают из желудков молочных телят . Он дорог и не всегда доступен . Наконец , генные инженеры сконструировали дрожжи , которые стали производить этот ценный бело к при микробиологическом синтезе. Следующий этап генной инженерии - создание трансгенных овец , которые синтезируют химо зин в молоке . Небольшое стадо наших овец в России находится н а Ленинских Горках под Москвой . Эти овцы синтезируют до 300 мг /л фермента в молоке . Для процесса сыроварения белок можно не выделять , а использовать просто в составе молока. Возможна экспансия биотехнологии в области , которые сегодня целиком принад лежат хи мии . Это - биокат ализ (вместо химического катализ а ) и новые материалы . Один из процессов биокатализа , успешно реализованного в промышлен ности , - получение акриламида из акрилонитрила . CH2=CH – CN -> CH2=CH-C=0 | NH 2 Акриламид служит исходным мономером для получения полимеров и сополимеров , широко используемых при оч истке воды и стоков , в горном деле , при осветлении соков и вин , приготовлени и красок и т.п. До недавнего времени процесс гидролиза нитрила вели п ри 105 С в присутствии серной кислоты . После окончания процесса серную кислоту нейтрализо вали аммиаком . Большое количество сернокислого аммония , в конечном счёте оказывался в реках . Был и велики затраты энергии , бы стро изнашивалось оборудование , и качество ак риламида оставляло желать лучшего. В 1987 году ученые из института генетики и селекции промышленных микроорганизмов совместно со св оими коллегами из Саратовского филиала инстит ута при ступили к поиску в природе микроорганизмов , которые могли бы превращать акрилонитрил в акриламид , Такие микроорганизмы были найдены . После ряда манипуляций полу чены микроорганизмы , синтезирующие в 10 тыс . раз больше фермента – нитрилгидратазы , ответств енн о го за трансформацию акрилонитрила . Достижения учёных реализованы на практике . На одном из заводов , выпускающий антибио тики , налажен выпуск биокатализатора , т.е . нужны х микроорганизмов , а ещё на 3 заводах осуще ствлён процесс биокаталитического получения акр иламида . Процесс осуществляется при комна тном давлении и температуре , следовательно , ма ло энергоёмок . Процесс практически не имеет отходов , экологически чист . Получаемый новым методом акриламид имеет высокую чистоту , чт о важно , так как большая его часть д а лее полимеризуется в полиакриламид , а качество полимера сильно зависит от чистоты мономера. Другой пример относится не к биокатал изу , а к биоматериалам . Учёные давно обратили внимание на очень ценные механические свойства материала , из которого пауки плету т сети. Паутинка примерно в 100 раз тоньше челов еческого волоса , этот материал мягче хлопка , прочнее стали , обладает уникальной эластичност ью , практически не меняет свойств при изме нении температуры , материал идеально подходит для многих практических целей : парашютного корда , бронежилетов и т.д . Вопрос , где взять большое количество паутины по исходной цене ? На помощь пришла генная инженерия . Учё ные выделили гены , ответственные за синтез белков паутины , и перенесли их в микроо рганизмы . В 1995 г . появилось с ообщение ам ериканских исследователей , что в микроорганизмах действительно синтезируется нужный белок . Та ким образом открывается путь к промышленному микробиологическому синтезу нового материала. Обычно для роста микроорганизмов испол ьзуются дешёвые крахма л , патока и друг ие с /х продукты , т.е . возобновляемое сырьё. Нужно отметить . Что бактерии синтезируют не нити , а аморфный белок так же , как и пауки . Нить образуется , когда паук выдавливает белок из сопла своих желёз . Технически возможно имитировать этот про цесс , продавливая аморфный белок через очень тонкие отверстия . Первые нити из микробио логического белка уже получены . Есть реальная возможность улучшить великолепные качества п аутины , внеся некоторые изменения в аминокисл отную последовательность белка. При ведённые примеры далеко не охв атывают всех практических аспектов применения генной инженерии . Мы не касались вопросов энергетики , охраны среды , добычи полезных ис копаемых , микробиологической промышленности , а так же очень важного вопроса – роли генной инже н ерии в развитии самой мол екулярной биологии. Новая «Зелёная революция» , которая уже началась , даст растения , которые не будут нуждаться в пестицидах , а в будущем - и в азотных удобрениях . Прекращение использова ния Химических пестицидов резко улучшит состо я ние окружающей среды , сократит расходы нефти и газа на их производство (на 3%). Появятся новые материалы новые лекарства , вы сокопроизводительные животные , новые пищевые прод укты. По заключению экспертов конгресса США , «биотехнология в наибольшей степени из менит образ жизни людей в XXI веке».
© Рефератбанк, 2002 - 2017