Сравним в данном разделе, какие типологии биотехнологий предлагают организации, занятые в данной сфере (госпрограммы, технологические платформы и бизнес) а также российские эксперты, исследующие биотехнологические рынки.

В первую очередь обратимся к «Комплексной программе развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 года» () — основному документу, утвержденному Правительством России, в котором отражены желаемые качественные и количественные характеристики развития биотехнологий в стране. В соответствии с Программой можно выделить девять следующих отраслей биотехнологий:

Биофармацевтика , включающая жизненно важные лекарственные препараты, вакцины нового поколения, антибиотики и бактериофаги;
Биомедицина , подразделяющаяся на следующие подотрасли: диагностикумы ин витро, персонализированная медицина, клеточные биомедицинские технологии, биосовместимые материалы, системная медицина и биоинформатика, развитие банков биологических образцов;
Промышленная биотехнология , включающая большое количество подотраслей, среди которых производство ферментов, аминокислот и полисахаридов; организация производства глюкозно-фруктозных сиропов; производство субстанций антибиотиков; производство биодеградируемых полимеров; создание биологических комплексов по глубокой переработке древесной биомассы, зерновых и других сельскохозяйственных культур; применение биогеотехнологии в горнодобывающей промышленности; развитие принципов биорефайнинга на основе производства целлюлозы и т.д.;
Биоэнергетика , предполагающая производство электрической энергии и тепла из биомассы; утилизацию эмиссии парниковых газов и предотвращение и ликвидация последствий вредного антропогенного воздействия на окружающую среду энергетической отраслью методами биоконверсии;
Сельскохозяйственная биотехнология подразделяется на биотехнологии для растениеводства (биологическая защита растений, создание сортов растений биотехнологическими методами, биотехнология почв и биоудобрения), биотехнологии для животноводства (технологии молекулярной селекции животных и птицы, трансгенные и клонированные животные, биопрепараты для животноводства, кормовой белок, биологические компоненты кормов и премиксов), а также включающая переработку сельскохозяйственных отходов;
Пищевая биотехнология , включает производство пищевого белка, ферментных препаратов, пребиотиков, пробиотиков, синбиотиков, функциональных пищевых продуктов (лечебных, профилактических и детских), а также производство пищевых ингредиентов и глубокую переработку пищевого сырья;
Лесная биотехнология делится на четыре направления: управление лесонасаждениями, сохранение и воспроизводство лесных генетических ресурсов, создание биотехнологических форм деревьев с заданными признаками и биологические средства защиты леса;
Природоохранная (экологическая) биотехнология предполагает биоремедиацию, экологически чистое жиль, создание биологических коллекций и биоресурсных центров;
Морская биотехнология фокусируется на создании сети аквабиоцентров, глубокой переработке гидробионтов и продукции аквакультур, производстве специализированного корма для аквакультур.

Данная классификация включает в себя наиболее подробный перечень отраслей, но упомянуты лишь основные подотрасли, стратегически важные. В третьем разделе настоящей работы расширим перечень подотрослей, существующих в российской экономике.

Дальнейшее добавление цветов привело к тому, что самая широкая типология биотехнологий, представленная в большом количестве англоязычных научных работ , содержит десять отраслей, где среди традиционных отраслей появляются следующие: черная (или темная, dark) биотехнология, связанная с военными целями и терроризмом; фиолетовая биотехнология, связанная с патентованием биотехнологических открытий и разработок, а именно со всеми вопросами интеллектуальной собственности; золотая биотехнология, посвященная вопросам биоинформатики и нанобиотехнологиям; коричневая биотехнология, связанная с биотехнологическим решением проблем пустынных и аридных территорий (пространственная и геомикробиология).

Примером описанной выше расширенной типология биотехнологий является типология, опубликованная в одной из статей журнала Electronic Journal of Biotechnology (), (см. Рисунок 4). Стоит обратить особое внимание на серую и белую биотехнологии. Здесь, как и в некоторых других источниках, серая и белая биотехнологии не просто означают экологическую и промышленную биотехнологии соответственно, а делается акцент на том, что белая биотехнология — это все, что основано на исследованиях генов, а серая – это все биотехнологии, связанные с ферментами и классическими биопроцессами. В этом есть определенная логика, так как многие промышленные биотехнологии дают значительный положительный экологический эффект. Такой подход мог быть обусловлен желанием выделить «чистые» биотехнологические отрасли, а именно более или менее однозначно отнести ту или иную технологию к одному «цвету».

Рисунок 4. Типология Electronic Journal of Biotechnology
Источник: http://www.ejbiotechnology.info/index.php/ejbiotechnology/article/view/1114/1496

Может показаться, что биоэнергетика здесь не представлена, однако следует обратить внимание на зеленую биотехнологию: она содержит на самом деле экологическую биотехнологию в классическом смысле (то, что в российской литературе принято считать «серой» биотехнологией), а также биоэнергетику (которая не имеет цвета в российских источниках и часто «теряется» во многих типологиях).

2. Предлагаемая типология биотехнологий, развивающихся в России

На наш взгляд, типология биотехнологий – достаточно сложная вещь, так как биотехнологическую продукцию можно разделить по принципу «в какой отрасли осуществляется производство» и по принципу «какая отрасль нуждается, использует». Но и здесь не все однозначно, поэтому постараемся в предлагаемой типологии учесть сразу и процесс производства, и процесс использования. Это позволит более выпукло отразить связи между отраслями биотехнологий (играющие важную роль для их взаимного развития) в противоположность приведенным выше типологиям, которые представляют отрасли биотехнологий изолированно, стараются классифицировать их на основе различающихся признаков, не учитывая родство отраслей. Также постараемся раскрыть содержание биотехнологических отраслей более подробно и указать наиболее полный перечень их подотраслей, применительно к ситуации в России.

Построим предлагаемую типологию, основываясь на концепции межотраслевого баланса, а именно представим ее в виде таблицы, где строки содержат биотехнологические отрасли по принципу «где производится», а в столбцах указаны отрасли «где используется» (см. Таблицу 1).
Включим в типологию актуальные и более или менее развитые в России отрасли биотехнологий. Не будем включать черную, коричневую, золотую и фиолетовую отрасли: российские биотехнологии развиты только по 6 из 10 отраслей биоэкономики. Присвоим биоэнергетике зеленый цвет, выделим лесную биотехнологию и также присвоим ей зеленый цвет, а экологическую биотехнологию объединим с биотехнологией по переработке отходов и будем считать ее серой биотехнологией.

В ряде русскоязычных источников () к биоэнергетике относится получение энергии только с использованием возобновляемых биологических ресурсов и биологических процессов, тогда как в соответствии с «Комплексной программой развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 года» в данную отрасль входят также меры, снижающие антропогенное воздействие традиционной энергетики на окружающую среду. По нашему мнению, второй подход (более широкий) предпочтительнее, так как в ближайшей перспективе только биологические источники энергии не смогут полностью заменить традиционные.

Среди отраслей, «производящих» биотехнологии, выделим отдельную отрасль «наука». Многие аспекты биотехнологий сейчас еще имеют только теоретическое значение, но это неотъемлемая и очень важная часть наукоемкого производства. К подобным биотехнологиям, несомненно, относится постоянное пополнение базы прочитанных геномов различных живых организмов, живущих на Земле в настоящее время или обитавших в ранние эпохи, а также создание банка биологических образцов и биологических коллекций.

Таким образом, еще раз отметим, что в практических целях технологические платформы и компании создают классификацию биотехнологий, отвечающую целям работы. Такие классификации не отличаются полнотой и подробностью, что в данном случае является не «минусом», а обоснованной необходимостью. Наиболее широкая и классически принятая классификация биотехнологий – это разделение отраслей по цветам. В данной работе также предложена типология биотехнологий, развивающихся в России, целью которой было отразить связи между отраслями.

Таблица 1. Предлагаемая типология биотехнологий в России

___________________

Доклад Надежды Орловой «Рынок биотехнологий в мире и в России. Перспективы развития» в цикле семинаров «Биотехнологии будущего»: http://www.youtube.com/watch?v=72VsxIYfsAw;
Лекция Надежды Орловой на Экономическом факультете МГУ имени М.В.Ломоносова в рамках межфакультетского курса «Биоэкономика и наукоемкий бизнес»:
http://www.youtube.com/watch?v=aYh8oE-FDzg;
Исследовательская компания Abercade:
http://www.abercade.ru/research/analysis/themeid_20.html.

Более подробная информация о некоторых добавках к кормам «Биотехнологии в сельском хозяйстве»: http://www.youtube.com/watch?v=bgIzT3vkJ-s

(Это "заготовка" для студенческого доклада по биотехнологии, которую следует самостоятельно дополнить и расширить.)

План

Определение понятия "биотехнология".

Исторические предпосылки биотехнологии.

История современной биотехнологии.

Основные методы биотехнологии.

Значение биотехнологии и перспективы.

Понятию "биотехнология" можно дать много близких друг другу по смыслу определений.

1. Определение понятия "биотехнология"

Варианты определений понятия "биотехнология"

1-е (принадлежит инженеру Эреки, впервые сформулировавшему понятие биотехнологии) : Это все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты.
2-е: Это совокупность промышленных методов, использующих живые организмы.
3-е: Это использование живых организмов или биологических процессов промышленным способом.
4-е: Это прикладная наука, использующая методы генной и клеточной инженерии для получения биологической продукции промышленным способом.

5-е. Биотехнология – это не производство, а исследования в области промышленного производства товаров и услуг при участии живых организмов, биологических систем и процессов (Б. Глик, Дж. Пастернак, 2002).

Биотехнология в широком смысле - это научная дисциплина и сфера практики, пограничная между биологией и техникой, которая использует технологические процессы в работе с биологическими объектами или, наоборот, использует биологические объекты в технологических процессах.

В целом, биотехнология изучает пути и методы изменения окружающей человека природной среды в соответствии с его потребностями с помощью биологических объектов, включённых в технологические процессы.

Биотехнология в узком смысле - это совокупность методов и приемов получения нужных для человека продуктов с помощью биологических объектов. В состав биотехнологии входят генная, клеточная и экологическая инженерии.

Биотехнология, или технология биопроцессов - это производственное использование биологических структур для получения пищевых и промышленных продуктов, а также для осуществления целевых превращений.

Биологические структуры (биологические объекты) - это микроорганизмы, растительные и животные клетки, клеточные компоненты: мембраны клеток, рибосомы, митохондрии, хлоропласты, а также биологические макромолекулы (ДНК, РНК, белки - чаще всего ферменты). Биотехнология использует также вирусную ДНК или РНК для переноса чужеродных генов в клетки.

В традиционном, классическом, понимании биотехнология - это наука о методах и технологиях производства различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов.

Термин «новая» биотехнология в противоположность «старой» биотехнологии применяют для разделения биопроцессов, использующих методы генной инженерии, новую биопроцессорную технику, и более традиционные формы биопроцессов. Так, обычное производство спирта в процессе брожения – «старая» биотехнология, но использование в этом процессе дрожжей, улучшенных методами генной инженерии с целью увеличения выхода спирта - «новая» биотехнология.

Термин «биотехнология» впервые предложил венгерский инженер Карл Эреки (1917), когда описывал производство свинины (конечный продукт) с использованием сахарной свеклы (сырье) в качестве корма для свиней (биотрансформация).

Под биотехнологией К. Эреки понимал «все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты». Все последующие определения этого понятия - всего лишь вариации пионерской и классической формулировки К. Эреки.

Современная биотехнология - это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных биологических объектов для интенсификации производства или получения новых видов продуктов различного назначения.

Методы биотехнологии могут применяться на следующих уровнях: молекулярном (манипуляция с отдельными частями гена), генном, хромосомном, уровне плазмид, клеточном, тканевом, организменном и популяционном.

Стэнли Коэн и Герберт Бойер в 1973 г. разработали метод переноса гена из одного организма в другой. Коэн писал: «...есть надежда, что удастся ввести в Е. coli гены, ассоциированные с метаболическими или синтетическими функциями присущими другим биологическим видам, например, гены фотосинтеза или продукции антибиотиков». С их работы началась новая эра в молекулярной биотехнологии. Было разработано большое число методик, позволяющих 1) идентифицировать 2) выделять; 3) давать характеристику; 4) использовать гены.

В 1978 г. сотрудники фирмы «Genetech» (США) впервые выделили последовательности ДНК, кодирующие инсулин человека, и перенесли их в клонирующие векторы, способные реплицироваться в клетках Escherichia coli. Этот препарат мог использоваться больными диабетом, у которых наблюдалась аллергическая реакция на инсулин свиньи.

В настоящее время молекулярная биотехнология дает возможность получать огромное количество продуктов: инсулин, интерферон, «гормоны роста», вирусные антигены, огромное количество белков, лекарственных препаратов, низкомолекулярные вещества и макромолекулы.

Использование клеточных технологий для промышленного получения биологически активных веществ растительного происхождения

Институт физиологии растений им. К.А.Тимирязева РАН, Москва, 127276

Использование биологически активных веществ (БАВ) растительного происхождения часто ограничено доступностью растительных ресурсов и может представлять серьезную угрозу для редких видов лекарственных растений. Культуры клеток высших растений могут служить возобновляемым источником ценных вторичных метаболитов, однако до настоящего времени известны лишь единичные примеры их коммерческого применения. Основными причинами сложившейся ситуации являются недостаточная продуктивность культур клеток по вторичным метаболитам и высокая стоимость выращивания. Используя традиционные методы -селекцию продуктивных штаммов, оптимизацию сред, элиситацию, добавление предшественников синтеза - можно повысить продуктивность культур клеток растений на один-два порядка. Методы метаболической инженерии - суперэкспрессия или выключение генов белков, определяющих синтез целевого продукта - могут существенно изменять биосинтетические способности клеток in vitro. В то же время, многие вторичные соединения не удалось пока получить в культуре клеток, что может быть обусловлено спецификой клеточной культуры - экспериментально созданной популяции соматических клеток - как биологической системы. Для этих случаев может оказаться эффективным использование культур органов растений или трансформированных корней (hairy root). Проводятся работы по получению вторичных метаболитов растений в дрожжах и бактериях, трансформированных растительными генами.

Литература:

(Указать использованную для составления данного доклада литературу, включая сайты Интернета.)

Медицинская биотехнология - это новое слово, современный этап развития человечества. Невиданные ранее разработки позволяют поднимать человека на следующую степень социальной эволюции. Ведь они позволяют кардинальным образом менять вектор развития. Чтобы не ограничиваться общими фразами, повествование статьи будет вестись на основании данных, предоставленных РНПЦ трансфузиологии и медицинских биотехнологий в Минске.

Вводная информация

Человечество переживает эпоху расцвета. В профилактической и клинической медицине наблюдается экспоненциальный прогресс, равно как и в фармацевтической промышленности. Этому способствуют выдающиеся достижения в биотехнологии, а также ряде других областей науки и техники. То, что еще вчера казалось фантастикой, сегодня постепенно входит в нашу жизнь. Инновации информационных, генных и иных технологий обладают возможностью обеспечить победу в борьбе с множеством болезней. Каким образом? К примеру, внесение коррективов в геном человека позволяет увеличить продолжительность жизни. Восстановление или замена стареющих органов благодаря также позитивно скажется на каждом, кто прошел это лечение. Беременность вне стенок утробы? Поправимо. Обследовать и дистанционно консультировать пациентов? Вполне реально.

Об используемых препаратах

Наибольшего прогресса удалось достичь в фармацевтике. К ее достижениям следует отнести такие препараты:

Полусинтетические/природные антибиотики, которые могут подавлять рост живых клеток. Как пример можно привести ингибиторы биосинтеза клетки, РНК (на уровне полимера, метаболизма фолиевой кислоты, ДНК-матрицы), нарушители молекулярной организации.
Стероидные гормоны. Они обладают противораковыми, анаболическими, контрацептивными и противовоспалительными свойствами.
Моно- и комплексные лекарства, в качестве основы которых используются аминокислоты. Как пример можно привести глицин, глутамин, метионин, раверон, румалон, тимоген, церебролизин, цистеин, эмбриобласт.
Водо- и жирорастворимые витамины, обладающие высокой биологической ценностью и служащие активными катализаторами метаболических процессов в организме. В качестве примера можно привести группу Б, а также С, А, Е, К.
Пробиотики, оптимизирующие микробиологический статус. К ним относятся лактобациллы, бифидо- и молочнокислые бактерии, энтерококки (некоторые их штаммы).
Лейкоцитарный и что подходит для лечения вирусных гепатитов и тому подобных проблем.
Ферменты, принимающие участие в биохимических реакциях в живых организмах. В качестве примера можно вспомнить трансферазы, лиазы, изомеразы, гидролазы, лигазы.
Вакцины, позволяющие усилить защитные функции иммунной системы по отношению к патогенным вирусам и деструктивным организмам. Могут получаться даже с использованием технологии рекомбинантной ДНК.

Борьба со старением

Говоря о том, что собой представляет медицинская биотехнология, нельзя обойти вниманием ее исключительный вклад в противодействие процессу дряхления. Это возможно благодаря открытиям в молекулярной биологии, расшифровке генома человека и разгадке структуры ДНК, а также ряду иных успехов. Их практическое широкое применение близко к воплощению. Генодиагностика и генотерапия в ближайшие десятилетия прочно войдут в нашу жизнь. Они позволят качественно улучшить медицинское обслуживание и уже на эмбриональной стадии выявлять и устранять в щадящем режиме зачатки определенных заболеваний (онкологических, генетических, инфекционных).

Что собой представляет нанобиотехнология?

Это направление заслуживает особенного внимания в контексте рассматриваемой проблематики. Практически любой медицинский центр биотехнологии заинтересован в отменных результатах. И как это часто бывает, их можно получить на стыке разных направлений работы. Таковым объединением и стал синтез био- и нанотехнологии. Например, адресная доставка лекарственных средств с помощью нанокапсул. Чем не вариант? Проведение хирургических операций с использованием высокоточных инструментов, изготовление биореакторов для выращивания стволовых клеток, создание зондовых микроскопов и биосенсеров, фильтрация жидкостей организма от вредных веществ благодаря мембранам с нанопорами, антибактериальные перевязочные материалы с пропиткой из вещества, позволяющего мгновенно остановить кровотечение - все это далеко не предел.

О дискуссионных аспектах

Следует отметить, что РНПЦ трансфузиологии и медицинских биотехнологий функционирует не без проблем. Ведь деятельность предполагает работу с рядом дискуссионных вопросов. Если перечислять их все, то получится существенный по своему размеру список. Поэтому более целесообразно просто выделить наиболее важные моменты:

Недостаточная изученность последствий при генетическом манипулировании.
Сложности в определении пределов допустимого антропогенного вмешательства в идущие биологические процессы.
Морально-этические неоднозначности осуществляемой деятельности с позиции человеческого достоинства и самовосприятия.

Если медицинская биотехнология сможет дать успешные и удовлетворяющие ответы на эти вопросы и вызовы, то в таком случае будут существовать все предпосылки для их безопасного использования. И тогда все смогут осознать, насколько масштабный и самостоятельный шаг в сторону управляемой эволюции был сделан.

Подготовка специалистов

В наш век машин и роботов человечество научилось тяжелый и монотонный труд поручать своим несознательным помощникам. Но, увы, сферы исследований и научных разработок слишком сложны, чтобы передать их механическим и электронным устройствам. И здесь, как нигде, актуально утверждение, что кадры решают все. Поэтому была введена отдельная специальность - медицинская биотехнология. При обучении необходимо изучать ферментацию, отдельных животных и растительных клеток, а также генную инженерию. Так, если говорить о последней, то здесь необходимо упомянуть о диагностике и идентификации мелких форм жизни. Дополнительно она работает над клонированием и секвенированием генов, а также их химическим анализом.

Как работает центр трансфузиологии и медицинских биотехнологий?

Допустим, перед исследователями стоит определенная задача. В таком случае становится актуальным вопрос о том, как же ее выполнять и достигать поставленные цели. Зависимо от рабочего фактора выделяют физические и химические методы, а по характеру воздействий - не/избирательные (в первом случае это дезинфекция и стерилизация, во втором - химиотерапевтические).

Давайте рассмотрим, что собой представляет первый вариант. Под физическими методами понимают такие:

Термическая обработка. Это прокалывание, пастеризация, кипячение, автоклавирование.
Облучение (гамма-, рентгеновское, ультрафиолетовое, микроволновое).
Фильтрование (пропуск субстанции через определенные заслоны и материалы, обладающие, например, порами в 200 нанометров).

Среди химических методов различают:

Неспецифического действия. Используются для обработки помещений и как антисептики. Для примера можно привести йод, хлор, альдегиды, спирты, соли тяжелых металлов, щелочи и кислоты, катионные детергенты, окислители, фенолы.
Избирательные препараты. К таковым относятся средства, подавляющие определенный аспект жизнедеятельности. В первую очередь следует вспомнить про антибиотики, а также химиотерапевтические препараты.

Медицинские и экологические биотехнологии предполагают широкое использование различного инструментария. Поэтому без детальной характеристики общих положений их работы и применения не обойтись. И в качестве объекта рассмотрения выступят антибиотики.

Как ведется работа?

Допустим, у нас есть кластер медицинского/экологического приборостроения и биотехнологий. К нашим услугам несколько тысяч веществ, классифицированных как антибиотики. Но в реальности в качестве основы для препаратов используется значительно меньшее их количество. Это обусловлено существующими требованиями, ограничивающими применение:

Должны быть эффективны в низких концентрациях.
Необходимо обеспечить стабильность в организме и разных условиях хранения.
Должна наблюдаться низкая токсичность (или вообще отсутствовать).
Необходимым условием является наличие выраженного бактерицидного и/или бактериостатического эффекта.
Не должны наблюдаться выраженные побочные эффекты.
Отсутствует иммунодепрессивное воздействие.

Если с этим проблем нет, то лаборатории и институты медицинских биотехнологий переходят к следующему этапу, который заключается в том, что антибиотики разделяются по своему происхождению, направленности, спектру и механизму действия.

Пример классификации

Зависимо от спектра действия выделяют антибиотики:

Противоопухолевые. В качестве примера можно привести "Рифампицин".
Противотуберкулезные. Как пример можно привести "Канимицин" и "Стрептомицин".
Противогрибковые. Это "Нистатин", "Амфотеррицин", "Низорал", "Леварин".
Антибиотики широкого спектра действия. Это "Стрептомицин" и "Неомицин".
Препараты, действующие на грамположительную микрофлору. К таковым относится "Пенициллин" и "Эритромицин".
Препараты, действующие на грамотрицательную микрофлору. Наиболее известным представителем является "Полимиксин".

А что с другими разработками?

Направления медицинской биотехнологии настолько многочисленны и разнообразны, что пробовать выработать универсальный рецепт для них всех не предоставляется возможным. К примеру, подходы, применяемые к антибиотикам, малопригодны в генной инженерии. Это относится не только к исследованию, но и к воспроизводству и усовершенствованию наработок. К примеру, медицинская биотехнология антибиотиков уже неплохо изучена. И у нас сейчас есть множество препаратов, позволяющих бороться с самыми страшными болезнями. Но вот исправление генетических проблем - увы, это пока слабо поддается.

Еще один пример деятельности

Очень перспективным направлением работы сейчас считается генная инженерия. Только подумайте - потенциально с ее помощью можно преодолеть множество болезней и негативных состояний человеческого здоровья. Синдром Дауна, склонность к проблемам сердечной системы и множество иных неприятностей могут быть решены благодаря генной терапии или будут минимизированы. Не нужно будет ждать, пока среди поколений людей выработается иммунитет (что сопровождается многочисленными смертями). Достаточно будет пройти что-то вроде серии уколов - и у человека будет решена проблема, а также появится иммунитет.

Заключение

Технологии в сфере медицины открывают перед нами широкие возможности. Сегодня человечество, как никогда, близко к тому, чтобы решительным образом избавиться от преследующих тысячелетиями болезней и физических недостатков. Как это ни парадоксально, но наше движение к этой цели не является настолько быстрым, как нам бы этого хотелось. Почему? Здесь можно вспомнить коммерческую направленность деятельности исследовательских учреждений, существующие законодательные ограничения и неправильное использование имеющихся технологий. В качестве примера последней ситуации можно привести использование антибиотиков. Эти препараты довольно широко распространены и часто отпускаются без рецептов. Во многих отсталых странах их использование и продажа вообще слабо регламентируются или не ограничиваются вовсе. Поэтому антибиотики часто используются без предписания врача и в неправильной дозировке (слишком маленькой или с нарушением временных ограничений). А это все способствует тому, что у микроорганизмов вырабатывается устойчивость, и медицинские препараты теряют свои свойства.

Основные направления биотехнологии.Биотехнология - это производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью живых организмов, культивируемых клеток и биологических процессов.

Возможности биотехнологии необычайно велики благодаря тому, что ее методы выгоднее обычных: они используются при оптимальных условиях (температуре и давлении), более производительны, экологически чисты и не требуют химических реактивов, отравляющих среду и др.

Объектами биотехнологии служат многочисленные представители групп живых организмов - микроорганизмы (вирусы , бактерии , протисты, дрожжи и др.}, растения , животные , а также изолированные из них клетки и субклеточные структуры (орга-неллы). Биотехнология базируется на протекающих в живых системах физиолого-биохимических процессах, в результате которых осуществляются выделение энергии, синтез и расщепление продуктов метаболизма, формирование химических и структурных компонентов клетки.

Главными направлениями биотехнологии являются: 1) производство с помощью микроорганизмов и культивируемых эука-риотических клеток биологически активных соединений (ферментов, витаминов, гормональных препаратов), лекарственных препаратов (антибиотиков, вакцин, сывороток, высокоспецифичных антител и др.), а также белков, аминокислот, используемых в качестве кормовых добавок; 2) применение биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка сточных вод, загрязнений почвы и т. и.) и для защиты растений от вредителей и болезней; 3) создание новых полезных штаммов микроорганизмов, сортов растений, пород животных и т. п.

Задачи, методы и достижения биотехнологии. Человечеству необходимо научиться эффективно изменять наследственную природу живых организмов, чтобы обеспечить себя доброкачественной пищей и сырьем и при этом не привести планету к экологической катастрофе. Поэтому не случайно главной задачей селекционеров в наше время стало решение проблемы создания новых форм растений, животных и микроорганизмов, хорошо приспособленных к индустриальным способам производства, устойчиво переносящих неблагоприятные условия, эффективно использующих солнечную энергию и, что особенно важно, позволяющих получать биологически чистую продукцию без чрезмерного загрязнения окружающей среды. Принципиально новыми подходами к решению этой фундаментальной проблемы является использование в селекции генной и клеточной инженерии.

Генная (генетическая) инженерия - раздел молекулярной генетику связанный с целенаправленным созданием новых молекул ДНК, способных размножаться в клетке-хозяине и осуществлять контроль за синтезом необходимых метаболитов клетки. Возникнув на стыке химии нуклеиновых кислот и генетики микроорганизмов, генная инженерия занимается расшифровкой структуры генов, их синтезом и клонированием, вставкой выделенных из клеток живых организмов или вновь синтезированных генов в клетки растений и животных с целью направленного изменения их наследственных свойств.

Для осуществления переноса генов (или трансгенеза) от одного вида организмов в другой, часто очень далекий по своему происхождению, необходимо выполнить несколько сложных операций:

выделение генов (отдельных фрагментов ДНК) из клеток бак- терий, растений или животных. В отдельных случаях эту операцию заменяют искусственным синтезом нужных генов;
соединение (сшивание) отдельных фрагментов ДНК любого происхождения в единую молекулу в составе плазмиды;
введение гибридной плазмидной ДНК, содержащей нужный ген , в клетки хозяина;
копирование (клонирование) этого гена в новом хозяине с обеспечением его работы.

Клонированные гены путем микроинъекции вводят в яйцеклетку млекопитающих или протопласты растений (изолированные клетки, лишенные клеточной стенки) и из них выращивают целых животных или растения , в геном которых встроены (интегрированы) клонированные гены. Растения и животные, геном которых изменен путем генноинженерных операций, получили название трансгенных растений или трансгенных животных.

Уже получены трансгенные мыши , кролики , свиньи, овцы, в геноме которых работают чужеродные гены различного происхождения, в том числе гены бактерий, дрожжей, млекопитающих, человека, а также трансгенные растения с генами других, неродственных видов. Трансгенные организмы свидетельствуют о больших возможностях генной инженерии как прикладной ветви молекулярной генетики. Например, в последние годы получено новое поколение трансгенных растений, для которых характерны такие ценные признаки, как устойчивость к гербицидам, к насекомым и др. Трансгенные растения в 1999 г. занимали в мире площадь, равную 48,2 млн. га.

Есть все основания предполагать, что уже в ближайшем будущем будет решена проблема направленного изменения наследственности высших растений, что приведет к революции в сельском хозяйстве. В первую очередь речь идет о создании симбиоза между злаками и азотфиксирующими клубеньковыми бактериями , а это решит проблему азотных удобрений. Имеются уже доказательства того, что свободноживущие азотфиксирующие бактерии способны ассоциировать с корнями злаков, давая возможность растению-хозяину получать некоторое количество азота в результате бактериальной азотфиксации. Теперь генетически нужно добиться, чтобы азотфиксирующие бактерии более эффективно присоединялись к корням злаков, что способствовало бы их более полезной и успешной ассоциации (симбиозу).

Разрабатывается метод переноса в определенные растения более эффективных ферментных систем метаболического пути фиксации атмосферного углерода (темновой фазы фотосинтеза), что позволит повысить скорость фиксации углекислого газа и, как следствие, продуктивность фотосинтеза культурных растений.

Самым важным шагом к победе не только над генетическими болезнями, но и над старостью будет разработка методов геноте-рапии, безопасных для клетки. Тогда у врачей появится возможность заменять в организме пожилых людей поврежденные в результате мутаций гены на нормальные.

На сегодняшний день методы генной инженерии позволили осуществить синтез в промышленных количествах таких гормонов, как инсулин, интерферон и соматотропин (гормон роста), которые необходимы для лечения ряда генетических болезней человека - сахарного диабета, некоторых видов злокачественных образований, карликовости,

С помощью генетических методов были получены также штаммы микроогранизмов (Ashbya gossypii, Pseudomonas denitrificans и др.), которые производят в десятки тысяч раз больше витаминов (С, В 3 , В 13 , и др.), чем исходные формы.

В основе клеточной инженерии лежит использование методов культивирования изолированных клеток и тканей на искусственной питательной среде в регулируемых условиях. Это стало возможным благодаря способности растительных клеток в результате регенерации формировать целое растение из единичной клетки. Условия регенерации разработаны для многих культурных растений - картофеля, пшеницы, ячменя, кукурузы, томатов и др. Работа с этими объектами делает возможным использование в селекции нетрадиционных методов клеточной инженерии - соматической гибридизации, гаплоидии, клеточной селекции, преодоления нескрещиваемости в культуре и др.

Соматическая гибридизация - это слияние двух различных клеток в культуре тканей. Сливаться могут разные виды клеток одного организма и клетки разных, иногда очень далеких видов, например мыши и крысы , кошки и собаки, человека и мыши,

Культивирование клеток растений стало возможным, когда научились с помощью ферментов избавляться от толстой клеточной стенки и получать изолированный протопласт, который можно культивировать так же, как и клетки животных. Кроме того, можно заставить слиться с протопластом других видов растений и получить в соответствующих условиях новые гибриды. Протопласт является также идеальным реципиентом для чужеродной ДНК, что дает возможность образования генетически модифицированных растений.

Из протопластов многих растений в подходящих условиях формируются полноценные организмы, которые можно пересадить в землю и далее размножать обычным способом. Таким путем получают гибриды между растениями, которые иначе не скрещиваются, освобождаются от вирусов или, наоборот, вводят в растения иные гены.

У растений-регенерантов выявлен широкий спектр мутаций как по качественным, так и по количественным признакам. Для проведения направленной селекции мутантов в культуре создается селективный фон, позволяюеций отобрать клетки с нужными качествами. Именно этот тип клеточной селекции обеспечивает возможность повышения приспособленности генотипов, т. е. в культуре возможна селекция на устойчивость к патогенам, гербицидам, засолению почв, высокой или низкой их кислотности, засухе и т, п. Общий принцип отбора растительных клеток в культуре на питательной среде заключается в том, что признак растения, по которому ведется отбор, как правило, должен проявляться на клеточном уровне.

Например, если в культуру растительных клеток добавить токсичные аналоги аминокислот, то будут размножаться только те мутанты, у которых собственный синтез этих аминокислот выше обычного. Так удалось получить клетки, а из них растения моркови, синтезирующие в 20 раз больше метионина, в 30 раз - триптофана, в 5 раз - лизина. Проведение такой селекции на целых растениях потребовало бы огромной работы в течение многих десятков лет.

Очень важное направление клеточной инженерии связано с ранними стадиями эмбриогенеза. Например, оплодотворение яйцеклеток в пробирке уже сейчас позволяет преодолевать некоторые распространенные формы бесплодия у человека. У сельскохозяйственных животных с помощью инъекции гормонов удается получить от одной коровы-рекордистки десятки яйцеклеток, оплодотворить их в пробирке спермой породистого быка, а затем имплантировать в матку других коров; в результате один ценный экземпляр дает в 10 раз больше потомства, чем это было возможно обычным путем.

Культуру растительных клеток выгодно использовать для быстрого размножения медленно растущих растений - женьшеня, маслинной пальмы , малины, персиков и др. Так, при обычном разведении куст малины дает не более 50 отростков в год, а с помощью культуры клеток можно получить более 50 тыс. растений. При таком разведении иногда вырастают растения более продуктивные, чем исходный сорт. Так были выведены новые ценные сорта картофеля, грейпфрута и т. д.

Уже многие годы для решения проблемы загрязнения окружающей среды используются биологические методы, разработанные биотехнологами. Так, бактерии родов Rhodococcus и Nocardia с успехом применяют для эмульгирования и сорбции углеводородов нефти из водной среды. Они способны разделять водную и нефтяную фазы, концентрировать нефть, очищать сточные воды от примесей нефти. Ассимилируя углеводороды нефти, такие микроорганизмы преобразуют их в белки , витамины группы В и каротины. Если в питательную среду из нефтяных фракций добавить азотистые вещества с минеральными солями, то процесс образования белков пойдет необычайно интенсивно. Практически с каждой тонны углеводородов таким путем можно получить до тонны белков. Это означает, что менее одного процента обрабатываемой теперь сырой нефти хватило бы для возмещения недостатка в белках на всей планете.

Некоторые из штаммов галобактерий с успехом применяют для удаления мазута с песчаных пляжей. Получены также генно-инженерные штаммы, способные расщеплять октан, камфору, нафталин, ксилол, эффективно утилизировать сырую нефть. Для извлечения металлов из сточных вод могут широко использоваться штаммы Citrobacter, Zoogloea, способные накапливать уран, медь, кобальт.

Получены высокоэффективные штаммы Pseudomonas и термофильной бактерии Sulfolobus для удаления серы из угля; это одна из сложнейших экологических проблем; так как при сжигании угля происходит сильное загрязнение окружающей среды серой.

Биотехнология проникает в тяжелую промышленность, где микроорганизмы используются для добычи, превращения и переработки природных ископаемых. Уже в древности первые металлурги получали железо из болотных руд, производимых железобактериями, которые способны концентрировать железо. Теперь разработаны способы бактериальной концентрации ряда других ценных металлов - марганца, цинка, меди, хрома и др. Эти методы используются для разработки отвалов старых рудников и бедных месторождений, где традиционные методы добычи экономически невыгодны.

Биотехнология решает не только конкретные задачи науки и производства. У нее есть более глобальная методологическая задача - она расширяет и ускоряет масштабы воздействий человека на живую природу и способствует адаптации живых систем к условиям существования человека, т. е. к ноосфере. Биотехнология, таким образом, выступает в роли мощного фактора антропогенной адаптивной эволюции.

У биотехнологии, генетической и клеточной инженерии многообещающие перспективы. Со временем человек будет внедрять нужные гены в клетки растений, животных и человека, что позволит постепенно избавиться от многих наследственных болезней, заставит клетки синтезировать необходимые лекарства и биологически активные соединения, а затем - непосредственно белки и незаменимые аминокислоты , употребляемые в пищу. Используя методы, уже освоенные природой, биотехнологи надеются получать с помощью фотосинтеза водород - самое экологически чистое топливо будущего, а также превращать в аммиак атмосферный азот при обычных условиях и т. д.

Источник : Н.А. Лемеза Л.В.Камлюк Н.Д. Лисов "Пособие по биологии для поступающих в ВУЗы"

Биотехнология - это наука, изучающая возможность использовать живые организмы или продукты их жизнедеятельности для решения определенных технологических задач.

С помощью биотехнологий, происходит обеспечение определенных человеческих потребностей, например: разработка медицинских препаратов, модификация или создание новых видов растений и животных, что увеличивает качество пищевых продуктов.

Биотехнология в современной медицине

Биотехнология, как наука, зарекомендовала себя в конце ХХ века, а именно в начале 70-х годов. Все началось с генетической инженерия, когда ученые смогли перенести генетический материал из одного организма к другому без осуществления половых процессов. Для этого была использовано рекомбинантная ДНК или рДНК. Такой метод применяется для изменения или улучшения определенного организма.

Чтобы создать молекулу рДНК нужно:

извлечь молекулу ДНК из клетки животного или растения;
обработать изолированную клетку и плазмиду, а затем смешать их;
затем, измененная плазмида переносится в бактерию, а та в свою очередь приумножает копии информации, что были внесены в нее.

Медицинские биотехнологии подразделяются на 2 большие группы:

Диагностические , которые, в свою очередь, бывают: химическими (определение диагностических веществ и параметров обмена); физическими (определение физических полей организма);
Лечебные .

К медицинской биотехнологии относят такие производственные процессы, в ходе которых создаются биообъекты или вещества медицинского назначения. Это ферменты, витамины, антибиотики, отдельные микробные полисахариды, которые могут применяться как самостоятельные средства или как вспомогательные вещества при создании различных лекарственных форм, аминокислоты.

Так, методы биотехнологий применяются:

для производства человеческого инсулина путем использования генно-модифицированных бактерий;
для создания эритропоэтина (гормона, стимулирующего образование эритроцитов в костном мозге.

Медицинская генетика в будущем сможет не только предотвращать появление на свет неполноценных детей путем диагностирования генетических заболеваний, но и проводить пересадку генов для решения существующей проблемы.

Биотехнология в будущем даст человечеству огромные возможности не только в медицине, но и в других направлениях современных наук.

Биотехнологии в современной науке

Биотехнологии в современной науке несет огромную пользу. За счет открытия генной инженерии стало возможным выведения новых сортов растений и пород животных, которые принесут пользу сельскому хозяйству.

Изучения биотехнологии связано не только лишь с науками биологического направления. В микроэлектронике разработаны ион-селективные транзисторы на основе полевого эффекта (HpaI). Биотехнология необходима для повышения нефтеотдачи нефтяных пластов. Наиболее развитым направлением является использование биотехнологии в экологии для очистки промышленных и бытовых сточных вод. В развитие биотехнологии внесли свой вклад многие другие дисциплины, именно поэтому биотехнологии стоит отнести к комплексной науке.

Еще одной причиной активного изучения и усовершенствования знаний в биотехнологии стал вопрос в недостатке (или будущем дефиците) социально-экономических потребностей.

В мире существуют такие проблемы, как:

нехватка пресной или очищенной воды (в некоторых странах);
загрязнение окружающей среды различными химическими веществами;
дефицит энергетического ресурса;
необходимость усовершенствования и получения совершенно новые экологически чистых материалов и продуктов;
повышение уровня медицины.

Ученые уверенны, что решить эти и многие другие проблемы возможно при помощи биотехнологии.

Основные типовые технологические приемы современной биотехнологии

Биотехнологию можно выделить не только как науку, но еще и как сферу практической деятельности человека, которая отвечает за производство разного вида продукции при участии живых организмов или их клеток.

Теоретической основой для биотехнологии в свое время стала такая наука, как генетика, это случилось в ХХ веке. А вот практически биотехнология основывалась на микробиологической промышленности. Микробиологическая промышленность в свою очередь получила сильный толчок в развитии после открытия и активного производства антибиотиков.

Объектами, с которыми работает биотехнология, являются вирусы, бактерии, различные представители флоры и фауны, грибы, а также органоиды и изолированные клетки.

Наглядная биотехнология. Генная и клеточная инженерия

Генетическая и клеточная инженерия в сочетании с биохимией - это основные сферы современной биотехнологии.

Клеточная инженерия - выращивание в специальных условиях клеток различных живых организмов (растений, животных, бактерий), разного рода исследования над ними (комбинация, извлечение или пересадка).

Самой успешной считается клеточная инженерия растений. При помощи клеточной инженерии растений стало возможным ускорение селекционных процессов, что позволяет выводить новые сорта сельхоз культур. Теперь выведение нового сорта сократилось от 11 лет до 3-4.

Генетическая (или генная) инженерия - отдел молекулярной биологии, в котором занимаются изучением и выделением генов из клеток живых организмов, после чего над ними проводятся манипуляции для достижения определенной цели. Главными инструментами, которые используются в генной инженерии, являются ферменты и векторы.

Биотехнологии клонирования

Клонирование - это процесс получения клонов (то есть потомков полностью идентичных прототипу). Первый опыт клонирования был проведен на растениях, которые клонировались вегетативным путем. Каждое отдельное растение, которое получилось вследствие клонирования, называлось клоном.

В процессе развития генетики это термин начали применять не только к растениям, но и к генетическому выведению бактерий.

Уже в конце ХХ века ученые начали активное обсуждение клонирования человека. Таким образом, термин «клон» стал употребляться в СМИ, а позже и в литературе и искусстве.

Что касается бактерий, то у них клонирование - это практически единственный способ размножения. Именно «клонирование бактерий» употребляется в том случаи, когда процесс искусственный и им управляет человек. Этот термин не касается естественного размножения микроорганизмов.

Генетическая инженерия

Генная инженерия - это искусственные изменения в генотипе микроорганизма, вызванное вмешательством человека, для получения культур с необходимыми качествами.

Генная инженерия занимается исследованиями и изучением не только микроорганизмов, но и человека, активно изучает заболевания, связанные с иммунной системой и онкологией.

Клеточная биотехнология растений

Клеточная биотехнология основывается на применении клеток, тканей и протопластов. Чтобы успешно управлять клетками, необходимо отделить их от растения и создать им все необходимые условия для успешного существования и размножения вне организма растения. Такой метод выращивания и размножения клеток носит название «культуры изолированных тканей» и получил особое значение из-за возможности применения в биотехнологии.

Биотехнологии в современном мире и жизни человека

Потенциал, который открывает биотехнология для человека, велик не только в фундаментальной науке, но и в других сферах деятельности и областях знаний. При использовании биотехнологических методов стало возможно массовое производство всех необходимых белков.

Значительно проще стали процессы получения продуктов ферментации. В будущем биотехнологии позволят улучшать животных и растений. Учеными рассматриваются варианты борьбы с наследственными болезнями при помощи генной инженерии.

Генная инженерия, как основное направление в биотехнологии, значительно ускоряет решение проблемы продовольственного, аграрного, энергетического и экологического кризисов.

Самое большее влияние биотехнология оказывает на медицину и фармацевтику. Прогнозируется, что в будущем станет возможным диагностика и лечение тех заболеваний, которые имеют статус «неизлечимых».

Этические аспекты некоторых достижений в биотехнологии

После того, как стало известно, что некоторые научные лаборатории не только проводили опыты на человеческих эмбрионах, но и пытались произвести клонирование людей - пошла волна бурного обсуждения этого вопроса не только среди ученых, но и среди обычных людей.

В биотехнологии можно выделить две этические проблемы, связанные с клонированием человека:

терапевтическое клонирование (культивация человеческих эмбрионов для применения их клеток с целью лечения);
репродуктивное клонирование (создание человеческих клонов).

Современные достижения и проблемы биотехнологии

При помощи биотехнологии было и будет получено огромное количество продуктов для здравоохранения, сельского хозяйства продовольственной и химической промышленности. Стоит упомянуть, что многие из продуктов никаким другим способом не могли быть получены.

Что касается проблем, так основным образом - это этические аспекты, связанные с тем, что общество отрицает и считает негативным клонирование человека или человеческого эмбриона.

Современное состояние и перспективы биотехнологии

В биотехнологии активно начала развиваться отрасль микробного синтеза ценных для человечества веществ. Это может повлечь за собой смену распределения роли продовольственной базы, основанной на растениях и животных, в сторону микробного синтеза.

Получение экологически чистой энергии при помощи биотехнологий - еще одно важное и перспективное направление в науке.

Компании, разрабатывающие новые биотехнологии

Журнал «Forbes» представил список самых инновационных компаний мира по разработке биотехнологий, в него вошли такие компании, как: «Genentech», «Novartis International AG», «Merck & Co», «Pfizer», «Sanofi», «Perrigo». Все эти компании напрямую связаны с фармацевтикой и развиваются именно в этом направлении.

Многие из компаний успешно принимают активное участие в развитии российского рынка биотехнологий:

«Novartis International AG» - компания занимается выведением вакцин и производством препаратов в сфере онкологии, одно из предприятий работает в СПб.
«Pfizer» - производит безрецептурные препараты в разных отраслях медицины. Pfizer уже несколько лет реализует в России программу «Больше, чем образование» по соглашениям с МГУ им. М.В. Ломоносова и Санкт-Петербургской государственной химико-фармацевтической академией.
«Sanofi» - компания занимается производством препаратов для лечения сахарного диабета и склероза. В России успешно работает уникальное предприятие компании - завод полного цикла по производству инсулинов «Санофи-Авентис Восток».

В России особая роль отводится Кластеру биомедицинских технологий Инновационного центра «Сколково», ОАО «РВК» и ОАО «Роснано». Фармацевтическими и медицинскими биотехнологиями занимаются компании ОАО «Акрихин», ООО «Герофарм», НПФ «Литех». Центр высоких технологий «Химрар» объединяет высокотехнологичные организации, ведущие разработки и производство инновационных 14 компаний, которые занимаются разработкой лекарственных препаратов на основе новейших «постгеномных» технологий.

Помимо этого, существуют и молодые стартапы, разрабатывающие новые биотехнологии:

«3Д Биопринтинг Солюшенс» на основе трёхмерной биопечати создает органы из стволовых клеток пациента;
«БиоМикроГели» предлагает разработки по очистке воды и почвы с помощью микрогелей.
биомедицинский холдинг «Атлас» проводит анализ микробиоты организма в рамках проекта «OhmyGut».

Читайте другие наши статьи: