Современные биотехнологии

 

 

 

 

  

 

 

  

 

Доклад 

 

 

  

 

Современные биотехнологии  

 

 

 

по дисциплине

 

Основы технологии современного производства 

 

 

  

 

 

  

 

 

 

 

  

 

 

  

 

 

 

Выполнил:

студент гр.721

А.А. Прохоров  

 

Проверила:

преподаватель

Т.А. Горшкова  

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

 

Нижний Новгород

2012

Биотехнология - это наука, изучающая возможности применения живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, направленных на улучшение качества жизни людей или на создание лекарств и товаров в различных отраслях промышленности. Биотехнология является важнейшим разделом современной биологии, которая, как и физика, стала в конце XX в. одним из ведущих приоритетов в мировой науке и экономике.

  В настоящее время условно разделяют классическую и современную биотехнологию. Использование традиционных методов выращивания животных и растений, а также бактерий, дрожжей и грибков для производства продуктов питания, например, хлеба, пива, вина и сыра, относят к классической биотехнологии. Однако в 1950-х, 1960-х и 1970-х годах прошлого века наше понимание биологических процессов достигло критической массы. Значительное расширение фундаментальных знаний в области клеточной биологии и генетики позволило понять, как можно изменять и влиять на биологические процессы на молекулярном уровне. Стало возможным изменение биологических свойств микроорганизмов, растений и животных, напрямую модифицируя их генетическую информацию, закодированную в молекуле ДНК, которая является физическим носителем всех биохимических свойств организма. Эту технологию часто называют генетической инженерией. Современная биотехнология зародилась в 70-х годах прошлого столетия и дала толчок к развитию промышленных биотехнологических предприятий в начале 80-х прошлого столетия, которые сейчас выросли в успешные биотехнологические гиганты (Genentech, Biogen, Amgen, Chiron и др.). Интересно, что в США за 15 лет количество биотехнологических предприятий достигло 1500. В настоящее время суммарный доход от продажи изделий и лекарств, разработанных на этих предприятиях, составляет 36 миллиардов евро. На этих предприятиях в США занято более чем 150000 ученых и служащих. В Западной Европе количество биотехнологических предприятий составило более чем 1850. Число таких предприятий выросло в 4 раза за 6-летний срок. Сегодня это переросло в настоящий экономический биотехнологический бум. Таким образом, проведение фундаментальных исследований в области биотехнологии приводит не только к научным открытиям и созданию продукции, но и создает новые наукоемкие рабочие места.

Сегодня биотехнология охватывает различные направления, основанные на фундаментальных достижениях  и открытиях в областях молекулярной и клеточной биологии, геномики, протеомики, липидомики, биоинформатики и моделирования биологических систем. В настоящее время научные достижения в этих отраслях вызывают огромный научный и коммерческий интерес и приводят к созданию новых биотехнологических предприятий и привлечению финансовых ресурсов для поддержки новых открытий и их практического внедрения.  Однако в дальнейшем внимание к проблемам биотехнологии в стране ослабло, а их финансирование сокращено. В результате развитие биотехнологических исследований и их практическое использование в России замедлилось, что привело к отставанию от мирового уровня, особенно в области генетической инженерии.

Современная биотехнология  революционизирует медицинскую  науку. Она создает технологическую  платформу для открытия и производства лекарств, разработки новых видов  и методов лечения, вакцин и диагностических  методов в медицине. Следует заметить, что около 90% всех приложений биотехнологии  относится к медицине и здравоохранению. Около 385 миллионов человек во всем мире получают лечение более чем 130 лекарственными препаратами, созданными на основе фундаментальных научных  исследований в области биотехнологии. К этим препаратам относятся лекарства  для лечения сахарного диабета, инфаркта, анемии, муковисцидоза, рассеянного склероза, гемофилии, лейкоза, многих других форм рака. Биотехнологические методы также применяются для разработки вакцины против гепатита B и менингита. Интересно, что в настоящее время для лечения диабета используется человеческий инсулин, продуцируемый в генетически модифицированных бактериях. Он заменил свиной инсулин, который может вызывать нежелательные побочные реакции со стороны иммунной системы. Следует заметить, что более 50% лекарственных препаратов, которые мы применяем в настоящее время, открыты за счет фундаментальных научных исследований в области биотехнологии. Кроме того, в настоящее время клинические испытания проходят более 350 биотехнологических фармацевтических лекарств, а также проходят апробацию вакцины, которые ориентированы более чем на 200 заболеваний. Несколько сотен лекарственных препаратов находятся в более ранних стадиях научных разработок. Проведение фундаментальных исследований позволяют разрабатывать сотни медицинских тестов, которые помогают в диагностике заболеваний. Например, в настоящее время каждый образец донорской крови анализируется для исключения ВИЧ-инфекции, и это было сделано при помощи проведения фундаментальных исследований в области биотехнологий. В скором времени наиболее распространенные генетические заболевания будут также диагностироваться при помощи тестов созданных на основе биотехнологий. Например, люди, которые имеют значительный риск развития генетических расстройств, смогут использовать на основе ДНК-тестов методы, направленные на диагностику этих заболеваний на ранней стадии развития, когда даже еще отсутствуют какие-либо симптомы болезни. Исследователями в области биотехнологии также ведутся разработки новых методов лечения на основе генной и клеточной терапии. Генная терапия - это многообещающая технология, которая использует гены как лекарства для лечения пациентов. Целью генной терапии является доставка в организм человека генетических инструкций и производство терапевтических белков в течение длительного периода времени. При клеточной терапии состарившиеся и больные клетки теоретически могут быть заменены новыми здоровыми клетками. Многие виды рака, а также генетические и нейродегенеративные заболевания, такие, как болезнь Альцгеймера и Паркинсона, являются потенциальными кандидатами на генную и клеточную терапию. Лучшая интерпретация человеческого генетического кода и понимание того, как гены регулируют биологические процессы, позволит понять, какие изменения и ошибки в генетическом коде могут приводить к нарушению молекулярных процессов и развитию заболеваний. Это, в свою очередь, приведет к разработке лекарственных средств, действие которых будет направленно на устранение причины заболевания, а не только на коррекцию симптомов.

Современные биотехнологии  находят свое применение и в других современных отраслях, таких, как  в сельское хозяйство и экология. Основными задачами биотехнологии  в сельском хозяйстве является увеличение урожайности сельскохозяйственных культур путем увеличения их устойчивости к вредителям и повышения их питательной  ценности. Экологическая биотехнология  разрабатывает методы, направленные на более эффективную очистку  опасных отходов без использования  едких химикатов. Например, использование  естественных бактерий Pseudomonas, которые живут в почве и «съедают» углеводороды, позволяют очищать береговую линию от загрязнения нефтью в 3-5 раз быстрее, чем путем традиционных методов утилизации, таких, как сжигание или химическая обработка. Биотехнология применяется для малоотходного и энергосберегающего производства во многих отраслях промышленности, таких, как химическая, целлюлозно-бумажная, текстильная, пищевая, энергетическая и металлургическая промышленность.

Что касается более современных  биотехнологических процессов, то они  основаны на методах рекомбинантных ДНК, а также на использовании  иммобилизованных ферментов, клеток или  клеточных органелл. 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.

 

  В рамках изучаемого курса можно выделить 3 основных части:

 

  1. Промышленная биотехнология, где рассматриваются общие принципы осуществления биотехнологических процессов, происходит знакомство с основными объектами и сферами применения биотехнологии, рядом крупномасштабных промышленных биотехнологических производств, использующих микроорганизмы.

  2. Клеточная инженерия. Основная цель этого раздела – знакомство с методами ведения культур клеток и практическим использованием этих объектов. В рамках этого раздела выделяют культивирование растительных клеток и методы культивирования животных клеток, так как подходы к культивированию этих объектов различаются в силу их принципиальных биологических различий. Клеточная биотехнология обеспечила ускоренное получение новых важных форм и линий растений и животных, используемых в селекции на устойчивость, продуктивность и качество; размножение ценных генотипов, получение ценных биологических препаратов пищевого, кормового и медицинского назначения.

3. 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 полигенной детерминации признаков и свойств биологических объектов, обеспечении высокой экспрессии генов и создании надежных векторных систем. Уже сегодня во многих лабораториях мира, в том числе и в России, с помощью методов генетической инженерии созданы принципиально новые трансгенные растения, животные и микроорганизмы, получившие коммерческое признание.

Современная биотехнология  тесно стыкуется с рядом научных  дисциплин, осуществляя их практическое применение или же являясь их основным инструментом.

  Экспертные оценки прогноза развития биотехнологии на ближайшие 5–10 лет позволяют сделать следующие выводы по осуществлению инвестиционной политики в биотехнологии в настоящее время. Особенно актуальна на данном этапе организация производств только высокорентабельной продукции, на которую сложился устойчивый платежеспособный спрос. С их учетом приоритетными проектами для инвестирования являются производство:

– ферментных амилолитических препаратов для спиртной и пивоваренной отраслей пищевой промышленности, производство протеолитических ферментов, используемых при производстве синтетических моющих средств «Bio» и других целей;

– комплексной переработки  биомассы микроорганизмов для получения  препаратов белковой и нуклеотидной природы для медицины, пищевой  промышленности и др.

– ферментных препаратов для  переработки отходов пищевой  промышленности, производств мяса, молока, спирта и др.

– медицинских и ветеринарных препаратов, в том числе для  диагностирования и лечения ряда тяжелых и инфекционных заболеваний;

– препаратов–пробиотиков типа бифидумбактерина и лактобактерина;

– кормовых добавок для  животноводства, биологических средств  защиты растений;

– бактериальных удобрений, вермикультуры.

– препаратов для очистки  и биоремедиации загрязненных почв, воды, для организаций нефтедобывающего и нефтеперерабатывающего секторов.

Биотехнология в пищевой  промышленности должна быть сориентирована на создание новых видов пищи и  пищевых добавок, а так же на улучшение  качества традиционных продуктов питания. Решить такую актуальную задачу, как  потребность в экологически чистых продуктах питания, позволяют возможности  биотехнологии. Биологические препараты  в отличие от химических обладают более ярко выраженной избирательностью действия и признаны безвредными  для человека, животных, птиц, рыб. Они  быстро разлагаются в почве и  воде под действием солнечных  лучей и не вызывают эффекта привыкания к ним насекомых .

По прогнозам некоторых  учёных, при данных темпах роста  населения в отдалённой, но вполне просматриваемой перспективе, человечество может столкнуться с серьёзной  проблемой нехватки пищевых ресурсов. То есть может сложиться такая  ситуация, когда даже многократное увеличение поголовья скота и  сельскохозяйственных площадей будет  не в состоянии обеспечить всех потребностей человечества в пище. Таким образом, проблему нехватки пищевых ресурсов станет невозможно решить лишь количественными  методами. Биотехнологи, руководствуясь последними достижениями в области генной инженерии, предлагают качественное решение данной проблемы.

Помимо решения продовольственной  проблемы перед пищевой промышленностью  стоит ряд других, не менее важных задач, решение которых возможно с помощью биотехнологий уже  применяемых и внедряемых в пищевой  промышленности.

Одной из таких задач является проблема контроля качества на разных стадиях производства, начиная от сырья и заканчивая готовой продукцией. В задачи служб контроля качества входит определение наличия примесей микробиологического (патогенная микрофлора) и химического (токсичные и вредные  вещества) характера. Одним из главных  требований к используемым для решения  этих задач тест-системам являются их точность, простота в использовании  и высокая скорость определения.

Потребность в биотехнологии  на данном этапе определена требованием  рынка в существенном улучшении  и изменении набора качеств продукции, улучшении качества жизни и окружающей среды.