Биотехнология

Кристаллы искусственного инсулина. 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.
Метод
Биологический метод заключается в использовании для защиты растений от вредных организмов их природных врагов (хищников, паразитов, гербофагив, антагонистов), продуктов их жизнедеятельности (антибиотиков, феромонов, ювеноидив, биологически активных веществ) и энтомопатогенных микроорганизмов с целью уменьшения их численности и вредоносности и создание благоприятных условий для деятельности полезных видов в агробиоценозах, т.е. применение «живого против живого». Положительным фактором в применении биологического метода является его экологичность. Биологические средства можно использовать без ограничения кратности применения, в то время как количество обработок растений химическими пестицидами строго регламентирована. Биологический метод защиты растений – современная фундаментальная и прикладная область знаний, главной целью которой является получение высококачественной экологической продукции и сохранения природного разнообразия сельскохозяйственных культур. Биологическая защита растений основана на системном подходе, комплексной реализации двух основных направлений: сохранение и содействие деятельности естественных популяций полезных видов (энтомофагов, микроорганизмов), самозащиты культурных растений в агробиоценозах и обновления агробиоценозов полезными видами, которых у них не хватает или тех, которые отсутствуют. Принципиальным отличием биологического метода защиты растений от любого другого является использование именно первого направления, которое осуществляют, применяя биологические препараты, способами сезонной колонизации, интродукции и акклиматизации плотоядным и микроорганизмов. Размножению и эффективности деятельности полезных видов способствуют агробиотехнични меры, и некоторые способы обработки с помощью которых можно создавать благоприятные условия для жизнедеятельности плотоядным Безотвальная вспашка бурячищ приводит к накоплению ценокреписа – паразита свекловичного долгоносика. Создание условий для дополнительного питания взрослых насекомых усиливает деятельность плотоядным Подсел нектароносов рядом с посевами сельскохозяйственных культур и создания цветущего конвейера (фацелии, века, рапса, горчицы, гречихи и др.) способствуют накоплению для дополнительного питания и увеличению численности анафеса – паразита пьявка и щитоносок, мух дзюрчалок, золотоочок хищников тлей, ускакны паразита гороховой зерновки, апантелеса, птеромалюса, ернестии паразитов чешуекрылых на капусте. Дополнительное питание нектаром и пыльцой продлевает жизнь и увеличивает плодовитость многих плотоядным Важным агротехническим мероприятием является выращивание устойчивых к вредных организмов сортов культурных растений, что способствует формированию слабожиттездатних популяций вредителей. Каждый из основных средств биологического метода (применение плотоядным, полезных в защите растений микроорганизмов) имеет свои особенности и проявляет эффективность в соответствующих условиях. Эти средства не исключают, а дополняют друг друга. Сейчас особое внимание уделяется поиску путей совместного применения биологической защиты с другими методами в интегрированных системах защиты растений от вредных организмов. Основной задачей данного метода является изучение условий, определяющих эффективность естественных врагов вредных организмов и разработка способов регулирования их численности и взаимоотношений с популяциями вредных организмов. К естественных врагов насекомых относятся энтомофаги (хищники и паразиты) и болезнетворные (энтомопатогенные) микроорганизмы. К последним относятся возбудители вирусных, бактериальных, грибных, протозойных и нематодних (паразитические виды круглых червей) заболеваний. Многочисленные энтомофаги среди насекомых, пауков, клещей. Значительную пользу в уничтожении вредителей приносят позвоночные животные – насекомоядные птицы, рыбы, пресмыкающиеся и млекопитающие. Эффективные хищники принадлежат к ряду жуков, многие виды, применяемые для защиты растений от вредителей, принадлежат к семейству кокцинелиды или божьих коровок, которые питаются тлями, листовертки, белокрылками, клещами-фитофагами. Большую полезную роль в агробиоценозах играют хищные жужелицы, питающиеся насекомыми, которые живут в почве, а именно: гусеницами подгрызающих и листогрызущих совок, лугового и стеблевой бабочек, проволочника и несправжньодротяникамы. Некоторые хищники живут на растениях (красотил большой) и уничтожают гусениц непарного кольчатого шелкопряда. Крымская жужелица уничтожает вредных улиток в садах и лесах Крыма, красноногая жужелица питается личинками и куколками колорадского жука. Часто темп размножения тлей, листоблошек, клещей сдерживают хищные личинки мух сирфиды, галиц, ситчатокрили, трипсы и клопы. Энтомофаги проживающих в различных экологических условиях и поэтому отличаются разными образами жизни. Хищники откладывают яйца в колонии тлей, листоблошек, кокцид, клещей или в среду, что их окружает. Одни питаются только в фазе личинки (мухи сирфиды, галлицы, золотоочка обычная), или во взрослой фазе (скорпиону мухи, муравьи, многие виды ос), другие – во взрослой фазе и фазе личинки (трипсы, клопы, большинство сетчатокрылые, кокцинелиды, жужелицы, мухи ктыри т.п.). Многие факультативных хищников среди клопов (макролофус, подизус) Большинство эффективных хищников среди клещей принадлежат к ряду паразитоформних и акариформних. Наиболее изучены и эффективные паразитоморфни клещи семьи фитосеид, акариморфни анистиды, хейлетиды, стигмеиды. Основными способами применения энтомофагов и акарифага против вредителей являются: сезонная колонизация, интродукция и акклиматизация, внутришньоареальне переселения, создание условий для их размножения. Сезонная колонизация предусматривает искусственное массовое разведение и выпуск энтомофагов в природу. В популяциях энтомофаги часто находятся в незначительном количестве и самостоятельно не могут сдерживать размножение вредителей. Массовый выпуск насекомых осуществляется в начале фазы, повреждается энтомофагов, в дальнейшем предполагается что они будут размножаться самостоятельно. Способ сезонной колонизации предусматривает применение видов рода трихограмма, которые используются против подгрызающих, листогрызущих совок, беланов, молей, листоверток и др., и паразитов тепличной белокрылки энкарзию, дракона – паразита хлопковой совки, стеблевой бабочки, Хойо – паразита американской белой бабочки и т.д. Используют и хищников – криптолемуса против червецов, фитосейулюса против паутинного клеща, хищную галиц афидимизу для уничтожения тлей в защищенном грунте и т.д. Интродукция и акклиматизация применяются против карантинных вредителей, которые имеют ограниченное распространение в стране. Естественные враги ограничивают размножение вредителя на его родине, а в новом географическом районе они отсутствуют. Эффективных плотоядным и микроорганизмов для завоза и акклиматизации находят на родине вредного организма и переселяют в новые районы. Наилучшие результаты получают при завозе узкоспециализированных видов, которые приспособлены к существованию за счет одного вредителя, болезни, бурьяна. Успешным было использование афелинуса против кровяной тли, родолии против австралийского желобчатого древоточец, гриба ашерсонии против цитрусовой белокрылки. Внутришньоареальне переселения заключается в переселении эффективных, чаще специализированных, естественных врагов из старых очагов, где численность вредных организмов снижается, в новые, возникающие в других частях ареала вида, где эти враги отсутствуют или еще не накопились. Микроорганизмы, которые повреждают вредные виды, для защиты растений применяются в форме биологических препаратов. Большинство биологических бактериальных препаратов создана на основе кристалоутворюючих бактерий группы Bacillus thuringiensis Berl, которые образуют споры и кристаллы, способные растворяться в кишечнике насекомых, куда они попадают с кормом. В борьбе с чешуекрылых вредителей сельскохозяйственных культур и и леса применяются такие препараты как лепидоцид, дендробацилин, гомелин, битоксибацилин, наводор, астуро, ентобактерин т.д. Препарат гаупсин, созданный на основе неспоровои бактерии Pseudomonas aureophaciens, используется против гусениц яблонной плодожорки и парши, мучнистой росы, плодовой гнили на яблоне и почве. Для защиты от грызунов (полевок, мышей, крыс) разрешено использование наземным способом бактороденцида, зернового и аминокисткового, основой которого является бактерия Salmonella enteritidis. Грибные препараты содержат споры энтомопатогенных грибов, принадлежащих к несовершенным. Препарат боверин (концентрат БЛ и сухой порошок) используется против колорадского жука, гусениц яблонной плодожорки, оранжерейной белокрылки, на эфиромасличных культурах; вертицилин зерновой – против оранжерейной белокрылки на огурцах закрытого грунта; пециломин – против гусениц плодожорок; метаризин – против жесткокрылых (свекловичного и люцерновой долгоносиков, проволочника); микоафидин и микоафидин Т – против гороховой и других тлей; нематофагин – против галловых нематод на овощных культурах закрытого грунта. Вирусные биологические препараты (моими) изготавливаются на основе вирусов полиедрозу и гранулезы, которые чаще поражают чешуекрылых. Сейчас рекомендованы для применения жидкий препарат Вериных-НШ против шелкопряда-недопаркы, Вериных-КШ против кольчатого шелкопряда в садах и плодозахисних полосах, Вериных-КС против гусениц 1-2 возраста капустной совки на капусте и других овощных культурах, Вериных-ОС (вирус гранулезы с примесью вируса полиедрозу озимой совки) на овощных и бахчевых культурах против гусениц 1-2 возраста озимой совки, Вериных-ГЯП на основе вируса гранулезы яблонной плодожорки (применяется против гусениц, возродившейся), моими АБМ. В живых системах на всех уровнях организации распространенным способом передачи информации является химическая коммуникация. В последнее время большое внимание уделяется разработке и применению биологически активных веществ, обеспечивающих взаимоотношения между живыми организмами в биоценозах, их рост и развитие. Основной группой биологически активных веществ является феромоны. Феромоны – химические вещества, которые вырабатывают и выделяют в окружающую среду насекомые. Эти вещества вызывают соответствующие поведенческие или физиологические реакции. Существуют различные группы феромонов – половые, агрегационные следовых т.д. Наибольшее распространение в практике защиты растений приобрели половые феромоны, которые чаще всего выделяют самки для привлечения самцов. Наиболее изученными есть феромоны чешуекрылых, жесткокрылых, клопов, сетчатокрылые, термитов. На основе определения структуры природных феромонов насекомых созданы их синтетические аналоги. Половые феромоны используются для обнаружения и определения зоны распространения вредителей, для сигнализации сроков применения защитных мер, определения плотности популяций вредителей, а также для защиты посевов путем массового отлова самцов («самцевого вакуума») и дезориентации, привлечения самцов при химической стерилизации. Феромонные ловушки следует выставлять за 7-10 дней до начала лета имаго и ежедневно осматривать. После отлова первого самца обзор ловушек, подсчет и сбор насекомых проводят каждые 5-7 дней. Капсулы меняют через 30-35, клеевые вкладки – через 10-15 дней. Массовый отлов вредителей производится с помощью большого количества ловушек (от 10-30 до 100 и более на 1 га). Способ дезориентации насекомых предусматривает насыщение площади высокими концентрациями синтетического феромона и нарушения феромоны коммуникации между самцами и самками. В результате неспаренные самки откладывают неоплодотворенные яйца, что и обусловливает снижение численности вида. Установлено, что процессу метаморфозу, линьки, размножения и диапаузы насекомых регулируют гормоны. Наиболее изученными являются ювенильный (личиночный), екдизон (линочний) и мозговой. Гормоны были синтезированы и полученные как химические соединения, по структуре отличаются от естественных, но имитируют их биологическую активность – выполняют роль регуляторов роста и развития насекомых. В защите растений практического применения приобрели ингибиторы синтеза хитин и ювеноиды. Гормональные препараты по своему действию значительно отличаются от традиционных инсектицидов. Они не токсичны, но обусловливают нарушения эмбрионального развития, метаморфоза, вызывают стерилизацию. Ингибиторы хитина нарушают формирование кутикулы во время линьки. Ювеноиды вызывают гибель при завершении личиночного или лялечкового развития, являются ингибиторами синтеза хитин при очередной Линц. К применению в практике защиты растений разрешены такие регуляторы роста и развития насекомых: ювеноиды альтозид, кабат, майнекс, Инстар, инсегар; ингибиторы синтеза хитин димилин, алсистин, андалин, аплауд, ЭЙМ, сонет, номолт, каскад. Биологический метод борьбы с болезнями растений заключается в использовании существующих в природе явлений надпаразитизму, антибиозу, т.е. антагонистических отношений между организмами, которые развиваются на растениях и в почве. В наше время наибольшее внимание уделяется изучению и использованию антагонистов и продуктов их жизнедеятельности – антибиотиков. Как антагонисты многих фитопатогенов хорошо изучены и применяются грибы рода Trichoderma. Они распространены в почвах различных типов и продуцируют антибиотики – глиотоксин, виридин, Триходермин, соцукацилин, аламецин т.п., которые имеют антибактериальные и антигрибни свойства. На основе этих возбудителей создан препарат Триходермин – БЛ. Против мучнистой росы огурца в защищенном грунте предлагается препарат бактофит на основе бактерии Bacillus subtilis. Важная роль в биологической защите растений от болезней отведена микрофильним грибам – над паразитам (рода Ampelomyces, Trichothecium). Незавершенный гриб Trichothecium roseum Lin образует антибиотик трихотецин, который подавляет развитие и рост многих грибов – возбудителей мучнистой росы огурцов, монилиоза т.д. На его основе создан биологический препарат трихотецин. Фитобактериомицин (ФБМ), продукт жизнедеятельности Actinomyces lavendulae, рекомендованный против бактериозов фасоли, корневых гнилей пшеницы, коренеида сахарной свеклы, слизистого и сосудистого бактериоза капусты. Биологический метод борьбы с сорняками впервые был применен против кустарника лантана на Гавайских островах червеца Orthezia insignis Pung. В Украине биологическая защита применяется против паразитической безхлорофильна растения волчка, поражающей более 120 видов культурных растений, а больше подсолнечник. Среди организмов, которые уменьшают численность волчка, самой активной является муха фитомиза. Сейчас большое значение приобретает борьба с амброзией полыннолистной, которая распространяется в Украину на пахотных землях, пастбищах, лугах, обочинах дорог. В 1978 году против нее был использован интродуцированный из Северной Америки амброзиевий листоед. В этом направлении была проведена большая работа учеными института зоологии АН РФ. Генетический метод борьбы с вредными организмами был разработан и предложен А. С. Серебровский (1938, 1950). Этот метод предусматривает насыщение природной популяции вредителя генетически неполноценными особями того же вида. Самки природной популяции, спариваясь с такими особями, откладывают нежизнеспособные яйца, не дают потомства, происходит самоуничтожение вредителя. Генетический метод осуществляется способами лучевой и химической стерилизации. Способ лучевой стерилизации предусматривает массовое разведение вредителей, облучение их (гамма-лучами, рентгеновскими лучами) и следующий выпуск в плодовые насаждения, посевы сельскохозяйственных культур. В облученных особей возникают повреждения хромосомного аппарата. При химической стерилизации в качестве стерилизаторов используются химические вещества, которые относятся к алкилючих сочетаний, антиметаболитов и антибиотиков. Первые вызывают половую стерильность самок и самцов, антиметаболиты обусловливают стерильность самок. Генетический метод борьбы был применен в 1954 году против серой мясной мухи на острове Кюрасао, наносящий большой ущерб животноводству. Выпуск стерилизованных особей был успешным. Генетическом метода борьбы присуща избирательность, его применение не связано с негативным воздействием на окружающую среду и не способствует появлению устойчивости к факторам стерилизации.
История биотехнологии
С древнейших времен человек использовал биотехнологические процессы при хлебопечении, приготовлении кисломолочных продуктов, в виноделии и т.д., но только благодаря работам Луи Пастера в середине 19 века, что доказали связь процессов брожения с деятельностью микроорганизмов, традиционная биотехнология получила научную основу. В 40-50-е годы 20 века, когда был осуществлен биосинтез пенициллинов методами ферментации, началась эра антибиотиков, дала толчок развитию микробиологического синтеза и созданию микробиологической промышленности. В 60-70-е г. 20 в. начала бурно развиваться клеточная инженерия. С созданием в 1972 группой П. Берга в США первой гибридной молекулы ДНК in vitro формально связано рождение генетической инженерии, открывшей путь к сознательной изменения генетической структуры организмов таким образом, чтобы эти организмы могли делать необходимые человеку продукты и осуществлять необходимые процессы. Эти два направления определили облик новой биотехнологии, имеющий мало общего с той примитивной биотехнологией, человек использовал в течение тысячелетий. Показательно, что в 1970-е гг получил распространение и самый термин биотехнология. С этого времени биотехнология неразрывно связана с молекулярной и клеточной биологией, молекулярной генетикой, биохимией и биоорганической химией. За короткий период своего развития (25-30 лет) современная биотехнология не только добилась существенных успехов, но и продемонстрировала неограниченные возможности использования организмов и биологических процессов в различных отраслях производства и народного хозяйства.
Биотехнология как наука
Биотехнология – это комплекс фундаментальных и прикладных наук, технических средств, направленных на получение и использование клеток микроорганизмов, животных и растений, а также продуктов их жизнедеятельности: ферментов, аминокислот, витаминов, антибиотиков и др.
Биотехнология, которая включает промышленную микробиологию, базируется на использовании знаний и методов биохимии, микробиологии, генетики и химической технологии, позволяющей получать пользу в технологических процессах из свойств микроорганизмов и клеточных культур. Что касается более современных биотехнологических процессов, то они базируются на методах рекомбинантных ДНК, а также на использовании иммобилизованных ферментов, клеток и клеточных органелл.
Основные направления исследований:

Разработка научных основ создания новых биотехнологий с помощью методов молекулярной биологии, генетической и клеточной инженерии.
Получение и использование биомассы микроорганизмов и продуктов микробиологического синтеза.
Изучение физико * химических и биохимических основ биотехнологических процессов.
Использование вирусов для создания новых биотехнологий.

Применение
Биотехнология вокруг нас во многих предметах повседневного обихода – от одежды, которую мы носим, к сыру, который мы потребляем. В течение веков фермеры, пекари и пивовары использовали традиционные технологии для изменения и модификации растений и продуктов питания – пшеница может служить древним примером, а нектарин – одним из последних примеров этого. Сегодня биотехнология использует современные научные методы, которые позволяют улучшить или модифицировать растения, животные, микроорганизмы с большей точностью и предсказуемостью.
Потребители должны иметь возможность выбора из более широкого перечня безопасных продуктов. Биотехнология может предоставить потребителям возможность такого выбора – не только в сельском хозяйстве, но также в медицине и топливных ресурсах.
Преимущества биотехнологий
Биотехнология предлагает огромные потенциальные преимущества. Развитые страны и развивающиеся страны, должны быть прямо заинтересованы в поддержке дальнейших исследований, направленных на то, чтобы биотехнология могла полностью реализовать свой потенциал.
Биотехнология помогает окружающей среде. Позволяя фермерам сократить количество пестицидов и гербицидов, биотехнологические продукты первого поколения привели к уменьшению их использования в сельскохозяйственной практике, а будущие продукты биотехнологий должны принести еще больше преимуществ. Уменьшения пестицидной и гербицидного нагрузка означает меньший риск токсического загрязнения почвы и грунтовых вод. Кроме того, гербициды, применяемые в сочетании с генетически модифицированными растениями, часто являются более безопасными для окружающей среды, чем гербициды предыдущего поколения, на смену которым они приходят. Культуры, выведенные методами биоинженерии, также ведут к широкому применению безотвальной обработки почвы, в конечном счете приводит к уменьшению потерь плодородия почвы.
Огромный потенциал биотехнология имеет и в борьбе с голодом. Развитие биотехнологий предлагает значительные потенциальные преимущества для развивающихся стран, где более миллиарда жителей планеты живут в бедности и страдают от хронического голода. За роста урожайности и вывода культур, устойчивых к болезням и засухе, биотехнология может уменьшить нехватку пищи для населения планеты, которое по состоянию на 2025 год составит более 8 миллиардов человек, что на 30% больше чем сегодня. Ученые создают сельскохозяйственные культуры с новыми свойствами, которые помогают им выживать в неблагоприятных условиях засух и наводнений.
Биотехнология помогает бороться с болезнями. Развивая и улучшая медицину, она дает новые инструменты в борьбе с ними. Именно биотехнология дала нам медицинские методы лечения кардиологических болезней: склероза, гемофилии, гепатита, и СПИДа. Сегодня создаются биотехнологические продукты питания, которые сделают дешевыми и доступными для беднейшей части населения планеты жизненно необходимые витамины и вакцины.
Предостережения относительно применения
Биотехнология в области здравоохранения
Биотехнология может привнести значительные преимущества в сферу здравоохранения. Увеличивая питательную ценность пищи, биотехнология может использоваться для улучшения качества питания. Например, сейчас создаются сорта риса и кукурузы с повышенным содержанием белков. В будущем потребители смогут воспользоваться маслом с пониженным содержанием жиров, которая будет получена из генетически модифицированных кукурузы, сои, рапса. Кроме того, генетическая инженерия может использоваться для производства продуктов питания с повышенным уровнем витамина А, что поможет решить проблему слепоты у развивающихся. Генетическая инженерия также предлагает другие преимущества для здоровья, ведь сегодня созданы методы, позволяющие удалять определенные аллергенные протеины из продуктов питания или избегать их преждевременной порчи.
Биотехнологические продукты, созданные и зарегистрированные в Соединенных Штатах Америки соответствующими регулирующими органами, являются полностью безопасными. Имеющаяся на сегодня информация свидетельствует о том, что продукты биотехнологий, которые сегодня коммерциализированы, такие же безопасны для человека и для окружающей среды, как и традиционные продукты питания. Регулирующие органы в США постоянно совершенствуют свои процедуры по обеспечению безопасности биотехнологических продуктов, и если бы были научные доказательства того, что биотехнологические продукты представляют угрозу для здоровья человека, то на сегодня таких продуктов не было бы на рынках США.
Блокировка торговли вполне безопасными сельскохозяйственными продуктами уменьшает возможность выбора для потребителя, заставляет его платить высокую цену за основные продукты и задерживает дальнейшие научные исследования, направленные на разработку биотехнологических продуктов, имеющих новые преимущества.
Настоящая наука остается лучшей базой для принятия решений по безопасности для человека и окружающей среды. При этом не должны игнорироваться законные опасения относительно возможных воздействий на окружающую среду, которая нас окружает. США открыты к диалогу, который основан на научных данных, и проходит с участием всех заинтересованных сторон. В то же время общественность не должна лишаться права на выбор новых продуктов в результате дезинформации, которая вызывает беспочвенные страхи.
Точная и достоверная информация о безопасности биотехнологических продуктов должна быть доступна всему населению. Прозрачность принятия решений является центральным для роста уровня доверия общества к науке. США верят в важность и необходимость реагирования на опасения определенной части общества относительно биотехнологий и призывают все страны к предоставлению точной и полной информации относительно безопасности этих продуктов.
Болезни растений, включая грибковые и вирусные, могут уничтожить урожай и существенно снизить качество продукции. Чтобы уменьшить экономические потери от болезней, фермеры должны увеличивать площади для получения нужного урожая. Это увеличение посевной площади, горючего, воды и удобрения, влекут расходы, которые затем будут возмещать покупатели.
К тому же, многие фермеры борются с вирусными болезнями путем уничтожения вредителей, таких как тля, распространяющей болезнь. Химические инсектициды способствуют повышению цен и ресурсов, необходимых для возмещения последствий заболеваний
Не все фермеры имеют возможность позволить себе традиционные методы борьбы с болезней. А дорогие химические препараты недоступны во многих частях мира, а именно в Африку, где, например, есть определенный вирус, который часто уничтожает две трети урожая батата.
Биотехнология позволяет получать сорта, защищенные от определенных разновидностей вирусов. Путем переноса маленькой доли ДНК от вируса к генетической структуры растения, исследователи получают сорта, у которых есть иммунитет к определенным болезням.
Защищены от болезней сорта оказывают сельскохозяйственные, экономические преимущества фермерам, и не загрязняют окружающую среду. Фермеры смогут бороться с насекомыми, распространяют вирусные болезни, и, таким образом, защитить свои урожаи. Фермеры имеют возможность выращивать высокие урожаи на той же площади, и уменьшать затраты ресурсов, таких как: рабочая сила, удобрения, пестициды, семена и оборудование. Эти преимущества позволяют фермерам обробяты дополнительные площади, либо увеличивать урожай на единицу площади и, как следствие, позволяет увеличить законсервированные площади.
Используя биотехнологию, исследователи сегодня работают, чтобы защитить люцерну, дыню мускусные, кукурузу, огурцы, виноград, картофель, сою, тыкву и томаты от вирусных болезней, а также перец и томаты от грибковых заболеваний.
Миллионы лет жизни развивается в различных структурах, формах и функциях. Около 300 000 различных видов растений и более миллиона видов животных известны сегодня, и не существует двух подобных. Однако доказано, что в середине таксономических семей есть похожие черты.
Мы воспринимаем как должное, что дети повторяют своих родителей и что живые существа проявляют сходство, которая переходит из поколения в поколение. Родственное сходство настолько явным и естественным явлением, что мы редко задумываемся над этим. Столетиями фермеры и селекционеры использовали семейную сходство для повышения продуктивности растений и животных. Например, с помощью селекции растений, были самыми крупными, сильными, наименее подверженными болезням, фермеры и селекционеры создавали улучшенные гибриды. Они об этом не догадывались, но то было практикой элементарных форм генной инженерии – основополагающего процесса, который используется в биотехнологии.
Законы, на которых базируется переноса генетических черт, были загадкой еще 150 лет назад, когда Грегор Мендель впервые начал изучать наследственность культурных растений. Исследуя тщательно подготовленные эксперименты и математические расчеты, Мендель пришел к выводу, что определенные невидимые частицы сохраняют наследственные черты, и что эти черты переходят из поколения в поколение. Ученый мир обнаружил несостоятельным осознать странность мендельського открытие еще некоторое время после смерти великого ученого, но его труды легли в основу биотехнологии.
В 1950-х гг биологи получили больших успехов в изучении наследственности. Благодаря описанию структуры ДНК Дж. Уотсоном и Фрэнсисом Криком, ученые пришли к выводу, как генетическая информация хранится в живых клетках, как эта информация оставляет отпечаток и как она передается из поколения в поколение.
До 1980-х гг ученые уже попробовали (и очень удачно) перемещать частицы генетической информации, которые получили название гены, от одного организма к другому. Эта возможность перемещать генетическую информацию известна как генная инженерия, единый процесс, который использовали в биотехнологии. Оставаясь все еще относительно молодой наукой, биотехнология подает большие надежды. Она дает исследователям возможность улучшать качественные и количественные показатели сельскохозяйственных культур, которые защищены естественным путем от болезней и насекомых. Биотехнология также обеспечивает новые пути лечения хронических заболеваний человека, производства химических веществ и переработки отходов.
Биотехнология в медицине
В медицине биотехнологические приемы и методы играют главную роль при создании новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов, предназначенных для ранней диагностики и лечения различных заболеваний. Антибиотики – самый класс фармацевтических соединений, получение которых осуществляется с помощью микробиологического синтеза. Создано генноинженерных штаммы кишечной палочки, дрожжей, культивируемых клеток млекопитающих и насекомых, используемые для получения ростового гормона, инсулина и интерферона человека, различных ферментов и противовирусных вакцин. Изменяя нуклеотидную последовательность в генах, кодирующих соответствующие белки, оптимизируют структуру ферментов, гормонов и антигенов (так называемая белковая инженерия). Важнейшим открытием стала разработанная в 1975 Г. Келером и С. Мильштейном техника использования гибридом для получения моноклональных антител желаемой специфичности. Моноклональные антитела используют как уникальные реагенты, для диагностики и лечения различных заболеваний.
Биотехнология в сельском хозяйстве
Вклад биотехнологии в сельскохозяйственное производство заключается в облегчении традиционных методов селекции растений и животных и разработке новых технологий, позволяющих повысить эффективность сельского хозяйства. Во многих странах методами генетической и клеточной инженерии созданы высокопродуктивные и устойчивые к вредителям, болезням, гербицидам сорта сельскохозяйственных растений. Разработанная техника оздоровления растений от накопленных инфекций, что особенно важно для вегетативно размножающихся культур (картофель и др.). Как одна из важнейших проблем биотехнологии во всем мире широко исследуется возможность управления процессом азотфиксации, в том числе возможность введения генов азотфиксации в геном полезных растений, а также процессом фотосинтеза. Ведутся исследования по улучшению аминокислотного состава растительных белков. Разрабатываются новые регуляторы роста растений, микробиологические средства защиты растений от болезней и вредителей, бактериальные удобрения. Генноинженерных вакцины, сыворотки, моноклональные антитела используют для профилактики, диагностики и терапии основных болезней сельскохозяйственных животных. В создании более эффективных технологий племенного дела применяют генноинженерных гормон роста, а также технику трансплантации и микроманипуляций на эмбрионах домашних животных. Для повышения продуктивности животных используют кормовой белок, полученный микробиологическим синтезом.
Биотехнология в производстве
Биотехнологические процессы с использованием микроорганизмов и ферментов уже на современном техническом уровне широко применяются в пищевой промышленности. Промышленное выращивание микроорганизмов, растительных и животных клеток используют для получения многих ценных соединений – ферментов, гормонов, аминокислот, витаминов, антибиотиков, метанола, органических кислот (уксусной, лимонной, молочной) и т. д. С помощью микроорганизмов проводят биотрансформацию одних органических соединений в другие (например, сорбита во фруктозу). Широкое применение в различных производствах получили иммобилизованные ферменты. Для выделения биологически активных веществ из сложных смесей используют моноклональные антитела. А. С. Спириным в 1985-1988 разработаны принципы бесклеточного синтеза белка, когда вместо клеток применяются специальные биореакторы, содержащие необходимый набор очищенных клеточных компонентов. Этот метод позволяет получать разные типы белков и может быть эффективным в производстве. Многие промышленных технологий заменяются технологиями, использующими ферменты и микроорганизмы. Такие биотехнологические методы переработки сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов, очистки и использования сточных вод для получения биогаза и удобрений. В ряде стран с помощью микроорганизмов получают этиловый спирт, используют как горючее для автомобилей (в Бразилии, где топливный спирт широко применяется, его получают из сахарного тростника и других растений). На способности различных бактерий переводить металлы в растворимые соединения или накапливать их в себе основан извлечение многих металлов из бедных руд или сточных вод.