Значение и задачи биотехнологии

5. Значение и задачи биотехнологии

 

В исследованиях по биотехнологии разрабатываются методы изучения генома, идентификации генов и способы переноса генетического материала. Одно из главных направлений биотехнологии - генетическая инженерия. Генно-инженерными методами создаются микроорганизмы - продуценты биологически активных веществ, необходимых человеку. Выведены штаммы микроорганизмов, продуцирующих незаменимые аминокислоты, которые необходимы для оптимизации питания сельскохозяйственных животных.

Решается задача по созданию штамма - продуцента гормона роста животных, прежде всего крупного рогатого скота. Применение такого гормона в скотоводстве позволяет увеличить скорость роста молодняка на 10-15%, а удой коров до 40% при его ежедневном введении (или через 2-3 дня) в дозе 44 мг, не изменяя при этом состава молока. В США в результате применения этого гормона предполагается получать около 52% всего прироста продуктивности и довести удой в среднем до 9200 кг. Проводятся работы и по введению гена гормона роста крупному рогатому скоту (Эрнст, 1989, 2004).

В то же время была запрещена к производству аминокислота триптофан, получаемая от генетически трансформированных бактерий. Было установлено, что пациенты с синдромом эозинофилии-миалгии (СЭМ) употребляли триптофан в качестве пищевой добавки. Это заболевание сопровождается тяжелыми изнурительными мышечными болями и может привести к смерти. Этот пример свидетельствует о необходимости тщательных исследований на токсичность всех продуктов, полученных генно-инженерными методами.

Известна огромная роль симбиоза высших животных с микроорганизмами в желудочно-кишечном тракте. Приступают к разработке подходов к контролю и управлению экосистемой рубца жвачных животных путем использования генетически измененной микрофлоры. Таким образом определяется один из путей, который подводит к оптимизации и стабилизации питания, ликвидации дефицита в ряде незаменимых факторов питания сельскохозяйственных животных. Это в конечном итоге будет способствовать реализации генетического потенциала животных по признакам продуктивности. Особый интерес представляет создание форм симбионтов - продуцентов незаменимых аминокислот и целлюлозолитических микроорганизмов с повышенной активностью (Эрнст и др. 1989).

Методы биотехнологии используются и для изучения макроорганизмов и болезнетворных микроорганизмов. Выявлены четкие различия нуклеотидных последовательностей ДНК типичных коринебактерий и ДНК коринеморфных микроорганизмов.

С привлечением методов физико-химической биологии получена потенциально иммуногенная фракция микобактерий, в экспериментах исследуются ее протективные свойства.

Изучается структура генома парвовируса свиней. Предполагается разработать препараты для диагностики и профилактики массового заболевания свиней, вызываемого этим вирусом. Проводятся работы по изучению аденовирусов крупного рогатого скота и птицы. Планируется создание методом генной инженерии эффективных противовирусных вакцин.

Все традиционные приемы, связанные с повышением продуктивности животных (селекционно-племенное дело, рационализация кормления и т. д.), прямо или косвенно направлены на активизацию процессов синтеза белков. Эти воздействия реализуются на организменном или популяционном уровнях. Известно, что коэффициент трансформации белка из корма животными относительно невысок. Поэтому повышение эффективности синтеза белка в животноводстве представляет важную народнохозяйственную задачу.

Важно развернуть исследования внутриклеточного синтеза белка у сельскохозяйственных животных, и, прежде всего, изучить эти процессы в мышечной ткани и молочной железе. Именно здесь сконцентрированы процессы синтеза белка, который составляет более 90% всего белка продукции животноводства. Установлено, что скорость синтеза белка в культурах клеток почти в 10 раз выше, чем в организме сельскохозяйственных животных. Поэтому оптимизация процессов ассимиляции и диссимиляции белка у животных на основе изучения тонких внутриклеточных механизмов синтеза может найти широкое применение в практике животноводства (Эрнст, 1989, 2004).

Многие тесты молекулярной биологии могут быть перенесены в селекционно-племенную работу для более точной генетической и фенотипической оценки животных. Намечаются и другие прикладные выходы всего комплекса биотехнологии в практику сельскохозяйственного производства.

Использование в ветеринарной науке современных методов аналитической препаративной иммунохимии позволило получить иммунохимически чистые иммуноглобулины разных классов у овец и свиней. Подготовлены моноспецифические антисыворотки для точного количественного определения иммуноглобулинов в различных биологических жидкостях животных.

Можно производить вакцины не из целого возбудителя, а из его иммуногенной части (субъединичные вакцины). В США создана субъединичная вакцина против ящура крупного рогатого скота, колибактериоза телят и поросят и др.

Одним из направлений биотехнологии может стать использование сельскохозяйственных животных, измененных путем генно-инженерных манипуляций, в качестве живых объектов по производству ценнейших биологических препаратов.

Весьма перспективна задача введения в геном животных генов, отвечающих за синтез определенных веществ (гормоны, ферменты, антитела и др.) с тем, чтобы насыщать ими путем биосинтеза продукты животноводства. Наиболее подходит для этого молочный скот, который способен синтезировать и выводить из организма с молоком огромное количество синтезированных продуктов.16

Зигота - благоприятный объект для введения любого клонированного гена в генетическую структуру млекопитающих. Прямое микроинъецирование фрагментов ДНК в мужской пронуклеус мышей показало, что специфические клонированные гены функционируют нормально, продуцируя специфические белки и изменяя фенотип. Введение гормона роста крысы в оплодотворенную яйцеклетку мыши привело к более быстрому росту мышей.17

Селекционеры с использованием традиционных методов (оценка, отбор, подбор) добились выдающихся успехов в создании сотен пород в пределах многих видов животных. Средний удой молока в некоторых странах достиг 10500 кг. Получены кроссы кур с высокой яйценоскостью, лошади с высокой резвостью и т.д. Эти методы во многих случаях дали возможность приблизиться к биологическому плато. Однако далеко не решена проблема повышения устойчивости животных к болезням, эффективности конверсии корма, оптимального белкового состава молока и т.д. Использование трансгенной технологии может существенно увеличить возможность совершенствования животных.

В настоящее время все больше и больше производится генетически модифицированных продуктов питания и пищевых добавок. Но до сих пор идут дискуссии об их влиянии на здоровье человека. Некоторые ученые считают, что действие чужеродного гена в новой генотипической среде Непредсказуемо. Не всегда всесторонне исследуются генетически модифицированные продукты.

Получены сорта кукурузы и хлопка с геном Baccillust huringensis (Вt), кодирующим белок, являющийся токсином для насекомых-вредителей этих культур. Получен трансгенный рапс, у которого изменен состав масла, содержащего до 45% 12-членной лауриновой жирной кислоты. Она используется при производстве шампуней, косметики, стиральных порошков.

Созданы растения риса, в эндосперме которого повышено содержание провитамина А. Испытаны трансгенные растения табака, в которых уровень никотина в десятки раз меньше. В 2004 г. под трансгенными культурами был занят 81 млн., га, в то время как в 1996 г они высевались на площади в 1,7 млн. га.

Достигнуты заметные успехи в использовании растений для продукции белков человека: картофель - лактоферрин, рис - α1-антитряпсин, и α -интерферон, табак - эритропоэтин. В 1989 г. А. Хиаггг с соавторами создали трансгенный табак, производящий моноклональные антитела Ig G1. Ведутся работы по созданию трансгенных растений, которые могут быть использованы в качестве «съедобных вакцин» для производства протективных антигенных белков инфекционных агентов.

Таким образом, в будущем возможен перенос в геном сельскохозяйственных животных генов, обусловливающих повышение оплаты корма, его использования и переваривания, скорости роста, молочной продуктивности, настрига шерсти, резистентности к болезням, эмбриональной жизнеспособности, плодовитости и т. д.

Перспективно использование биотехнологии в эмбриогенетике сельскохозяйственных животных. Все более широко используются в стране методы трансплантации ранних эмбрионов, совершенствуются методы стимуляции репродуктивных функций маток.

По мнению Б. Глика и Дж. Пастернака (2002), молекулярная биотехнология в будущем позволит человеку достичь успехов в самых разных направлениях:

1. Точно диагностировать, профилактировать и лечить многие инфекционные и генетические заболевания.

2. Увеличить урожайность сельскохозяйственных культур путем создания сортов растений, устойчивых к вредителям, грибковым и вирусным инфекциям и вредным воздействиям факторов окружающей среды.

3. Создать микроорганизмы, продуцирующие различные химические соединения, антибиотики, полимеры, ферменты.

4. Вывести высокопродуктивные породы животных, устойчивые к болезням с наследственной предрасположенностью, с низким генетическим грузом.

5. Перерабатывать отходы, загрязняющие окружающую среду.

В то же время авторы обращают внимание на ряд проблем и вопросов, которые необходимо решить:

1. Будут ли организмы, полученные методами генной инженерии, оказывать вредное воздействие на человека и другие живые организмы и окружающую среду?

2. Приведет ли создание и широкое использование модифицированных организмов к уменьшению генетического разнообразия?

3. Имеем ли мы право изменять генетическую природу человека, используя генно-инженерные методы?

4. Следует ли патентовать животных, полученных генноинженерными методами?

5. Не нанесет ли использование молекулярной биотехнологии ущерб традиционному сельскому хозяйству?

6. Не приведет ли стремление к максимальной прибыли к тому, что преимуществами молекулярной технологии буду пользоваться только состоятельные люди?

7. Будут ли нарушены права человека на неприкосновенность частной жизни при использовании новых диагностических методов?

Эти и другие проблемы возникают при широком использовании результатов биотехнологии. Тем не менее, оптимизм в среде ученых и населения постоянно растет, поэтому еще в отчете Отдела по оценкам новых технологий США за 1987 г. сказано: «Молекулярная биотехнология ознаменовала собой еще одну революцию в науке, которая могла бы изменить жизнь и будущее ... людей так же радикально, как это сделала промышленная революция два века назад и компьютерная революция в наши дни. Возможность целенаправленного манипулирования генетическим материалом…обещает великие перемены в нашей жизни».18

Заключение

 

Биотехнология возникла на стыке микробиологии, биохимии и биофизики, генетики и цитологии, биоорганической химии и молекулярной биологии, иммунологии и молекулярной генетики. Методы биотехнологии могут применяться на следующих уровнях: молекулярном (манипуляция с отдельными частями гена), генном, хромосомном, уровне плазмид, клеточном, тканевом, организменном и популяционном.

Биотехнология - наука об использовании живых организмов, биологических процессов и систем в производстве, включая превращение различных видов сырья в продукты.

В настоящее время в мире существует более 3000 биотехнологических компаний. В 2004 г. в мире было произведено биотехнологической продукции более чем на 40 млрд. долларов. 19

Развитие биотехнологии связано с усовершенствованием техники научных исследований. Сложные современные приборы позволили установить строение нуклеиновых кислот, вскрыть их значение в явлениях наследственности и расшифровать генетический код, выявить этапы биосинтеза белка. Без учета этих достижений в настоящее время немыслима полноценная деятельность человека во многих сферах науки и производства: в биологии, медицине, сельском хозяйстве.

Обнаружение связей между строением генов и белков привело к созданию молекулярной генетики. Интенсивно развивается иммуногенетика, изучающая генетические основы иммунных реакций организма. Выявлена генетическая основа многих заболеваний человека или предрасположенности к ним. Такие сведения помогают специалистам в области медицинской генетики установить точную причину заболевания и разработать меры профилактики и лечения людей. 20

Список литературы:

 

1)         А.А. Жученко, Ю.Л. Гужов, В.А. Пухальский, «Генетика», Москва, «КолосС» 2003

2)         В.Л.Петухов, О.С.Короткевич, С.Ж. Стамбеков, «Генетика» Новосибирск, 2007 год.

3)         А.В. Бакай, И.И. Кочиш, Г.Г. Скрипниченко, «Генетика», Москва «КолосС», 2006 год.

4)         Е.П. Карманова, А.Е. Болгов, «Практикум по генетике», Петрозаводск 2004

5)         В.А. Пухальский «Введение в генетику», Москва «КолосС» 2007

6)         Е.К. Меркурьева, З.В. Абрамова, А.В. Бакай, И.И. Кочиш, «Генетика» 1991

7)         Б.В. Захаров, С.Г. Мамонтов, Н.И. Сонин, «Общая биология» 10-11 класс, Москва 2004 год.

[1] - Н.А.Кузьмина, «Основы биотехнологии», учебное пособие для студентов биологического факультета, Омский государственный университет.

[2] - В.Л.Петухов, О.С.Короткевич, С.Ж. Стамбеков, «Генетика» - Новосибирск, 2007 год.

[3] -А.В. Бакай, И.И. Кочиш, Г.Г. Скрипниченко, «Генетика», Москва «КолосС», 2006 год.

5 - А.А. Жученко, Ю.Л. Гужов, В.А. Пухальский, «Генетика», Москва, «КолосС» 2003

6 - В.Л.Петухов, О.С.Короткевич, С.Ж. Стамбеков, «Генетика» - Новосибирск, 2007 год.

7 - А.В. Бакай, И.И. Кочиш, Г.Г. Скрипниченко, «Генетика», Москва «КолосС», 2006 год.

8 - В.Л.Петухов, О.С.Короткевич, С.Ж. Стамбеков, «Генетика» - Новосибирск, 2007 год.

9 - В.Л.Петухов, О.С.Короткевич, С.Ж. Стамбеков, «Генетика» - Новосибирск, 2007 год.

10 - Е.П. Карманова, А.Е. Болгов, «Практикум по генетике», Петрозаводск 2004

11 - А.В. Бакай, И.И. Кочиш, Г.Г. Скрипниченко, «Генетика», Москва «КолосС», 2006 год

12 - В.А. Пухальский «Введение в генетику», Москва «КолосС» 2007

13 – Е.К. Меркурьева, З.В. Абрамова, А.В. Бакай, И.И. Кочиш, «Генетика» 1991

14 - А.А. Жученко, Ю.Л. Гужов, В.А. Пухальский, «Генетика», Москва, «КолосС» 2003

15 - А.В. Бакай, И.И. Кочиш, Г.Г. Скрипниченко, «Генетика», Москва «КолосС», 2006 год.

16 - В.Л.Петухов, О.С.Короткевич, С.Ж. Стамбеков, «Генетика» - Новосибирск, 2007 год.

17 - А.А. Жученко, Ю.Л. Гужов, В.А. Пухальский, «Генетика», Москва, «КолосС» 2003

18 - В.Л.Петухов, О.С.Короткевич, С.Ж. Стамбеков, «Генетика» - Новосибирск, 2007 год.

19 - В.Л.Петухов, О.С.Короткевич, С.Ж. Стамбеков, «Генетика» - Новосибирск, 2007 год.

20 – Б.В. Захаров, С.Г. Мамонтов, Н.И. Сонин, «Общая биология» 10-11 класс, Москва 2004 год.