descoperiri uimitoare în domeniul științei și progresul științific și tehnologic grandios a fost marcat secolul XX, cu toate acestea, progresul științific și tehnologic în forma sa actuală are o latură negativă: epuizarea resurselor fosile, poluarea mediului, dispariția multor specii de plante și animale, schimbările climatice globale, apariția unor găuri de ozon peste polii Pământului și așa mai departe. Este clar că acest lucru duce la un sfârșit mort. Avem nevoie de o schimbare fundamentală în vectorul de dezvoltare. Biotehnologia poate aduce o contribuție decisivă la rezolvarea problemelor globale ale omenirii.
Biotehnologia este utilizarea organismelor vii (sau a componentelor lor) în scopuri practice. Când vorbim despre biotehnologia modernă, această definiție este completată de cuvintele: bazate pe realizările biologiei moleculare. Dacă nu faceți o astfel de adăugire, definiția "biotehnologiei" va include agricultura tradițională, efectivele de animale și multe industrii alimentare care utilizează microorganisme. Apoi, ne vom concentra pe unul dintre tipurile de biotehnologie, și anume, ingineria genetică, care deschide noi moduri noi de medicină chimică, de producere a energiei, de noi materiale și de protecția mediului. Ingineria genetică este tehnologia manipulării cu substanța ereditară - ADN.
Astăzi, oamenii de știință sunt într-un tub de testare pentru a reduce molecula de ADN într-o locație dorită, izola și purifica unele dintre fragmentele sale, le sintetiza din doua dezoxiribonucleotide poate coase aceste piese. Rezultatul unor astfel de manipulări sunt „hibrid“ sau o moleculă de ADN recombinant, care anterior nu a fost apare în natură.
Anul nașterii ingineriei genetice este 1972, când a fost efectuat în laboratorul lui Paul Berg în Statele Unite, prima replicare recombinantă a fost obținută într-o eprubetă, adică, se înmulțește, în bacteriile E. coli E. coli. Apariția ingineriei genetice a devenit posibilă datorită descoperirilor fundamentale din biologia moleculară.
În anii 1960, oamenii de știință au decodat codul genetic, adică a constatat că fiecare aminoacid din proteină este codificat de un triplet de nucleotide în ADN. Este deosebit de important ca codul genetic să fie universal pentru întreaga lume vie. Aceasta înseamnă că întreaga lume "vorbește" într-o singură limbă. Dacă transferați un ADN "străin" în orice celulă, atunci informațiile codate în acesta vor fi primite corect de către destinatarul celulei.
Sa constatat de asemenea, că există secvențe de ADN specifice care definesc începutul și sfârșitul transcripție, translație. Replicarea. Aproape toate aceste sisteme, ca o primă aproximație, sunt indiferenți față de secvențele de ADN localizate între semnalele de date. Trebuie să spun că semnalele în sine diferă în diferite organisme. Rezultă din cele de mai sus rezultă că, dacă luăm o genă structurală (de exemplu uman) in vitro, și îi furnizează semnale caracteristice genei celulei bacteriene, o astfel de structură este plasată într-o celulă bacteriană ar fi capabil de a sintetiza proteina umană.
O caracteristică fundamentală a genei este capacitatea de a crea structuri ADN care nu se formează niciodată în natură. Ingineria genetică a depășit bariera existentă în lumea vie, unde schimbul genetic se desfășoară numai în cadrul unei specii sau al unei specii strâns legate de organisme. Vă permite să transferați gene de la un organism viu la altul. Această tehnică nouă a deschis perspective fără limite pentru crearea de microorganisme, plante și animale cu noi proprietăți utile.
Este imposibil să vorbim despre toate aspectele legate de aplicarea tehnicilor de inginerie genetică în biotehnologie sau cercetare științifică. Iată câteva exemple care ilustrează posibilitățile acestei metode.
Una dintre cele mai importante domenii ale ingineriei genetice este producția de medicamente de nouă generație, care sunt proteine umane biologic active. Trebuie reamintit că, în majoritatea cazurilor, proteinele umane (precum și alte animale) sunt specifice speciilor; pentru tratamentul uman, pot fi utilizate numai proteine umane. Ca o consecință, apare problema obținerii de proteine umane în cantități potrivite.
În legătură cu cele de mai sus, istoricul de obținere a interferonilor este interesant. În 1957, oamenii de știință Engleză Issaaks și Lindelman au descoperit că șoarecii care au fost bolnavi de gripa nu sunt expuși infecției de alți viruși mai periculoși. Un studiu al fenomenului observat a condus la concluzia că celulele animale și umane, ca răspuns la o infecție virală, secretă o substanță care face celulele sănătoase din jur rezistentă la o infecție virală. Această substanță (sau substanțe) se numește interferon.
Cercetarea intensivă a fost efectuată în următorii 20 de ani. Sa constatat că interferonii sunt grupuri de proteine aparținând celor trei clase - alfa, betta și gamma. Leucocitele din sânge produc un interferon de tip alfa. fibroblastele de tip betta și leucocitele T de tip gamma. Interferonii au fost izolați, purificați și au prezentat efectul lor ca medicamente antivirale. In plus, aceste proteine s-au dovedit eficiente in tratarea sclerozei multiple si a unor tipuri de cancer. Singurul obstacol în calea utilizării interferonilor a fost disponibilitatea redusă a acestora. Ele au fost sintetizate în cantități foarte mici: sursa producerii lor a fost fie sânge donator, fie cultura celulară umană. Din păcate, aceste surse nu au permis producția de interferoni în cantitatea necesară medicamentului.
În 1980 - 1985 gg. în mai multe laboratoare ale lumii, inclusiv în URSS, genele umane care determină sinteza interferonilor au fost izolate și introduse în bacterii. Astfel de bacterii au devenit capabile să sintetizeze interferonul uman. Este foarte important ca acestea să crească rapid, să utilizeze un mediu nutritiv ieftin și să sintetizeze o cantitate mare de proteine. Din 1 litru de cultură bacteriană, este posibil să alocăm cât mai mult interferon alfa uman de la 10 mii litri. sânge donator. Proteina rezultată este absolut identică cu interferonul sintetizat în corpul uman. Desigur, a fost necesar să se rezolve sarcina complexă de purificare a interferonului, obținut prin metoda de inginerie genetică, într-o stare omogenă.
Din celelalte preparate ale proteinelor umane recombinante care au fost utilizate pe scară largă în medicină, ar trebui să se menționeze insulina, hormonul de creștere, eritropoietina. Insulina de porc diferă de un singur aminoacid uman. Acesta a fost folosit din 1926 pentru a trata persoanele cu diabet zaharat insulino-dependent. Pentru hormonul de creștere și eritropoietină, specia specifică a proteinelor este notată, la fel ca la interferoni. Ingineria genetică a deschis o nouă posibilitate de a utiliza aceste proteine în medicină. Hormonul de creștere este folosit nu numai pentru combaterea nargismului, ci este folosit și ca un stimulant pentru vindecarea rănilor, îmbinarea osului. Hormonii de creștere a animalelor au început să fie utilizați în agricultură (o creștere de 15% a producției de lapte de vaci, accelerarea creșterii peștilor). Eritropoietina este un stimulant hematopoietic și se utilizează în tratamentul diferitelor anemii.
În prezent, peste 30 de preparate create prin inginerie genetică au fost autorizate în lume și peste 200 sunt în diferite stadii ale cercetării clinice. Acum, mai mult de 20% din piața farmaceutică a medicamentelor sunt medicamentele din noua biotehnologie.
Utilizarea proteinelor umane recombinante este o terapie fundamentală nouă. Nu introduc nimic altceva. Într-adevăr, dacă îi lipsește insulina sau hormonul de creștere, acestea se adaugă (terapie de substituție). Cu viruși, organismul însuși se luptă cu ajutorul interferonilor - o persoană îi ajută pur și simplu.
S-au înregistrat progrese semnificative în ingineria genetică a plantelor. Această tehnică se bazează pe metodele de cultivare a celulelor și a țesuturilor plantelor într-un tub de testare și pe posibilitatea regenerării unei întregi plante din celule individuale.
Ingineria genetică a plantelor are propriile probleme. Unul dintre ele este faptul că multe proprietăți utile ale plantelor nu sunt codificate de unul, ci de multe gene. Acest lucru face dificilă sau imposibilă îmbunătățirea directă a ingineriei genetice a proprietăților. Un alt obstacol care este depășit treptat este dificultatea cultivării și regenerării celulelor într-o plantă întreagă între anumite specii, de exemplu cerealele. Cele mai bune rezultate au fost obținute în cazul în care transferul unei gene poate conduce la apariția unei proprietăți utile în instalație.
Crearea de animale modificate genetic (numite acum transgenice) are aceleași dificultăți fundamentale ca și crearea de plante transgenice, și anume: multitudinea de gene care determină trăsături valoroase din punct de vedere economic. Cu toate acestea, există o zonă în dezvoltare rapidă asociată cu crearea de animale transgenice - producători de proteine biologic active.
În organismele superioare, genele specifice codifică producția de proteine în anumite țesuturi. Deși toate genele sunt conținute în fiecare celulă, doar unii dintre ei lucrează în celule specializate, iar acest lucru determină specificitatea țesutului. Un exemplu este producerea de proteine din lapte (cazeină, lactalbumină) în glandele mamare. Este posibil să înlocuiți gena necesară pentru noi sub secvențe de reglementare, de exemplu cazeină, și să obțineți proteina străină în lapte. În acest caz, este important ca animalul să se simtă normal, deoarece gena străină funcționează numai în procesul de lactație.
În lume există deja sute de ovine și caprine transgenice care produc în lapte zeci de miligrame la câteva grame de proteine biologice active umane pe 1 litru de lapte. Această metodă de producție este viabilă din punct de vedere economic și prietenoasă cu mediul, deși necesită eforturi mari și timp de la oamenii de știință pentru a crea animale transgenice în comparație cu crearea microorganismelor modificate genetic.
Cu lapte de animale transgenice, puteți obține nu numai medicamente. Se știe că pentru producția de brânză de înaltă calitate este necesară o enzimă care curdează laptele, - renină. Această enzimă este extrasă din stomacurile vițeilor de lapte. Este scump și nu este întotdeauna disponibil. În cele din urmă, inginerii genetici au proiectat drojdie, care a început să producă această proteină valoroasă în sinteza microbiologică.
Următoarea etapă a ingineriei genetice este crearea oilor transgenice, care sintetizează chimozina în lapte. O turmă mică a oilor noastre din Rusia se află pe dealurile Lenin de lângă Moscova. Aceste oi sintetizează până la 300 mg / l de enzimă în lapte. Pentru procesul de fabricare a brânzei, proteina nu poate fi izolată, ci folosită doar ca parte a laptelui.
Extinderea posibilă a biotehnologiei în domeniu, care astăzi aparține în întregime chimiei. Aceasta este biocataliza (în loc de cataliză chimică) și materiale noi. Unul dintre procesele de biocataliză implementate cu succes în industrie este producerea de acrilamidă din acrilonitril.
CH2 = CH-CN-> CH2 = CH-C = 0
Acrilamida este monomer inițial pentru prepararea polimerilor și copolimeri sunt utilizate pe scară largă în purificarea apei și a apelor reziduale, minerit, în timpul limpezirii vinului și suc, prepararea vopselelor etc.
Până de curând, procesul de hidroliză a nitrilului a fost efectuat la 105 ° C în prezența acidului sulfuric. După terminarea procesului, acidul sulfuric a fost neutralizat cu amoniac. O cantitate mare de sulfat de amoniu a fost găsită în cele din urmă în râuri. Costurile pentru energie au fost ridicate, echipamentele s-au deteriorat repede, iar calitatea acrilamidei a lăsat mult să fie dorită.
În 1987, oamenii de stiinta de la Institutul de Genetică și selecție a Microorganisme industriale, împreună cu colegii lor din ramura Saratov a institutului a început să caute în natura microorganismelor, care ar putea converti acrilonitril acrilamida, au fost găsite astfel de microorganisme. După o serie de manipulări microorganisme capabile să sintetizeze o enzimă de 10 mii de ori mai mult obținute. - Nitril hydratase responsabil pentru transformarea acrilonitril.
Realizările oamenilor de știință sunt realizate în practică. La una dintre plantele care produc antibiotice, producția lansat de biocatalizator, și anume microorganisme relevante și alte 3 fabrici Implementat proces biocatalitice pentru producerea de acrilamidă. Procesul se desfășoară la presiunea și temperatura camerei, deci, puțină energie. Procesul nu are niciun fel de deșeuri, este ecologic. Rezultată nouă metodă acrilamidă are o puritate ridicată, ceea ce este important, deoarece cea mai mare parte este polimerizat suplimentar în polimer poliacrilamidă și calitatea depinde puternic de puritatea monomerului.
Un alt exemplu nu este biocataliza, ci biomateriale. Oamenii de știință au acordat multă atenție proprietăților mecanice foarte valoroase ale materialului din care păianjenii țese plasa.
Diafan este de aproximativ 100 de ori mai subtire decat un fir de păr uman, acest material este mai moale decât bumbacul, mai puternic decât oțelul, are o elasticitate unic, practic, nu se schimba proprietățile unei schimbări de temperatură, materialul este ideal pentru multe scopuri practice: parașuta corduri, veste, etc. Întrebarea este, în cazul în care pentru a obține un număr mare de straturi subțiri din prețul inițial?
De obicei, pentru creșterea microorganismelor, se utilizează amidon ieftin, melasă și alte produse agricole, adică materii prime regenerabile.
Ar trebui remarcat. Că bacteriile nu sintetizează filamentul, ci proteinele amorfe, precum și păianjenii. Se formează un fir atunci când spiderul stoarce proteina din duza glandelor sale. Este posibil din punct de vedere tehnic să simulați acest proces prin forțarea unei proteine amorfe prin găuri foarte subțiri. Primele catene de proteine microbiologice au fost deja obținute. Există o posibilitate reală de a îmbunătăți proprietățile magnifice ale rețelei, făcând unele modificări în secvența de aminoacizi a proteinei.
Exemplele de mai sus nu acoper toate aspectele practice ale aplicării ingineriei genetice. Noi nu am atins pe energie, protecția mediului, minerit, industria microbiologică, precum și un aspect foarte important - rolul ingineriei genetice în dezvoltarea de cele mai multe biologie moleculara.
Noua "Revoluție Verde", care a început deja, va da plante care nu vor avea nevoie de pesticide, iar în viitor - în îngrășăminte azotate. Încetarea utilizării
Pesticidele chimice vor îmbunătăți dramatic starea mediului, vor reduce costurile de producție a petrolului și gazului (cu 3%). Materiale noi vor apărea materiale noi, animale de înaltă performanță, produse alimentare noi.
Conform concluziilor experților Congresului SUA, "biotehnologia va schimba modul de viață al oamenilor în secolul 21 în cea mai mare măsură".
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: