Внимание! ​​​​grand-referat.ru не продает дипломы, аттестаты об образовании и иные документы об образовании. Все услуги на сайте предоставляются исключительно в рамках законодательства РФ.

История развития, достижения в биотехнологиях

Мотивация в системе менеджмента

Готовность и желание человека выполнять свою работу является одним из ключевых факторов успеха функционирования организации. Кадры решают все! Как показала история, добиться от человека эффективности

Основы предпринимательской деятельности

Компания является юридическим лицом, обладает обособленным имуществом на праве собственности, имеет самостоятельный баланс, расчетный и иные счета в банках, в том числе зарубежных, печати со своим наи

Автоматизация учета затрат на производство и выход растениеводческой продукции в сельскохозяйственных предприятиях

Порядок работы 38 Заключение 46 Список использованной литературы 47 Введение Каждый бухгалтер понимает что бухгалтерский учет необходимо автоматизировать. Но далеко не каждый знает, что для этого нужн

Способы подъемов, спусков, торможений в лыжном спорте

Следствием этого могут стать ушибы и поломка лыж. Падение на склоне, кроме того, может послужить причиной схода лавины. Различие в технической подготовленности участников нередко приводит к растягив

Экономическое положение Амурской области

Положение Амурской области непостоянно, оно то улучшается, то ухудшается, и я хочу сделать прогноз социальной экономики на последующие годы. Ещё своей работе хочется представить вопросы о внешнеэконом

Влияние общественных групп (сект) на прогрессирование суицидального поведения подростков от 14 до 18 лет

Суицид – поведение, имеющее цель самоубийство, которое рассматривается сейчас как ведущая причина смертей во всем мире, поэтому он является значительной общественной проблемой. Кроме того, некоторые и

Петр I

Особое внимание Ломоносова привлекала к себе эпоха Петра I. Рядом с крупными военными победами, одержанными Петром, и успехами внешней политики, Ломоносов ставил обширные экономические преобразования

Социология политики Макса Вебера

Однако и на Западе, давно построившем рыночное общество и намного раньше обозначившем свою осведомленность в сфере политической социологии, интерес к ней не только не угасает, но в последние годы заме

Использование научных достижений в биотехнологии осуществ ляется на самом высоком уровне современной науки.

Только биотех нология создает возможность получения разнообразных веществ и соединений из сравнительно дешевых, доступных и возобновляе мых материалов. В отличие от природных веществ и соединений, искусственно син тезируемые требуют больших капиталовложений, плохо усваивают ся организмами животных и человека, имеют высокую стоимость.

Биотехнология использует микроорганизмы и вирусы, которые в процессе своей жизнедеятельности вырабатывают естественным пу тем необходимые нам вещества - витамины, ферменты, аминокис лоты, органические кислоты, спирты, антибиотики и др. биологи чески активные соединения. Живая клетка по своей организационной структуре, слаженности процессов, точности результатов, экономичности и рациональности превосходит любой завод. В настоящее время микроорганизмы используются, в основном, в трех видах биотехнологических процессов: - для производства биомассы; - для получения продуктов метаболизма (например, этанола, антибиотиков, органических кислот и др.); - для переработки органических и неорганических соединений как природного, так и антропогенного происхождения.

Главная задача первого вида процессов, которую сегодня призва но решать биотехнологическое производство - ликвидация белково го дефицита в кормах сельскохозяйственных животных и птиц, т.к. в белках растительного происхождения имеется дефицит аминокислот и, прежде всего, особо ценных, так называемых незаменимых.

Основным направлением второй группы биотехнологических про цессов в настоящее время является получение продуктов микробного синтеза с использованием отходов различных производств, вклю чая пищевую, нефте - и деревоперерабатывающую промышленности и т.д.

Биотехнологическая переработка различных химических соеди нений направлена, главным образом, на обеспечение экологического равновесия в природе, переработку отходов деятельности человече ства и максимальное снижение негативного антропогенного воздей ствия на природу. В промышленном масштабе биотехнология представляет индуст рию, в которой можно выделить следующие отрасли: - производство полимеров и сырья для текстильной промышлен ности; - получение метанола, этанола, биогаза , водорода и использова ние их в энергетике и химической промышленности; - производство белка, аминокислот, витаминов, ферментов и т.д. путем крупномасштабного выращивания дрожжей, водорослей, бак терий; - увеличение продуктивности сельскохозяйственных растений и животных; - получение гербицидов и биоинсектицидов ; - широкое внедрение методов генной инженерии при получении новых пород животных, сортов растений и выращивания тканевых клеточных культур растительного и животного происхождения; - переработка производственных и хозяйственных отходов, сточ ных вод, изготовление компостов с применением микроорганизмов; - утилизация вредных выбросов нефти, химикатов, загрязняющих почву и воду; - производство лечебно-профилактических и диагностических пре паратов (вакцин, сывороток, антигенов, аллергенов, интерферонов, антибиотиков и др.). Практически все биотехнологические процессы тесно связаны с жизнедеятельностью различных групп микроорганизмов - бактерий, вирусов, дрожжей, микроскопических грибов и т.п., и имеют ряд ха рактерных особенностей: 1. Процесс микробного синтеза, как правило, является частью мно гостадийного производства, причем целевой продукт стадии биосин теза часто не является товарным и подлежит дальнейшей переработ ке. 2. При культивировании микроорганизмов обычно необходимо под держивать асептические условия, что требует стерилизации оборудо вания, коммуникаций, сырья и др. 3. Культивирование микроорганизмов осуществляют в гетерогенных системах, физико-химические свойства которых в ходе процесса могут существенно изменяться. 4. Технологический процесс характеризуется высокой вариабельностью из-за наличия в системе биологического объекта, т.е. популя ции микроорганизмов. 5. Сложность и многофакторность механизмов регуляции роста микроорганизмов и биосинтеза продуктов метаболизма. 6. Сложность и в большинстве случаев отсутствие информации о качественном и количественном составе производственных питательных сред. 7. Относительно низкие концентрации целевых продуктов. 8. Способность процесса к саморегулированию. 9. Условия, оптимальные для роста микроорганизмов и для био синтеза целевых продуктов, не всегда совпадают.

Микроорганизмы потребляют из окружающей среды вещества, растут, размножаются, выделяют жидкие и газообразные продукты метаболизма, тем самым реализуя те изменения в системе (накопле ние биомассы или продуктов метаболизма, потребление загрязняю щих веществ), ради которых проводят процесс культивирования. Сле довательно, микроорганизм можно рассматривать как центральный элемент биотехнологической системы, определяющий эффективность ее функционирования. 1.2. История развития биотехнологии За последние 20 лет биотехнология, благодаря своим специфичес ким преимуществам перед другими науками, совершила решительный прорыв на промышленный уровень, что в немалой степени обя зано также развитию новых методов исследований и интенсифика ции процессов, открывших ранее неизвестные возможности в полу чении биопрепаратов, способов выделения, идентификации и очист ки биологически активных веществ.

Биотехнология формировалась и эволюционировала по мере фор мирования и развития человеческого общества. Ее возникновение, становление и развитие условно можно подразделить на 4 периода. 1. Эмпирический период или до исторический - самый длительный, охватывающий примерно 8000 лет, из которых более 6000 лет до н.э. и около 2000 лет н.э.

Древние народы того времени интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и некоторых других продуктов, которые теперь мы относим к разряду биотехнологических . Известно, что шумеры - первые жители Месопотамии (на терри тории современного Ирака) создали цветущую в те времена цивилизацию. Они выпекали хлеб из кислого теста, владели искусством готовить пиво.

Приобретенный опыт передавался из поколения в поко ление, распространялся среди соседних народов (ассирийцев, вавилонян, египтян и древние индусов). В течение нескольких тысячеле тий известен уксус, издревле приготавливавшийся в домашних усло виях.

Первая дистилляция в виноделии осуществлена в XII в.; водку из хлебных злаков впервые получили в XVI в.; шампанское известно с XVIII в. К эмпирическому периоду относятся получение кисломолочных продуктов, квашеной капусты, медовых алкогольных напитков, си лосование кормов. Таким образом, народы исстари пользовались на практике био технологическими процессами, ничего не зная о микроорганизмах.

Эмпиризм также был характерен и в практике использования полез ных растений и животных. В 1796 г . произошло важнейшее событие в биологии - Э. Дженнером были проведены первые в истории прививки человеку коровьей оспы. 2. Этиологический период в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX в. и первую треть XX в. (1856 - 1933 гг.). Он связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Л. Пастера (1822 - 95) - основопо ложника научной микробиологии.

Пастер установил микробную природу брожения, доказал возмож ность жизни в бескислородных условиях, создал научные основы вакцинопрофилактики и др. В этот же период творили его выдающиеся ученики, сотрудники и коллеги: Э. Дюкло , Э. Ру , Ш.Э. Шамберлан , И.И. Мечников; Р. Кох, Д. Листер, Г. Риккетс , Д. Ивановский и др. В 1859 г . Л. Пастер приготовил жидкую питательную среду, Р. Кох в 1881 г . предложил метод культивирования бактерий на стерильных ломтиках картофеля и на агаризованных питательных средах. И, как следствие этого, удалось доказать индивидуальность микробов и получить их в чистых культурах. Более того, каждый вид мог быть размножен на питательных средах и использован в целях воспроиз ведения соответствующих процессов (бродильных, окислительных и др.). Среди достижений 2-й периода особо стоит отметить следующие: - 1856 - чешский монах Г. Мендель открыл законы доминирова ния признаков и ввел понятие единицы наследственности в виде дис кретного фактора, который передается от родителей потомкам; - 1869 - Ф. Милер выделил «нуклеин» (ДНК) из лейкоцитов; - 1883 - И. Мечников разработал теорию клеточного иммунитета; - 1984 - Ф. Леффлер изолировал и культивировал возбудителя дифтерии; - 1892 - Д.Ивановский открыл вирусы; - 1893 - В. Оствальд установил каталитическую функцию ферментов; - 1902 - Г. Хаберланд показал возможность культивирования кле ток растений в питательных растворах; - 1912 - Ц. Нейберг раскрыл механизм процессов брожения; -1913 - Л. Михаэлис и М. Ментен разработали кинетику фермен тативных реакций; - 1926 - X . Морган сформулировал хромосомную теорию наслед ственности; - 1928 - Ф. Гриффит описал явление «трансформации» у бакте рий; - 1932 - М. Кнолль и Э. Руска изобрели электронный микроскоп. В этот период было начато изготовление прессованных пищевых дрожжей, а также продуктов их метаболизма - ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот, во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод. Тем не менее, накопление большой массы клеток одного возраста оставалось исключительно трудоемким процессом. Вот почему тре бовался принципиально иной подход для решения многих задач в области биотехнологии. 3. Биотехнический период - начался в 1933 г . и длился до 1972 г . В 1933 г . А. Клюйвер и А.Х. Перкин опубликовали работу «Мето ды изучения обмена веществ у плесневых грибов», в которой изло жили основные технические приемы, а также подходы к оценке по лучаемых результатов при глубинном культивировании грибов. На чалось внедрение в биотехнологию крупномасштабного герметизи рованного оборудования, обеспечивающего проведение процессов в стерильных условиях.

Особенно мощный толчок в развитии промышленного биотехно логического оборудования был отмечен в период становления и раз вития производства антибиотиков (время второй мировой войны 1939- 1945 гг., когда возникла острая необходимость в противомикробных препаратах для лечения больных с инфицированными ранами). Все прогрессивное в области биотехнологических и технических дисциплин, достигнутое к тому времени, нашло свое отражение в биотехнологии: - 1936 - были решены основные задачи по конструированию, со зданию и внедрению в практику необходимого оборудования, в том числе главного из них - биореактора (ферментера, аппарата-культи ватора); - 1938 - А. Тизелиус разработал теорию электрофореза; - 1942 - М. Дельбрюк и Т. Андерсон впервые увидели вирусы с помощью электронного микроскопа; - 1943 - пенициллин произведен в промышленных масштабах; - 1949 - Дж.

Ледерберг открыл процесс конъюгации у Е. colly ; - 1950 - Ж. Моно разработал теоретические основы непрерывно го управляемого культивирования микробов, которые развили в сво их исследованиях М. Стефенсон, И. Молек , М. Иерусалимский, И. Работнова , И. Помозгова , И. Баснакьян , В. Бирюков; -1951 - М. Тейлер разработал вакцину против желтой лихорадки; - 1952 - У. Хейс описал плазмиду как внехромосомный фактор наследственности; -1953 - Ф. Крик и Дж.

Уотсон расшифровали структуру ДНК. Это стало побудительным мотивом для разработки способов крупномас штабного культивирования клеток различного происхождения для получения клеточных продуктов и самих клеток; - 1959 - японские ученые открыли плазмиды антибиотикоустойчивости (К-фактор) у дизентерийной бактерии; - 1960 - С. Очоа и А. Корнберг выделили белки, которые могут «сшивать» или «склеивать» нуклеотиды в полимерные цепочки, син тезируя тем самым макромолекулы ДНК. Один из таких ферментов был выделен из кишечной палочки и назван ДНК-полимераза; - 1961 - М. Ниренберг прочитал первые три буквы генетического кода для аминокислоты фенилаланина ; - 1962 - X . Корана синтезировал химическим способом функцио нальный ген; -1969 - М. Беквит и С. Шапиро выделили ген 1ас-оперона у Е. colly ; - 1970 - выделен фермент рестриктаза ( рестриктирующая эндо нуклеаза ). 4. Геннотехнический период начался с 1972 г ., когда П. Берг создал первую рекомбинацию молекулы ДНК, тем самым показав возможность направленных манипуляцией с генетическим материалом бак терий.

Естественно, что без фундаментальной работы Ф. Крика и Дж.

Уотсона по установлению структуры ДНК было бы невозможно дос тигнуть современных результатов в области биотехнологии. Выяс нение механизмов функционирования и репликации ДНК, выделение и изучение специфичных ферментов привело к формированию строго научного подхода к разработке биотехнических процессов на основе генноинженерных манипуляций.

Создание новых методов исследований явилось необходимой пред посылкой развития биотехнологии в 4-ом периоде: - 1975 - Г. Келлер и Ц. Мильштейн опубликовали в журнале «Ка1иге» статью « Длительноживущие культуры гибридных клеток, секретирующие антитела предопределенной «специфичности», в которой описали метод получения моноклональных антител; - 1977 - М. Максам и У. Гилберт разработали метод анализа пер вичной структуры ДНК путем химической деградации, а Дж.

Сэнгер - путем полимеразного копирования с использованием терминиру ющих аналогов нуклеотидов; - 1981 - разрешен к применению в США первый диагностичес кий набор моноклональных антител; 1982 - поступил в продажу человеческий инсулин, продуцируемый клетками кишечной палочки; разрешена к применению в Евро пейских странах вакцина для животных, полученная по технологии рекомбинантных ДНК; разработаны генно-инженерные интерфероны, фактор некротизации опухоли, интер-лейкин-2, соматотропный гормон человека и др ; -1986 - К. Мюллис разработал метод полимеразной цепной реак ции (ПЦР); - 1988 - началось широкомасштабное производство оборудова ния и диагностических наборов для ПЦР; - 1997 - клонировано первое млекопитающее (овечка Долли) из дифференцированной соматической клетки. Такие выдающиеся отечественные ученые как Л.С. Ценковский , С.Н. Вышелесский , М.В. Лихачев, Н.Н. Гинзбург, С.Г. Колесов, Я.Р. Коляков , Р.В. Петров, В.В. Кафаров и др. внесли неоценимый вклад в развитие биотехнологии.

Наиболее важные достижения биотехнологии в 4-ом периоде: 1. Разработка интенсивных процессов (вместо экстенсивных) на основе направленных, фундаментальных исследований (с продуцен тами антибиотиков, ферментов, аминокислот, витаминов). 2. Получение суперпродуцентов . 3. Создание различных продуктов, необходимых человеку, на основе генноинженерных технологий. 4. Создание необычных организмов, ранее не существовавших в природе. 5. Разработка и внедрение в практику специальной аппаратуры биотехнологических систем. 6. Автоматизация и компьютеризация биотехнологических про изводственных процессов при максимальном использовании сырья и минимальном потреблении энергии.

Вышеперечисленные достижения биотехнологии реализуются в настоящее время в народное хозяйство и будут внедряться в практи ку в последующие 10-15 лет. В обозримом будущем будут опреде лены новые краеугольные камни биотехнологии и нас ждут новые открытия и достижения. 1.3. Биосистемы, объекты и методы в биотехнологии Одним из терминов в биотехнологии является понятие «биосисте мы». Обобщенные характеристики биологической (живой) системы могут быть сведены к трём присущим им основным признаками: 1. Живые системы являются гетерогенными открытыми система ми, которые обмениваются с окружающей средой веществами и энер гией. 2. Эти системы являются самоуправляемыми, саморегулирующи ми, идактивными , т.е. способными к обмену информацией с окружа ющей средой для поддержания своей структуры и управления про цессами метаболизма. 3. Живые системы являются самовоспроизводящимися (клетки, организмы). По структуре биосистемы делятся на элементы (подсистемы), связанные между собой, и характеризуются сложной организацией (ато мы, молекулы, органеллы, клетки, организмы, популяции, сообще ства). Управление в клетке представляет собой сочетание процессов синтеза молекул белков-ферментов, необходимых для осуществления той или иной функции, и непрерывных процессов изменения активно сти в ходе взаимодействия триплетных кодов ДНК в ядре и макромо лекул в рибосомах.

Усиление и торможение ферментативной актив ности происходит в зависимости от количества начальных и конеч ных продуктов соответствующих биохимических реакций.

Благодаря этой сложной организации биосистемы отличаются от всех неживых объектов.

Поведение биосистемы является совокупностью ее реакций в от вет на внешние воздействия, т.е. наиболее общей задачей управляю щих систем живых организмов является сохранение его энергетиче ской основы при изменяющихся условиях внешней среды. Н.М. Амосов делит все биосистемы на пять иерархических уров ней сложности: одноклеточные организмы, многоклеточные организмы, популяции, биогеоценоз и биосферу.

Одноклеточные организмы - это вирусы, бактерии и простейшие.

Функции одноклеточных - обмен веществом и энергией со средой, рост и деление, реакции на внешние раздражители в виде изменения обмена и формы движения. Все функции одноклеточных поддержива ются за счет биохимических процессов ферментативной природы и за счет энергетического обмена - начиная от способа получения энергии и до синтеза новых структур или расщепления существующих.

Единственным механизмом одноклеточных, обеспечивающим их приспособление к окружающей среде, является механизм изменений в отдельных генах ДНК и, как следствие, изменение белков-фермен тов и изменение биохимических реакций.

Основой системного подхода к анализу структур биосистем явля ется ее представление в виде двух компонентов - энергетической и управляющей. На рис. 1. показана обобщенная принципиальная схема потоков энергии и информации в любой биосистеме.

Основным, элементом является энергетическая составляющая, обозначенная через МС (ме таболическая система), и управляющая, обозначенная через Р (гене тическое и физиологическое управле ние) и передающая сигналы управления на эффекторы (Э). Одной из главных функций метаболической системы является снабжение биосистем энер гией.

Рис. 1. Потоки энергии и информации в биосистеме.

Структура биосистем поддерживается механизмами генетическо го управления.

Получая от остальных систем энергию и информацию в виде продуктов обмена веществ ( матаболитов ), а в период формиро вания - в виде гормонов, генетическая система управляет процессом синтеза необходимых веществ и поддерживает жизнедеятельность остальных систем организма, причем процессы в этой системе про текают достаточно медленно.

Несмотря на многообразие биосистем, отношения между их био логическими свойствами остаются инвариантными для всех организмов. В сложной системе возможности к адаптации значительно боль ше, чем в простой. В простой системе эти функции обеспечиваются малым количеством механизмов, при этом они более чувствительны к изменениям во внешней среде. Для биосистем характерна качественная неоднородность, прояв ляющаяся в том, что в рамках одной и той же функциональной биосистемы совместно и слаженно работают подсистемы с качественно различными адекватными управляющими сигналами (химическими, физическими, информационными). Иерархичность биосистем проявляется в постепенном усложне нии функции на одном уровне иерархии и скачкообразном переходе к качественно другой функции на следующем уровне иерархии, а также в специфическом построении различных биосистем, их ана лиза и управления в такой последовательности, что итоговая выходная функция нижележащего уровня иерархии входит в качестве эле мента в вышележащий уровень.

Постоянное приспособление к среде и эволюция невозможны без единства двух противоположных свойств: структурно-функциональ ной организованности и структурно-функциональной вероятности, стохастичности и изменчивости.

Структурно-функциональная организованность проявляется на всех уровнях биосистем и характеризуется высокой устойчивостью биологического вида и его формы. На уровне макромолекул это свой ство обеспечивается репликацией макромолекул, на уровне клетки - делением, на уровне особи и популяции - воспроизведением особей путем размножения. В качестве биологических объектов или систем, которые исполь зует биотехнология, прежде всего необходимо назвать одноклеточ ные микроорганизмы, а также животные и растительные клетки. Выбор этих объектов обусловлен следующими моментами: 1. Клетки являются своего рода « биофабриками », вырабатываю щими в процессе жизнедеятельности разнообразные ценные продук ты: белки, жиры, углеводы, витамины, нуклеиновые кислоты, ами нокислоты, антибиотики, гормоны, антитела, антигены, ферменты, спирты и пр.

Многие из этих продуктов, крайне необходимые в жиз ни человека, пока недоступны для получения « небиотехнологичес кими » способами из-за дефицитности или высокой стоимости сырья или же сложности технологических процессов; 2. Клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся. Так, бактериаль ная клетка делится через каждые 20 - 60 мин, дрожжевая – через каждые 1,5 - 2 ч, животная - через 24 ч, что позволяет за относитель но короткое время искусственно нарастить на сравнительно дешё вых и недефицитных питательных средах в промышленных масшта бах огромные количества биомассы микробных, животных или рас тительных клеток.

Например, в биореакторе ёмкостью 100 м 3 за 2 – 3 сут можно вырастить 10' 6 - 10 18 микробных клеток. В процессе жизнедеятельности клеток при их выращивании в среду поступает боль шое количество ценных продуктов, а сами клетки представляют со бой кладовые этих продуктов; 3. Биосинтез сложных веществ, таких как белки, антибиотики, антигены, антитела и др. значительно экономичнее и технологичес ки доступнее, чем химический синтез. При этом исходное сырьё для биосинтеза, как правило, проще и доступнее, чем сырьё для других видов синтеза. Для биосинтеза используют отходы сельскохозяй ственной, рыбной продукции, пищевой промышленности, рас тительное сырьё (молочная сыворотка, дрожжи, древесина, меласса и др.) 4. Возможность проведения биотехнологического процесса в промышленных масштабах, т.е. наличие соответствующего техно логического оборудования, доступность сырья, технологии перера ботки и т.д. Таким образом, природа дала в руки исследователям живую сис тему, содержащую и синтезирующую уникальные компоненты, и, в первую очередь, нуклеиновые кислоты, с открытием которых и на чала бурно развиваться биотехнология и мировая наука в целом.

Объектами биотехнологии являются вирусы, бактерии, грибы, протозойные организмы, клетки (ткани) растений, животных и чело века, вещества биологического происхождения (например, ферменты, простагландины, лектины , нуклеиновые кислоты), молекулы. В этой связи можно сказать, что объекты биотехнологии относят ся либо к микроорганизмам, либо к растительным и животным клеткам. В свою очередь организм можно охарактеризовать как систему экономного, сложнейшего, компактного, целенаправленного синте за, устойчиво и активно протекающего при оптимальном под держании всех необходимых параметров.

Методы, применяемые в биотехнологии, определяются двумя уровнями: клеточным и молекулярным. Тот и другой определяются биобъектами . В первом случае дело имеют с бактериальными клетками (для получения вакцинных препаратов), актиномицетов (при получении антибиотиков), микромицетов (при получении лимонной кислоты), животных клеток (при изготовлении противовирусных вакцин), кле ток человека (при изготовлении интерферона) и др. Во втором случае дело имеют с молекулами, например с нуклеи новыми кислотами.

Однако в конечной стадии молекулярный уровень трансформируется в клеточный.

Клетки животных и растений, микробные клетки в процессе жизнедеятельности (ассимиляции и диссимиляции) образуют новые продукты и выделяют метаболиты разнообразного физико-химичес кого состава и биологического действия. При росте клетки в ней осуществляется огромное число катали зируемых ферментами реакций, в результате которых образуются промежуточные соединения, которые в свою очередь превращаются в структуры клетки. К промежуточным соединениям, к строитель ным «кирпичикам» относятся 20 аминокислот, 4 рибонуклеотида , 4 дезоксирибонуклеотида , 10 витаминов, моносахара , жирные кисло ты, гексозамины . Из этих «кирпичиков» строятся «блоки»: примерно 2000 белков, ДНК, три типа РНК, полисахариды, липиды, фер менты.

Образующиеся «блоки» идут на строительство клеточных структур: ядро, рибосомы, мембрана, клеточная стенка, митохондрии, жгутики и пр., из которых состоит клетка. На каждой стадии «биологического синтеза» клетки можно определить те продукты, которые могут быть использованы в биотехно логии.

Обычно продукты одноклеточных делят на 4 категории: а) сами клетки как источник целевого продукта.

Например, выращенные бактерии или вирусы используют для получения живой или убитой корпускулярной вакцины; дрожжи, как кормовой белок или основу для получения гидролизатов питательных сред и т.д.; б) крупные молекулы, которые синтезируются клетками в про цессе выращивания: ферменты, токсины, антигены, антитела, пеп тидогликаны и др.; в) первичные метаболиты - низкомолекулярные вещества (менее 1500 дальтон), необходимые для роста клеток, такие как аминокис лоты, витамины, нуклеотиды, органические кислоты; г) вторичные метаболиты ( идиолиты ) - низкомолекулярные со единения, не требующиеся для роста клеток: антибиотики, алкалои ды, токсины, гормоны.

Биотехнология использует эту продукцию клеток как сырьё, которое в результате технологической обработки превращается в ко нечный, пригодный для использования продукт. Все микрообъекты, используемые в биотехнологии, относят к ака риотам , проили к эукариотам. Из группы эукариот, например, оперирует в качестве биообъектов клетками простейших, водорослей и грибов, из группы прокариот - клетками сине-зеленых водорослей и бактерий, акариот – вирусами.

Биообъекты из микромира варьируют в размерах от нанометров (вирусы, бактериофаги) до миллиметров и сантиметров (гигантские водоросли) и характеризуются относительно быстрым темпом раз множения. В современной Фарминдустрии используется гигантская гамма биообъектов, группировка которых весьма сложна и лучше всего может быть выполнена на основе принципа их соразмерности.

Огромная совокупность биобъектов не исчерпывает всей элемен тной базы, которой оперирует биотехнология.

Последние успехи биологии и генной инженерии привели к появлению совершенно новых биообъектов – трансгенных (генетически-модифицированных) бактерий, вирусов, грибов, клеток растений, животных, человека и химер.

Несмотря на то, что представители всех надцарств содержат ге нетический материал, различные акариоты лишены какого-либо од ного типа нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК). Они не способны функционировать (в том числе - реплицироваться) вне живой клетки, и, следовательно, правомочно именовать их безъядерными. Паразитизм вирусов развивается на генетическом уровне.

Бактерии имеют ленточную организацию и у них имеются нукле иновые кислоты обоих типов - РНК и ДНК, из которых ДНК пред ставлена в виде одиночной (кольцевидной) хромосомы.

Большинство из них размножается на питательных средах (вне организма), а если среди бактерий и есть безусловные (облигатные) паразиты, прибли жающиеся по данному признаку к вирусам ( хламидии , микоплазмы , риккетсии), то паразитизм их отличается по своему механизму - его можно назвать клеточным. При целенаправленном обследовании различных экологических ниш выявляются все новые группы микроорганизмов-продуцентов полезных веществ, которые могут быть использованы в биотехнологии.

Количество видов микроорганизмов, используемых в биотехнологии, постоянно растет. При выборе биологического объекта во всех случаях нужно со блюдать принцип технологичности. Так, если в течение многочис ленных циклов культивирования свойства биологического объекта не сохраняются или претерпевают существенные изменения, то дан ный биологический объект следует признать нетехнологичным, т.е. неприемлемым для следующих после стадии лабораторных иссле дований технологических разработок. С развитием биотехнологии огромное значение приобретают спе циализированные банки биологических объектов, в частности коллекции микроорганизмов с изученными свойствами, а также крио банки клеток животных и растений, которые уже сейчас с помощью специальных методов могут быть с успехом использованы для кон струирования новых, полезных для биотехнологии организмов. По сути дела, такие специализированные банки культур ответственны за сохранение чрезвычайно ценного генофонда.

Коллекции культур играют важную роль в процедуре правовой защиты новых культур и в стандартизации биотехнологических про цессов. В коллекциях проводится сохранение, поддержание и обес печение микроорганизмов штаммами, плазмидами , фагами, линиями клеток как для научных и прикладных исследований, так для и соответствующих производств.

Коллекции культур кроме основной задачи - обеспечения жизнеспособности и сохранения генетических свойств штаммов - содействуют развитию научных исследований (в области таксономии, цитологии, физиологии), а также служат целям обучения. Они выполняют незаменимую функцию в качестве депо зитариев патентуемых штаммов.

Согласно международным прави лам, патентоваться и депозитироваться могут не только эффектив ные продуценты, но и культуры, используемые в генетической инже нерии.

Большое внимание ученые уделяют целенаправленному созданию новых, не существующих в природе биологических объектов. В пер вую очередь, следует отметить создание новых клеток микроорганиз мов, растений, животных методами генетической инженерии. Созда нию новых биологических объектов, безусловно, способствует со вершенствование правовой охраны изобретений в области генетической инженерии и биотехнологии в целом.

Сформировалось направле ние, занимающееся конструированием искусственных клеток. В на стоящее время существуют методы, позволяющие получить искусственные клетки с использованием различных синтетических и биоло гических материалов, например искусственной клеточной мембра ны с заданной проницаемостью и поверхностными свойствами. Неко торые материалы могут быть заключены внутри таких клеток: фер ментные системы, клеточные экстракты, биологические клетки, магнитные материалы, изотопы, антитела, антигены, гормоны и др. При менение искусственных клеток дало положительные результаты в производстве интерферонов и моноклональных антител, при создании иммуносорбентов и др.

Разрабатываются подходы к созданию искусственных ферментов и аналогов ферментов, обладающих повышенной стабильностью и активностью.

Например, проводится синтез полипептидов желаемой стереоконфигурации , ведутся поиски методов направленного мута генеза с целью замены одной аминокислоты на другую в молекуле фермента.

Делаются попытки построения неферментных каталити ческих моделей. Как наиболее перспективные следует выделить следующие груп пы биологических объектов: - рекомбинанты , т.е. организмы, полученные методами гене тической инженерии; - растительные и животные тканевые клетки; - термофильные микроорганизмы и ферменты; - анаэробные организмы; - ассоциации для превращения сложных субстратов; - иммобилизованные биологические объекты.

Процесс искусственного создания биологического объекта (микроорганизма, или тканевой клетки) состоит в изменении его генети ческой информации с целью исключить нежелательные и усилить нужные свойства или придать ему совершенно новые качества. Наиболее целенаправленные изменения можно выполнить путем реком бинаций - перераспределяя гены или части генов и объединяя в одном организме генетическую информацию от двух и более организ мов.

Получение рекомбинантных организмов, в частности, можно осуществить методом слияния протопластов, путем переноса при родных плазмид и методами генной инженерии. К нетрадиционным биологическим агентам на данном этапе раз вития биотехнологии относятся растительные и животные тканевые клетки, в том числе гибридомы , трансплантаты.

Культуры клеток мле копитающих уже сейчас являются продуцентами интерферона и ви русных вакцин, в недалеком будущем осуществится крупномасштаб ное получение моноклональных антител, поверхностных антигенов клеток человека, ангиогенных факторов. С развитием методов биотехнологии все большее внимание будет уделяться использованию термофильных микроорганизмов и их ферментов.

Ферменты, продуцируемые термофильными микроорганизмами, характеризуются термостабильностью и более высокой устойчи востью к денатурации по сравнению с ферментами из мезофилов . Проведение биотехнологических процессов при повышенной тем пературе с использованием ферментов термофильных микроорга низмов обладает рядом достоинств: 1) увеличивается скорость реакции; 2) повышается растворимость реактивов и за счет этого - продуктивность процесса; 3) уменьшается возможность микробного заражения реакцион ной среды.

Наблюдается возрождение биотехнологических процессов с ис пользованием анаэробных микроорганизмов, которые нередко являются также термофильными.

Анаэробные процессы привлекают внимание исследователей в связи с недостатком энергии и возмож ностью получения биогаза . Так как при анаэробном культивировании не нужна аэрация среды и биохимические процессы менее интен сивны, упрощается система теплоотвода , анаэробные процессы можно рассматривать как энергосберегающие.

Анаэробные микроорганизмы успешно используются для переработки отходов (биомассы растений, отходов пищевой промыш ленности, бытовых отходов и др.) и стоков (бытовые и промышлен ные стоки, навоз) в биогаз . В последние годы расширяется применение смешанных куль тур микроорганизмов и их природных ассоциаций. В реальной био логической ситуации в природе микроорганизмы существуют в виде сообществ различных популяций, тесно связанных между со бой и осуществляющих круговорот веществ в природе.

Основные преимущества смешанных культур по сравнению с монокультурами следующие: - способность утилизировать сложные, неоднородные по со ставу субстраты, зачастую непригодные для монокультур; - способность к минерализации сложных органических соеди нений; - повышенная способность к биотрансформации органических веществ; - повышенная устойчивость к токсичным веществам, в том чис ле тяжелым металлам; - повышенная устойчивость к воздействию окружающей среды; - повышенная продуктивность; - возможный обмен генетической информацией между отдель ными видами сообщества.

Следует особо выделить такую группу биологических объектов, как ферменты-катализаторы биологического происхождения, изуче нием которых в прикладном аспекте занимается инженерная энзи мология.

Основная ее задача - разработка биотехнологических про цессов, в которых используется каталитическое действие энзимов , как правило, выделенных из состава биологических систем или находящихся внутри клеток, искусственно лишенных способнос ти роста.

Благодаря ферментам скорость реакций по сравнению с реакциями, протекающими в отсутствие этих катализаторов, возрастает в 10 б - 10 12 раз. Как отдельную отрасль создания и использования биологических объектов следует выделить иммобилизованные биологические объек ты.

Иммобилизованный объект представляет собой гармоничную систему, действие которой в целом определяется правильным подбо ром трех основных компонентов: биологического объекта, носителя и способа связывания объекта с носителем. В основном используются следующие группы методов мобилиза ции биологических объектов: - включение в гели, микрокапсулы; - адсорбция на нерастворимых носителях; - ковалентное связывание с носителем; - сшивка бифункциональными реагентами без использования но сителя; - « самоагрегация » в случае интактных клеток.

Основными преимуществами использования иммобилизованных биологических объектов являются: - высокая активность; - возможность контроля за микроокружением агента; возможность полного и быстрого отделения целевых продук тов; - возможность организации непрерывных процессов с многократным использованием объекта. Как следует из вышеизложенного, в биотехнологичиеских про цессах возможно использование ряда биологических объектов, ха рактеризующихся различными уровнями сложности биологической регуляции, например клеточным, субклеточным, молекулярным. От особенностей конкретного биологического объекта самым непос редственным образом зависит подход к созданию всей биотехноло гической системы в целом. В результате фундаментальных биологических исследований уг лубляются и расширяются знания о природе и, тем самым, о возможностях прикладного использования той или иной биологичес кой системы в качестве активного начала биотехнологического процесса. Набор биологических объектов непрерывно пополняется. 1.4. Основные направления развития методов биотехнологии в ветеринарии За последние 40 - 50 лет произошло скачкообразное развитие боль шинства наук, что привело к форменной революции в производстве ветеринарных и медицинских биопрепаратов, созданию трансгенных растений и животных с заданными уникальными свойствами. По добные исследования являются приоритетными направлениями на учно-технического прогресса и в XXI в. займут ведущее место среди всех наук. Даже простое перечисление товарных форм биопрепаратов ука зывает на неограниченные возможности биотехнологии.

Однако этот важный вопрос заслуживает некоторой детализации. На наш взгляд, возможности биотехнологии особенно впечатля ющи в трех основных направлениях.

Первое - это крупнотоннажное производство микробного белка для кормовых целей (вначале - на основе гидролизатов древесины, а затем - на основе углеводородов нефти). Важную роль играет производство незаменимых аминокислот, необходимых для сбалансированности по аминокислотному составу кормовых добавок. Кроме кормового белка, аминокислот, витаминов и других кормо вых добавок, увеличивающих питательную ценность кормов, быст ро расширяются возможности массового производства и примене ния вирусных и бактериальных препаратов для профилактики бо лезней птиц и сельскохозяйственных животных, для эффективной борьбы с вредителями сельскохозяйственных растений.

Микробиологические препараты, в отличие от многих химических, обладают высокой специфичностью действия на вредных насе комых и фитопатогенные микроорганизмы, они безвредны для чело века и животных, птиц и полезных насекомых.

Наряду с прямым уничтожением вредителей в период обработки они действуют на потомство, снижая его плодовитость, не вызывают образования ус тойчивых форм вредных организмов.

Огромны возможности биотехнологии в области производства ферментных препаратов для переработки сельскохозяйственно го сырья, создания новых кормов для животноводства.

Второе направление - разработки в интересах развития био логической науки, здравоохранения и ветеринарии. На основе достижений генной инженерии и молекулярной биологии биотехнология может обеспечить здравоохранение высокоэффективными вакцинами и антибиотиками, моноклональными антителами, интерфероном, ви таминами, аминокислотами, а также ферментами и другими био препаратами для исследовательских и лечебных целей.

Некоторые из этих препаратов уже сегодня с успехом применяются не только в научных экспериментах, но и в практической медицине и ветерина рии.

Наконец, третье направление - разработки для промышленности. Уже сегодня продукцию биотехнологических производств потребляют или применяют пищевая и легкая промышленность (фермен ты), металлургия (использование некоторых веществ в процессах флотации, точного литья, прецизионного проката), нефтегазовая промышленность (использование ряда препаратов комплексной переработки растительных и микробных биомасс при бурении скважин, при селективной очистке и др.), резиновая и лакокра сочная промышленность (улучшение качества синтетического ка учука за счет некоторых белковых добавок), а также ряд других про изводств. К числу активно разрабатываемых направлений биотехнологии относятся биоэлектроника и биоэлектрохимия , бионика, нанотехно логия , в которых используются либо биологические системы, либо принципы действия таких систем.

Широко в научных исследованиях применяются ферментсодер жащие датчики. На их основе разработан ряд устройств, например, дешевые, точные и надежные приборы для проведения анализов . Появляются и биоэлектронные иммуносенсоры , причем в не которых из них используется полевой эффект транзисторов. На их основе предполагается создавать относительно дешевые приборы, способные определять и поддерживать на заданном уровне концентрацию широкого круга веществ в жидкостях тела, что может вызвать переворот в биологической диагностике.

Достижения ветеринарной биотехнологии. В России биотехно логия как наука начала развиваться с 1896 г . Толчком послужила необходимость создавать профилактические и терапевтические средства против таких болезней как сибирская язва, чума крупного рогатого скота, бешен ство, ящур, трихинеллез. В конце XIX в. ежегодно от сибирской язвы гибло более 50 тыс. животных и 20 тыс. людей. За 1881 - 1906 гг. от чумы пало 3,5 млн коров.

Значительный ущерб наносил сап, от которого гибло конское поголовье и люди.

Успехи отечественной ветеринарной науки и практики в проведении специфической профилактики инфекционных болезней связаны с круп ными научными открытиями, сделанными в конце XIX и начале XX столетий. Это касалось разработки и внедрения в ветеринарную прак тику профилактических и диагностических препаратов при карантин ных и особо опасных болезнях животных (вакцины против сибирской язвы, чумы, бешенства, аллергенов для диагностики туберкулеза, сапа и др ). Была научно доказана возможность приготовления лечебных и ди агностических гипериммунных сывороток. На этот период приходится фактическая организация в России само стоятельной биологической промышленности. С 1930 г . существующие в России ветеринарные бактериологичес кие лаборатории и институты стали существенно расширяться, и на их базе было начато строительство крупных биологических фабрик и био комбинатов по производству вакцин, сывороток, диагностикумов для ветеринарных целей. В этот период разрабатываются технологические процессы, научно-технологическая документация, а также единые методы (стандарты) изготовления, контроля и применения препаратов в животноводстве и ветеринарии. В 30-е годы были построены первые заводы по получению кор мовых дрожжей на гидролизатах древесины, сельскохозяйственных отходах и сульфитных щелоках под руководством В.Н.Шапошнико ва.

Успешно внедрена технология микробиологического производства ацетона и бутанола (рис. 2). Большую роль в создание основ отечественной биотехнологии внесло его учение двухфазном характере брожения. В 1926 г . в СССР были исследованы биоэнергетические закономерности окисления углеводородов микроорганизмами. В последующие годы биотехно логические разработки широко использовались в нашей стране для расширения «ассортимента» антибиотиков для медицины и животно водства, ферментов, витаминов, ростовых веществ, пестицидов. Рис. 2. Биопредприятие с замкнутым циклом производства, не загрязняющее окружающую среду С момента создания в 1963 г . Всесоюзного научно-исследо вательского института биосинтеза белковых веществ в нашей стра не налаживается крупнотоннажное производство богатой белками биомассы микроорганизмов как корма. В 1966 г . микробиологическая промышленность была выделена в отдельную отрасль и создано Главное управление микробиологичес кой промышленности при Совете Министров СССР - Главмикроби опром . С 1970 г . в нашей стране ведутся интенсивные исследования по селекции культур микроорганизмов для непрерывного культивиро вания в промышленных целях. В разработку генно-инженерных методов советские исследователи включились в 1972 г . Следует указать на успешное осуществление в СССР проекта «Ревертаза» - получение в промышленных масшта бах фермента «обратной транскриптазы». Развитие методов изучения структуры белков, выяснение меха низмов функционирования и регуляции активности ферментов от крыли путь к направленной модификации белков и привели к рожде нию инженерной энзимологии.

Иммобилизованные ферменты, об ладающие высокой стабильностью, становятся мощным инструмен том для осуществления каталитических реакций в различных отрас лях промышленности. Все эти достижения поставили биотехнологию на новый уровень, качественно отличающийся от прежнего возможностью сознательно управлять клеточными процессами биосинтеза. За годы становления промышленного производства биологических препаратов в нашей стране произошли существенные качественные из менения биотехнологических приемов их получения: - проведены исследования по получению стойких, с наследственно закрепленными свойствами, авирулентных штаммов микроорганизмов, из которых готовят живые вакцины; - разработаны новые питательные среды для культивирования мик роорганизмов, в том числе и на основе гидролизатов и экстрактов из сырья непищевого назначения; - получены высококачественные сывороточные питательные среды для лептоспир и других трудно культивируемых микроорганизмов; - разработан глубинный реакторный способ культивирования мно гих видов бактерий, грибов и некоторых вирусов; - получены новые штаммы и линии клеток, чувствительных ко мно гим вирусам, что обеспечило приготовление и получение стандартных и более активных противовирусных вакцин; - механизированы и автоматизированы все процессы производства; - разработаны и внедрены в производство современные методы кон центрирования культур микроорганизмов и сублимационной сушки биопрепаратов; - снижены энергозатраты на получение единицы продукции, стан дартизировано и улучшено качество биопрепаратов; - повышена культура производства биопрепаратов.

независимая оценка автомобиля для наследства в Твери
оценка для нотариуса в Орле
оценка стоимости недвижимости в Калуге

НАШИ КОНТАКТЫ

Адрес

по всей России

НОМЕР ТЕЛЕФОНА

8-800-347-25-72

График

ежедневно, без выходных

Email

zakaz@​grand-referat.ru