Получение лекарств ферментов витаминов с использованием живых организмов наука
Новые методы получения промышленно важных продуктов — прежде всего методы биотехнологии, и в особенности, промышленной микробиологии. Промышленная микробиология основывается на применении микроорганизмов в промышленности для получения коммерчески, ценных продуктов и лекарств. Важнейшие продукты микробного синтеза — специальные вещества, используемые для фармацевтических и пищевых целей (антибиотики, ферменты, ингибиторы ферментов, витамины, ароматизаторы, добавки для пищевой промышленности и др.).; Гибкость метаболизма и высокая способность микробов к адаптации, простота культивирования, изученность генетики, разработанные методы направленного создания штаммов с заданными свойствами — преимущества, делающие микробную биотехнологию одним из перспективных направлений промышленности. Целесообразность промышленного производства определяется такими факторами, как высокий выход продукта (образование больших количеств из исходного материала), низкая стоимость производства и доступность сырья.
Области применения биотехнологии представлены в табл. 7-1. В настоящее время разработаны способы получения более 1000 наименований продуктов биотехнологическими способами. В США совокупная стоимость этих продуктов в 2000 г. оценивается в десятки миллиардов долларов. Все отрасли, в которых может быть использована биотехнология, перечислить практически невозможно.
Таблица 7-1. Области использования биотехнологии
| Область применения | Примеры |
| Медицина, здравоохранение, фармакология | Антибиотики, ферменты, аминокислоты, кровезаменители, алкалоиды, нуклеотиды, иммунорегуляторы, противораковые и противовирусные препараты, новые вакцины, гормональные препараты (инсулин, гормон роста и др.), монокпональные AT для диагностики и лечения, пробы ДНК для диагностики и генотерапии, продукты диетического питания |
| Получение химических веществ | Этилен, пропилен, бутилен, окисленные углеводороды, органические кислоты, терпены, фенолы, акрилаты, полимеры, ферменты, продукты тонкого органического синтеза, полисахариды |
| Животноводство | Усовершенствование кормовых рационов (производство белка, аминокислот, витаминов, кормовых антибиотиков, ферментов, заквасок для силосования), ветеринарных препаратов (антибиотики, вакцины и т.д.), гормонов роста, создание высокопродуктивных пород, пересадка оплодотворённых клеток, эмбрионов, манипуляции с чужеродными генами |
| Растениеводство | Биорациональные пестициды, бактериальные удобрения, гибберели-ны, производство безвирусного посадочного материала, создание высокопродуктивных гибридов, введение генов устойчивости к болезням, засухе, заморозкам, засоленности почв |
| Рыбное хозяйство | Кормовой белок, ферменты, антибиотики, создание генетически модифицированных пород с усиленным ростом, устойчивых к заболеваниям |
| Пищевая промышленность | Белок, аминокислоты, заменители сахара (аспартам, глюкозофруктовый сироп), полисахариды, органические кислоты, нуклеотиды, липиды, переработка пищевых продуктов |
| Энергетика и добыча полезных ископаемых | Спирты, биогаз, жирные кислоты, алифатические углеводороды, водород, уран, интенсификация добычи нефти, газа, угля, искусственный фотосинтез, биометаллургия, добыча серы |
| Тяжёлая промышленность | Улучшение технических характеристик каучука, бетонных, цементных, гипсовых растворов, моторных топлив; антикоррозийные присадки, смазки для проката чёрных и цветных металлов, технический белок и липиды |
| Лёгкая промышленность | Улучшение технологии переработки кож, производства текстильного сырья, шерсти, бумаги, парфюмерно-косметических изделий, получение биополимеров, искусственных кожи и шерсти и т.д. |
| Биоэлектроника | Биосенсоры, биочипы |
| Космонавтика | Создание замкнутых систем жизнеобеспечения в космосе |
| Экология | Утилизация сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов, биодеградация трудноразлагаемых и токсических веществ (пестицидов, гербицидов, нефти), создание замкнутых технологических циклов, производство безвредных пестицидов, легкоразрушаемых полимеров |
| Научные исследования | Генно-инженерные и молекулярно-биологические исследования (ферменты рестрикции ДНК, ДНК- и РНК-полимеразы, ДНК- и РНК-лигазы, нуклеиновые кислоты, нуклеотиды и т.д.), медицинские исследования (средства диагностики, реактивы и пр.), химия (реактивы, сенсоры) |
Оптимизация микробиологических процессов в биотехнологии. Принципиальные подходы к оптимизации микробных биотехнологических процессов: управляемое культивирование (изменение состава питательной среды, целевые добавки, регуляция скорости перемешивания, аэрации, модификация температурного режима и пр.); генетические манипуляции, которые подразделяют на традиционные методы (селекция штаммов) и методы генной инженерии (технология рекомбинантных ДНК).
В настоящее время микробиологическим путём получают микробную биомассу, первичные и вторичные продукты метаболизма. Первичные продукты (продукты первой фазы) — метаболиты, синтез которых необходим для выживания данного микроорганизма. Синтез вторичных продуктов (продукты второй фазы) не относится к жизненно необходимым для микроорганизма-продуцента. Оптимальные условия для получения биомассы определяются высокими скоростями протока среды через культуры микроорганизмов и стабильными химическими условиями культивирования (в том числе рН, количество кислорода и углерода). Процесс получения продуктов первой фазы (в частности, ферментов) оптимизируют в целях увеличения удельной активности фермента (единиц/г*ч -1 ) и объёмной продуктивности (единиц /л*ч -1 ).
Для получения продуктов второй фазы (например, антибиотиков) главная задача — максимальное увеличение их концентрации, что ведёт к снижению затрат на их выделение.
Источник
Естествознание. 11 класс
Конспект урока
Естествознание, 11 класс
Урок 29. Биотехнология и прогресс человечества
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: Какой смысл вкладывают в понятия «биотехнология», «генная инженерия», «генетически модифицированные организмы», «клонирование»? Каковы ключевые этапы развития биотехнологии? Какие существуют современные направления развития биотехнологий? Каков вклад биотехнологии в развитие цивилизации? Каковы перспективы развития и проблемы использования современных достижений биотехнологии? Каковы перспективы дальнейшего развития биотехнологии?
Глоссарий по теме:
Биотехнология – это дисциплина, которая исследует возможности использования организмов для решения актуальных технологических задач, а также возможности создания организмов с необходимыми для хозяйственной деятельности свойствами.
Генетически модифицированные организмы – организмы, в генотип которых внесены изменения искусственным путем.
Генная инженерия – это метод биотехнологии и направление молекулярной биологии, в рамках которого осуществляется исследование и выделение генов из клеток живых организмов для последующей манипуляции.
Клонирование – это процесс получения искусственным путем потомков идентичных прототипу (клонов).
Клеточная инженерия – это метод биотехнологии – выращивание в специальных условиях культур клеток живых организмов для проведения исследований, а также для медицинских целей – например, выращивание тканей человека для последующей трансплантации.
Основная и дополнительная литература по теме урока:
1. Естествознание. 11 класс: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017. – С. 141-145.
2. Егорова Т. А., Клунова С. М., Живухин Е. А. Основы биотехнологии. – М., 2003. – С. 56-79.
Открытые электронные ресурсы по теме урока:
Информационный портал / Раздел: достижения биотехнологий. URL: https://gmpnews.ru/terminologiya/biotechnology/
Теоретический материал для самостоятельного изучения
На современном этапе уровень развития науки позволяет человеку использовать не только различные вещества и материалы для своих целей, но и живых организмов, что открывает новый этап развития цивилизации – этап активного развития биотехнологий.
Биотехнология – это дисциплина, которая исследует возможности ис-пользования организмов для решения актуальных технологических задач, а также возможности создания организмов с необходимыми для хозяйственной деятельности свойствами средствами генной инженерии.
Уже сегодня биотехнологии дают возможность обеспечивать человечество необходимыми лекарствами и пищевыми продуктами – например, при помощи генетически модифицированных бактерий существует возможность получать инсулин, жизненно необходимый людям, которые страдают диабетом.
Биотехнология, как прикладная наука, появилась на стыке биологии и нескольких инженерных дисциплин в начале 70-х годов ХХ века. Началом биотехнологии считается метод генной инженерии, используя который биологи сумели перенести генетический материал одного организма в другой без естественного полового процесса.
Сегодня этот метод позволяет создавать генетически модифицированные организмы (ГМО) – организмы, в генотип которых внесены или убраны искусственным путем дополнительные гены. Процесс создания ГМО предполагает выделение необходимого для внедрения участка генов (участка ДНК) в организме-доноре генетической информации, и выбор участка в ДНК организма-акцептора (принимающего), куда будет встроен чужой генетический материал. Затем, при помощи специальных ферментов – рестриктаз происходит «нарезание» цепи ДНК на отдельные участки в местах расположения отдельных нуклеотидов, и встраивание нарезанных участков в ДНК организма-акцептора.
Сегодня генетически модифицированные организмы широко используются в сельском хозяйстве – без них невозможно было бы обеспечить население достаточным количеством пищевых ресурсов. В то же время, широко освещается точка зрения о вреде употребления ГМО в пищу, которая является неверной, поскольку при переваривании любых организмов животным или человеком весь генетический материал будет разрушен.
Единственный вред, который могут нанести ГМО – это вред генетическому разнообразию популяций, так как создание ГМО предполагает создание генетически идентичных или генетических близких организмов. Большое число генетически однородных особей в популяции, скрещиваясь с особями дикого типа, снижает ее генетическое разнообразие, и следовательно – общую приспособленность к условиям окружающей среды, что негативно сказывается на выживаемости популяций.
В то же время именно ГМО позволяет получать сегодня инсулин, синтезируемый бактериями, что намного дешевле технологии, используемой ранее – добычи инсулина из крови свиней и коров. В медицине используются и многие другие достижения биотехнологии.
К медицинской биотехнологии отнесены такие процессы производства, в ходе которых создаются биологические объекты (вещества, элементы) медицинского назначения. Это, например, витамины, ферменты, антибиотики, вакцины, полисахариды, аминокислоты, которые применяют как самостоятельные или вспомогательные средства.
Сегодня также возможна терапия раковых опухолей, которая базируется на нормализации работы мутированного гена (онкогена, который провоцирует рост опухолевых клеток) и в обучении иммунной системы «распознавать» и атаковать опухолевые антигены и активировать иммунный ответ.
Развитие биотехнологии сегодня достаточно актуально в контексте нехватки ресурсов биосферы для обеспечения и удовлетворения социально-экономических потребностей человеческой цивилизации.
В частности, биотехнология позволяет решить такие проблемы, как:
1. Нехватку качественной пресной воды.
2. Загрязнение окружающей среды, большое количество производимых отходов.
3. Необходимость создания возобновляемых источников энергии.
4. Необходимость получения новых экологически чистых материалов.
Особое развитие сегодня получает клеточная инженерия – как направление биотехнологии. Клеточная инженерия – это метод биотехнологии – выращивание в специальных условиях культур клеток живых организмов для проведения исследований, а также для медицинских целей – например, выращивание тканей человека для последующей трансплантации.
Генная инженерия – это направление молекулярной биологии и метод биотехнологии, в рамках которого осуществляется исследование и выделение генов из клеток живых организмов для последующей манипуляции.
Наиболее спорным прикладным направлением генной инженерии является клонирование. Клонирование – это процесс получения искусственным путем потомков идентичных прототипу – клонов.
Сегодня невозможно представить процесс диагностики некоторых опасных заболеваний без методов биотехнологии. Одно из последних достижений биотехнологии – это метод биосенсоров, которые «ловят» особые маркеры-молекулы, связанные с болезнями, и подают сигналы на датчики. Именно на основе этого разработаны тест-системы на онкологические маркеры, а также различные глюкометры – приборы для измерения уровня глюкозы в крови, необходимые диабетикам.
Биотехнология уже стала и будет в дальнейшем источником не только новых пищевых ресурсов для человека, медицинских препаратов, новых видов энергии, но и получения новых веществ. В то же время, именно сегодня в человеческой цивилизации наиболее остро встают вопросы применения отдельных биотехнологий – как правовые, так и этические.
Выводы. Биотехнология – это дисциплина, которая исследует возможности использования организмов для решения актуальных технологических задач, а также возможности создания организмов с необходимыми для хозяйственной деятельности свойствами средствами генной инженерии.
Уже сегодня биотехнологии дают возможность обеспечивать человечество необходимыми лекарствами и пищевыми продуктами – например, при помощи генетически модифицированных бактерий существует возможность получать инсулин, жизненно необходимый людям, которые страдают диабетом.
Биотехнология, как прикладная наука, появилась на стыке биологии и нескольких инженерных дисциплин в начале 70-х годов ХХ века. Началом биотехнологии считается метод генной инженерии, используя который биологи сумели перенести генетический материал одного организма в другой без естественного полового процесса.
Наиболее спорным прикладным направлением генной инженерии является клонирование. Клонирование – это процесс получения искусственным путем потомков идентичных прототипу – клонов.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
1. Организмы, в генотип которых внесены изменения искусственным путем, это:
Правильный ответ: 1. ГМО.
2. Вставьте пропущенные слова в текст:
«Генная ________ – это направление молекулярной биологии, в рамках которого осуществляется исследование и выделение генов из клеток живых организмов для последующей манипуляции».
Источник