Современное состояние и роль биотехнологии

Отличительным признаком живых организмов является клеточное строение. Клетка является минимальной структурой, в которой происходят все необходимые для жизнедеятельности превращения органического вещества и энергии. Огромное биологическое разнообразие живого вещества свидетельствует о неисчерпаемых возможностях биосинтеза.

Одноклеточные микроорганизмы — самые древние и разнообразные живые существа. Им примерно 3,5 млн лет, из них 2 млн лет они были единственными на Земле. Они прошли длительную эволюцию и «умеют делать» все, что «делают» высшие организмы и даже больше.

Бактерии сформировали окружающую среду— почву, атмосферу. Они могут существовать в различных экологических нишах и очень адаптивны. Разнообразие микроорганизмов позволяет широко использовать культивирование микроорганизмов. Огромные возможности дает также культивирование живых клеток и тканей различных растений и животных.

Культивирование микроорганизмов осуществляется в микробиологических производствах, которые условно делятся на три типа:

  • 1) производящие живую или инактивированную биомассу м.о. — производство кормовых дрожжей и белково-витаминных концентратов (БВК), кормовые препараты, закваски, удобрители почвы и пестициды;
  • 2) производящие продукты микробного биосинтеза — аминокислоты, антибиотики, ферменты, гормоны, витамины;
  • 3) производящие продукты энергетического метаболизма — углеводы, биогаз, биоэтанол, спирты, органические кислоты.

Современные методы культивирования и селекции м.о. позволили повысить продуктивность продуцентов антибиотиков, например, в 1000 раз по сравнению с продуктивностью первых выделенных штаммов. Объем производства биотехнологической продукции вырос в 1981 г. в 1,5—2 раза по сравнению с уровнем до эры генетической инженерии (1975 г.) [19].

Культивирование растительных и животных клеток и тканей — более современное направление биотехнологии и также имеет огромные перспективы.

Значение генной инженерии

Генная инженерия изменила практику биотехнологии:

  • 1) путем введения дополнительных генов, увеличения их количества или активности повысилась продуктивность промышленных м.о.;
  • 2) удалось изменить питательные потребности м.о.;
  • 3) появилась возможность синтезировать с помощью м.о. несвойственные им вещества и, таким образом, разнообразить продукцию;
  • 4) изменилась стратегия создания биотехнологических производств. Сейчас берут любой пригодный для производства штамм и вводят в тело генную конструкцию, которая обеспечит синтез целевого продукта.

Большим успехом биотехнологии был синтез гормона роста в 1982 г. вслед за инсулином, в Японии, США, Великобритании. Его применяют не только для стимулирования роста, но и для заживления тяжелых ран.

Социальное значение биотехнологии

Неизменно актуальным является решение следующих задач биотехнологии:

  • • охрана здоровья;
  • • снабжение продовольствием и энергией;
  • • охрана окружающей среды.

Охрана здоровья — среди продукции фармацевтической промышленности первое место занимают антибиотики (по объему производства и широте применения). С их помощью лечат туберкулез, менингит, плеврит, пневмонию и даже онкологические заболевания. Сегодня известно более 6000 видов антибиотиков, из них применяются более 100. Они делятся на четыре группы:

  • 1) пенициллины;
  • 2) цефалоспорины;
  • 3) тетрациклины;
  • 4) эритромицины.

Продуцентами являются актиномицеты, микомицеты, спорообразующие бактерии и псевдомонады.

С середины 1960-х гг. появились химические технологии модификации природных антибиотиков. Появились новые лекарственные средства, эффективные против пенициллиноустойчивых бактерий.

Вторыми по значению лекарственными веществами — продуктами биотехнологии являются гормоны.

Стероидные гормоны синтезируются некоторыми видами актиномицетов. Кортизон и преднизолон применяются для лечения серьезных аллергических заболеваний, таких как бронхиальная астма, ревматоидный артрит и др. Методы микробной трансформации позволяют сократить число этапов химического синтеза кортизона. В производстве стероидных гормонов широко применяются иммобилизованные микробные клетки. В 1980-е гг. методами генной инженерии получены пептидные гормоны (белковые). Это — белки, клонированные в кишечной палочке Е. coli. Все эти вещества у самих микроорганизмов не обнаруживаются (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Лекарственные вещества для медицины, синтезируемые биотехнологическим

способом

Белок

Терапевтическое использование

Инсулин

Лечение диабета

Гормон роста

Лечение задержки роста и опасных ран

Тканевой активатор плазминогена

Лечение инфаркта миокарда

Интерфероны а, Р, у

Антивирусное и антиопухолевое действие

Интерлейкины 1, 2, 3

Антиопухолевое действие, лечение нарушений иммунитета

Урогастрон

Антиязвенное действие

Урокиназа

Растворение тромбов

Лимфотоксин

Антиопухолевое действие

Фактор некроза опухолей

Антиопухолевое

Очень важным лекарственным веществом являются также ферменты. Их применяют при различных заболеваниях.

Так, при лечении заболеваний пищеварительных органов используются протеолитические ферменты. Их применяют также для лечения ожоговых поражений и различных ран (для удаления некротических тканей). Протеиназы с фибринолитическим действием применяют для растворения тромбов.

Ферменты стрептокиназа и урокиназа лечат тромбоз сосудов сердца, легких, конечностей.

Фермент аспарагиназа применяется для лечения лейкозов; липаза — при нарушении обмена веществ.

Биотехнологическим методом получают также профилактические препараты — вакцины.

Вакцинация снизила смертность от инфекционных заболеваний до 4—8 % против 30—50 % в развивающихся странах.

Благодаря вакцинации полностью искоренили оспу. В нашей стране заболеваемость полиомиелитом за последние 15 лет снизилась в 66 раз. С 1960-х гг. не зафиксировано ни одной массовой вспышки этого заболевания.

Снизилась заболеваемость корью, краснухой, дифтерией. Вакцинация стоит намного дешевле, чем лечение. В настоящее время генная инженерия позволила получить нужные антигены с помощью непатогенных м.о.

В перспективе биотехнологическим методом будут получены новые нейротропные препараты, вакцины, противоопухолевые и противовирусные средства, а также лекарства против генетических заболеваний.

Обеспечение населения продовольствием — в этой области актуальной является проблема недостатка белка животного происхождения, который богаче аминокислотами, чем растительный белок.

В 1986 г. мировое производство мяса составило 155 млн т, а молока — 521 млн т. Это удовлетворяет потребности населения только на 40 %. Годовой прирост производства мяса составляет только 2—3 %.

В настоящее время дефицит составляет 30—35 млн т в год. Поэтому необходимы нетрадиционные биотехнологии.

Биотехнология поставляет животноводству кормовой белок, белково-витаминные концентраты (БВК), незаменимые аминокислоты и кормовые антибиотики.

Получение биомассы дрожжей в нашей стране началось в 1930—1940-е гг. и в 1960-е гг. достигло крупных промышленных масштабов. Их получают на основе клетчатки, которая содержится в отходах деревообрабатывающей промышленности и сельского хозяйства. Гидролизная промышленность перерабатывает любые отходы сельского хозяйства с получением содержащих углеводы растворов для выращивания белковой биомассы кормовых и хлебопекарных дрожжей.

Белково-витаминные концентраты получают с помощью бактерий и грибов, растущих на метаноле, этаноле, метане и др. Эти продукты обеспечивают экономию зерна и увеличивают продуктивность мясного животноводства: 1 т БВК позволяет получить дополнительно до 0,8 т свинины или 1,5 т мяса птицы.

Улучшить состав пищи для человека и животных позволяют получаемые методом биотехнологии незаменимые аминокислоты — лизин и метионин. Метионин получается методом химической технологии, а лизин — только биотехнологическим методом.

Незаменимые а.к. позволяют экономить корма и интенсифицировать производство мяса: на 1 т лизина высвобождается 40—50 т зерна и получается более 10 т мяса.

Для интенсификации производства мяса, молока и яиц в корма добавляются антибиотики.

В животноводстве и растениеводстве получила популярность биологическая система:

  • • применение энтомопатогенных препаратов (для борьбы с насекомыми-вредителями);
  • • применение бактериальных удобрений, таких как нитрагин, азобактерин, фосфобактерин и др.

В сочетании с применением стимуляторов роста эти приемы создают биологическую систему, которая снижает применение химических средств защиты растений. При этом снижается загрязнение почвы, повышается качество продукции, в том числе, кормов.

Глобальные изменения в растениеводстве достигаются методами генной инженерии по двум направлениям.

  • 1. Использование симбиотических микроорганизмов для улучшения свойств растений. Так, клубеньковые бактерии фиксируют атмосферный азот. Молекулярным клонированием можно увеличить количество генов азотфиксации.
  • 2. Улучшение свойств сельскохозяйственных растений возможно путем создания трансгенных растений. Они несут чужие гены, которыми заражаются посредством агробактерий. Эти гены модифицированы и таким путем получены растения, устойчивые к насекомым-вредителям, вирусам, к повреждениям и перезреванию.

Проблемы природоохранительного плана — таких проблем несколько.

Стоки химических предприятий содержат химические соединения, которые крайне медленно разлагаются в природе. Они называются ксенобиотиками. Однако всегда можно найти хотя бы один м.о., который утилизирует даже самый необычный антибиотик. Поэтому изучение путей катаболизма ксенобиотиков — их разложения и детоксикации позволяет создать биотехнологические способы очистки воды от бензола, толуола, ксенона и некоторых пестицидов.

Очистка земель и водоемов от загрязнения нефтью. Такие загрязнения создают вокруг нефтепромыслов безжизненные пространства. Аналогично при авариях на танкерах-перевоз- чиках нефти заливается акватория и берега рек. Штаммы- деструкторы, способные разлагать скопления нефти, получают методом генной инженерии.

Таким путем созданы микробные сообщества не только для очистки окружающей среды окружающей среды от нефти, но и для создания различных безотходных технологий.

Развитие цивилизации приводит к истощению энергетического потенциала Земли. При сегодняшнем уровне потребления нефти хватает всего на 100 лет, газа на 50, других ископаемых источников энергии — на 200 лет.

Однако мощным консервантом солнечной энергии является биомасса зеленых растений. Растительный покров земли сейчас энергетически эквивалентен 3-1022 Дж и равноценен запасам всего ископаемого топлива. При этом возделываемые земли дают только 8 %, а из них только 2 % используется в пищу человеком и на корм животных. Энергетическая ценность всей остальной растительной биомассы в 20 раз превышает годовое потребление энергии, полученной от использования ископаемого топлива.

Принципиально существуют два варианта решения энергетических проблем с использованием биомассы растений.

Первый путь — непосредственное сжигание дров, навоза, древесного угля. Но при этом энергия используется лишь частично (на 10 %), и происходит загрязнение о.с. дымом и С02.

Более полного использования энергии биомассы (на 50—80 %) можно достигнуть путем биологической конверсии биомассы в биогаз и этанол. Получаемые при этом отходы являются ценным удобрением.

Биогаз представляет собой смесь метан/С02 в соотношении 2/1. Его продуцируют метаногенные бактерии. В Индии уже действует почти 1 млн установок биотехнологического получения газа для отопления домов, теплиц и др. Большое количество метантенков функционирует в Китае, они обеспечивают примерно 70 % крестьянских семей.

Производство биотоплива развивается в Бразилии, на Кубе, Филиппинах. В Бразилии из сахарного тростника получают в больших количествах биоэтанол — экологически чистое жидкое топливо, заменитель бензина. Он позволяет сократить импорт нефти. К этому направлению биотехнологии проявляется значительный интерес в США, Великобритании, Франции.

Биотехнология не является панацеей для решения всех экологических проблем. Любая разработка сталкивается со значительными трудностями. Они связаны со сложностью живого организма. В живой системе нельзя изменить ничего, не задевая при этом других элементов. Нельзя придать организму только свойство синтезировать нужную аминокислоту или придать сельскохозяйственному растению устойчивость к грибкам. Одновременно возникают побочные дефекты, так как изменяются и другие свойства организма. Так, некоторые исследования показали снижение иммунитета у животных, питающихся БВК. При этом ген злокачественного перерождения одновременно необходим для нормального роста растений. Аналогично экосистема в целом сложным образом реагирует на ген, переданный культурному растению. Этот ген передастся и сорнякам. При этом в сорняк может превратиться само культурное растение.

Биотехнология пока делает успехи только на простейших объектах, и требуется накопление фундаментальных знаний для перехода к эукариотическим, более сложным организмам.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >