Слайд 2
Биотехноло́гия — дисциплина, изучающая возможности использования
живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения
технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии.
Возможности биотехнологии необычайно велики благодаря тому, что ее методы выгоднее обычных: они используются при оптимальных условиях (температуре и давлении), более производительны, экологически чисты и не требуют химических реактивов, отравляющих среду и др.
Слайд 3
Впервые термин «биотехнология» применил венгерский инженер Карл Эреки
в 1917 году.
Слайд 4
Биотехнологией часто называют применение генной инженерии
в 20-21 веках, но термин относится и к более широкому
комплексу процессов модификации биологических организмов для обеспечения потребностей человека, начиная с модификации растений и одомашненных животных путем искуственного отбора и гибридизации. С помощью современных методов традиционные биотехнологические производства получили возможность улучшить качество пищевых продуктов и увеличить продуктивность живых организмов.
Слайд 5
Биотехнология основана на генетике, молекулярной биологии, биохимии, эмбриологии
и клеточной биологии, а также прикладных дисциплинах — химической и
информационной технологиях и робототехнике.
Слайд 6
Объектами биотехнологии служат многочисленные представители групп живых организмов —
микроорганизмы (вирусы, бактерии, протисты, дрожжи и др.}, растения, животные,
а также изолированные из них клетки и субклеточные структуры (органеллы). Биотехнология базируется на протекающих в живых системах физиолого-биохимических процессах, в результате которых осуществляются выделение энергии, синтез и расщепление продуктов метаболизма, формирование химических и структурных компонентов клетки.
Слайд 7
История биотехнологии
Отдельные биотехнологические
процессы, используемые в повседневной
жизнедеятельности человека, известны
с древних
времён. К ним, например, относится хлебопечение,
виноделие, приготовление кисло-молочных
продуктов.
Тем не менее, биологическая сущность этих
процессов была выяснена лишь в XIX веке.
Слайд 8
В 1814 году академиком К.С.
Кирхгоф было открыто явление биологического катализа, и им была
предпринята попытка биокаталитическим путём получить сахар из доступного отечественного сырья (до середины XIX века сахар получали только из сахарного тростника).
Слайд 9
А в 1891 году в США
японский биохимик
Дз. Такамине получил первый патент на
использование ферментных препаратов
в промышленных целях. Учёный предложил применить диастазу для осахаривания растительных отходов. Таким образом, уже в начале XX века наблюдается активное развитие бродильной и микробиологической промышленности. В эти же годы были предприняты первые попытки использовать ферменты в текстильной промышленности.
Такамине
Слайд 10
В 1916—1917 годах русский биохимик
А. М.
Коленев пытался разработать способ, который позволил бы управлять действием
ферментов в природном сырье при производстве табака. Определённый вклад в развитие практической биохимии принадлежит академику А.Н. Баху, который создал важное прикладное направление биохимии - техническую биохимию.
Слайд 11
А.Н. Бах и его ученики
разработали
множество рекомендаций по улучшению
технологий обработки самого различного
биохимического сырья, совершенствованию
технологий хлебопечения, пивоварения, виноделия, производства чая и табака, а также рекомендации по повышению урожая культурных растений путём управления протекающими в них биохимическими процессами. Все эти исследования, а также прогресс химической и микробиологической промышленности и создание новых промышленных биохимических производств стали главными предпосылками возникновения современной биотехнологии.В производственном отношении основой биотехнологии в процессе её формирования стала микробиологическая промышленность.
Слайд 12
Первый антибиотик — пенициллин — был
выделен в 1940 году. Вслед за пенициллином были открыты
и другие антибиотики (эта работа продолжается и поныне). С открытием антибиотиков сразу же появились новые задачи: налаживание производства лекарственных веществ, продуцируемых микроорганизмами, работа над удешевлением и повышением уровня доступности
новых лекарств, получением их в очень больших количествах, необходимых медицине.
Слайд 13
Можно выделить следующие основные
этапы развития
биотехнологии:
1) Развитие эмпирической
технологии - неосознанное
применение
микробиологических процессов (хлебопечение,
виноделие) примерно с VI тысяч лет до нашей
эры.
2) Зарождение фундаментальных биологических
наук в XV-XVIII веке.
3) Первые внедрения
научных данных в микробиологическое производство в
конце ХIХ-начале XX века - период революционных
преобразований в микробиологической
промышленности.
4) Создание научно-технических
предпосылок возникновения современной
биотехнологии в первой половине XX века (открытие
структуры белков, применение вирусов в изучении
генетики клеточных организмов).
Слайд 14
5) Возникновение собственно биотехнологии как новой
научно-технической отрасли (середина
XX века),
связанное с массовым рентабельным производством
препаратов; организация крупнотоннажных
производств по
получению белка на углеводородах.
6) Появление новейшей биотехнологии, связанное с применением в практике генной и клеточной инженерии, инженерной энзимологии, иммунной биотехнологии. микробиологическое производство —
производство очень высокой культуры. Технология
его очень сложна и специфична, обслуживание
аппаратуры требует овладения специальными
навыками. В настоящее время с помощью
микробиологического синтеза производят
антибиотики, ферменты, аминокислоты, полупродукты для дальнейшего синтеза разнообразных веществ, феромоны (вещества, с помощью которых можно управлять поведением насекомых), органические кислоты, кормовые белки и другие. Технология производства этих веществ хорошо отработана, получение их микробиологическим путём экономически выгодно.
Слайд 15
Главными направлениями биотехнологии являются:
1) производство с помощью микроорганизмов и культивируемых
эука-риотических клеток биологически активных соединений (ферментов, витаминов, гормональных препаратов), лекарственных препаратов (антибиотиков, вакцин, сывороток, высокоспецифичных антител и др.), а также белков, аминокислот, используемых в качестве кормовых добавок;
2) применение биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка сточных вод, загрязнений почвы и т. и.) и для защиты растений от вредителей и болезней;
3) создание новых полезных штаммов микроорганизмов, сортов растений, пород животных и т. п.
Слайд 16
Задачей селекционеров в наше время стало решение проблемы
создания новых форм растений, животных и микроорганизмов, хорошо приспособленных
к индустриальным способам производства, устойчиво переносящих неблагоприятные условия, эффективно использующих солнечную энергию и, что особенно важно, позволяющих получать биологически чистую продукцию без чрезмерного загрязнения окружающей среды. Принципиально новыми подходами к решению этой фундаментальной проблемы является использование в селекции генной и клеточной инженерии.
Задачи и методы биотехнологии
Слайд 17
– для производства продуктов питания (хлебопечение, производство молочнокислых продуктов);
–
для производства алкогольных напитков (пивоварение, виноделие);
– для производства промышленных
товаров (кожевенное, текстильное производство);
– для повышения плодородия почв (использование органических и зеленых удобрений).
Традиционные биотехнологии сложились на основании эмпирического опыта многих поколений людей, они характеризуются консерватизмом и сравнительно низкой эффективностью. Однако в течение XIX–XX столетий на основе традиционных биотехнологий начали формироваться технологии более высокого уровня: технологии повышения плодородия почв, технологии биологической очистки сточных вод, технологии производства биотоплива.
Традиционные биотехнологии, существующие уже тысячи лет, используют существующие в природе микроорганизмы…
Слайд 18
Генная инженерия
(раздел биотехнологии, связанный с
целенаправленным конструированием новых, не существующих в природе, сочетаний генов,
внедренных в живые клетки, способные синтезировать определенный продукт)
Клеточная инженерия
(метод конструирования клеток нового типа)
Биологическая инженерия
(методы использования микроорганизмов в качестве биореакторов для получения промышленной продукции)
Слайд 19
Сконструированные генными инженерами сочетания генов функционируют в клетке-реципиенте
и синтезируют необходимый белок. Особый практический интерес представляет введение
в геном животных и растений различных генных конструкций: как синтезированных, так и генов других животных, растений и человека. Такие растения и животные называются генетически измененными, а продукты их переработки – трансгенными продуктами.
Трансгенная кукуруза добавляется в кондитерские и хлебобулочные изделия, безалкогольные напитки;
Модифицированная соя входит в состав рафинированных масел, маргаринов, жиров для выпечки, соусов для салатов, майонезов, макаронных изделий, вареных колбас, кондитерских изделий, белковых биодобавок, кормов для животных и даже детского питания
Используя достижения генной инженерии, ученые научились пересаживать гены из одних клеток в другие. А так как для этого используются половые клетки живых организмов, гены выстраиваются в наследственный аппарат нового хозяина
Слайд 20
Культура клеток позволяет сохранять их жизнеспособность вне организма
в искусственно созданных условиях жидкой или плотной питательной среды.
Такие клоны используют в качестве своеобразных фабрик для производства биологически активных веществ, например гормона эритропоэтина, стимулирующего образование красных кровяных телец.
Овечка Долли – первое в мире клонированное животное
Эмбриональные стволовые клетки – генетическая информация, заключенная в их ядрах, находятся как бы в состоянии покоя. Они могут принять любую программу и превратиться в один из 150 возможных типов зародышевых клеток
компания Novartis разводит свиней для использования их органов в человеческой трансплантации. Целый ряд западных компаний озабочены проблемой выращивания специальных трансгенных животных, способных помимо молока, мяса и органов для трансплантации "производить" еще и лекарства.
Слайд 21
Этот раздел биотехнологии особенно важен для России, живущей,
к сожалению, в основном за счет продажи ресурсов. Средняя
отдача нефтяных месторождений у нас не превышает 50%. Компания «Татнефть», используя новую уникальную микробиологическую теххнологию регулирования микрофлоры нефтяных пластов, получила дополнительно около полумиллиона тонн нефти на месторождении Башкирии.
На снимке - биореактор на нефтеперерабатывающем предприятии в Индонезии
Слайд 22
Микроорганизмы издавна используются при производстве
органических удобрений (компостов) путем переработки биологических отходов. Особую группу
составляют азотфиксирующие микроорганизмы: свободноживущие и симбиотические. Например, культуры симбиотических бактерий рода Ризобиум в видебактериальных удобрений (нитрагина и ризоторфина) вносятся в почву при посеве бобовых растений (люцерны, клевера, люпина). В дальнейшем бактерии в составе клубеньков обеспечивают фиксацию атмосферного азота и его накопление в почве. Сконструированные штаммы микроорганизмов неконкурентоспособны по отношению к своим «диким» родичам, поэтому их нужно разводить в искусственных условиях и ежегодно вносить в почву.
Использование микроорганизмов для повышения плодородия почв
Слайд 23
С начала ХХ в. микроорганизмы в сочетании с химическими методами
используются для биологической очистки сточных вод. Интенсивную очистку производят в
особых ёмкостях: аэротенках, метантенках. Различают две технологии минерализации (очистки вод от органических загрязнителей): аэробную и анаэробную. При аэробной минерализации в аэротенках используется активный ил, содержащий бактерий и одноклеточных гетеротрофных эукариот. В результате такой очистки происходит полное окисление органических веществ. При анаэробной минерализации в метантенках происходит сбраживание органических веществ с образованием метана, который в дальнейшем используется как топливо (биогаз). Для разложения синтетических органических веществ (например, моющих средств) используют бактерий, полученных путем искусственного мутагенеза. Некоторые микроорганизмы используются для избирательного накопления отдельных химических элементов: диатомовые водоросли для накопления кремния, железобактерии для накопления железа и т.д. Эти же микроорганизмы используются для обогащения металлургического сырья.
Биологическая очистка сточных вод
Слайд 24
К биологическому топливу относятся углеводороды и спирты, полученные
путем переработки различных органических отходов с помощью микроорганизмов. Например,
отходы крахмального и сахарного производства, текстильной и деревообрабатывающей промышленности служат сырьем для производства спирта и биогаза – дешевого топлива для автомобильных двигателей и других силовых установок. Отметим, что спирты и биогаз относятся к экологически чистым видам топлива – при их сжигании образуются полностью окисленные соединения.
Производство биотоплива
Слайд 25
Достижения клеточной инженерии
1. Применение клеточных культур позволяет преодолеть
многие проблемы биоэтики (биологической этики), связанные с умерщвлением животных. Поэтому культуры
клеток широко используются в научных исследованиях.
2. В культуре можно выращивать строго определенные клетки в неограниченном количестве. Поэтому культуры клеток и тканей, выделенные из природного материала, широко используются при промышленном производстве биологически активных веществ. В частности, на клеточно-тканевом уровне выращиваются женьшень, родиола розовая и другие лекарственные растения.
3. Из апикальных меристем путем микроклонирования получают посадочный материал ценных сортов растений, свободный от многих болезней (например, от вирусов и микоплазм), в частности, безвирусный посадочный материал цветочных и плодово-ягодных культур. На питательной среде размножают и каллусные ткани, которые в дальнейшем дифференцируются с образованием целостных растений.
Слайд 26
4. Решаются проблемы получения отдаленных гибридов растений. Во-первых,
путем соматической гибридизации можно скрещивать растения, которые не скрещиваются
обычным путем. Во-вторых, полученные отдаленные гибриды можно воспроизводить, минуя семенное размножение и мейотический фильтр.
5. На культурах клеток получают вакцины, например, против кори, полиомиелита. В настоящее время решается вопрос крупномасштабного производства моноклональных антител на основегибридомных культур.
6. Сохраняя культуры клеток, можно сохранять генотипы отдельных организмов и создавать банки генофондов отдельных сортов и даже целых видов, например, в виде мериклонов (культур меристем).
7. Манипуляции с отдельными клетками и их компонентами используются для клонирования животных. Например, ядра из клеток кишечного эпителия головастика внедряются в энуклеированныеяйцеклетки лягушки. В результате из таких яйцеклеток развиваются особи с генетически идентичными ядрами.
Слайд 27
Достижения генной инженерии
1.Созданы банки генов, или клонотеки, представляющие собой коллекции
клонов бактерий. Каждый из этих клонов содержит фрагменты ДНК
определенного организма (дрозофилы, человека и других).
2.На основе трансформированных штаммов вирусов, бактерий и дрожжей осуществляется промышленное производство инсулина, интерферона, гормональных препаратов. На стадии испытаний находится производство белков, позволяющих сохранить свертываемость крови при гемофилии, и других лекарственных препаратов.
3.Созданы трансгенные высшие организмы (некоторые рыбы и млекопитающие, многие растения) в клетках которых успешно функционируют гены совершенно других организмов. Широко известны генетически модифицированные растения (ГМР), устойчивые к высоких дозам определенных гербицидов, а также Bt-модифицированные растения, устойчивые к вредителям.
Слайд 28
4.Разработаны методы клонирования строго определенных участков ДНК, например,
метод полимеразной цепной реакции (ПЦР). ПЦР-технологии применяются для идентификации определенных нуклеотидных последовательностей, что
используется при ранней диагностике некоторых заболеваний, например, для выявления носителей ВИЧ-инфекции.
Возможности генной инженерии практически безграничны. В настоящее время интенсивно изучается возможность коррекции генома человека (и других организмов) при генетических и негенетических заболеваниях.
Слайд 29
Связь биотехнологии с другими науками ( по В.И.Кефели,
1989)