Албест. Алимбекова Самира. 1. Понятие, сущность, история возникновения биотехнологии Основные направления биотехнологии

• Название: 1. Понятие, сущность, история возникновения биотехнологии Основные направления биотехнологии
• Анкор: Албест
• Дата: 22.03.2022
• Размер: 224.49 Kb.
• Имя файла: Алимбекова Самира.docx
• Тип: Документы; #409104

Содержание
Введение

1. Понятие, сущность, история возникновения биотехнологии

2. Основные направления биотехнологии

2.1 Сельскохозяйственная биотехнология

2.2 Медицинская биотехнология

3. Основные методы биотехнологии

Список использованных источников

Введение

Биотехнология как наука возникла в 1950-х гг. и в настоящее время является одним из приоритетных научных направлений. Именно с достижениями в области биотехнологии связывают не только повышение благосостояния человечества в будущем, но и увеличение продолжительности жизни людей.

Быстрое развитие биотехнологии обусловлено интенсивным развитием биологии, успехами в познании жизненных явлений, прежде всего в области микробиологии, энзимологии, молекулярной биологии и молекулярной генетики. Все это позволило объединить разрозненные прикладные направления в новую единую фундаментальную науку о практическом использовании биологии в целом (а не отдельных ее ветвей, как это было прежде) - биотехнологию.

Биотехнология - это и технологические процессы, осуществляемые с использованием различных биологических систем, включая как живые организмы (от микроорганизмов до клеток животных и растений), так и их компоненты (ферменты, витамины и т.д.) .

Биотехнология относится к стремительно развивающимся направлениям научно-технического прогресса. Ее основой, фундаментальной частью являются клеточная и молекулярная биология, клеточная и генетическая инженерия, микробиология и биохимия.

Биотехнология востребована во многих отраслях производственной деятельности, включая фармацевтику и медицину, легкую и пищевую промышленность, растениеводство, ветеринарию и животноводство, экологию и горнорудное производство и др.

1. Понятие, сущность, история возникновения биотехнологии

Впервые термин "биотехнология" был предложен в 1917 году венгерским инженером К. Эрике. Он предложил процесс крупномасштабного промышленного выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. При этом Эрике рассматривал превращение сырья (свеклы) в целевой продукт, в данном случае свинину как ряд биотехнологических этапов (рис. 1). Этот процесс был назван им биотехнологией, поскольку целевой продукт получался в результате жизнедеятельности биологических систем [3]. Он писал: "биотехнология - это все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты".


Рис. 1. Основные этапы биотехнологического процесса в производстве свинины, предложенного Эрике в 1917 г.

Однако это совершенно точное определение не получило широкого распространения. Долгое время термин "биотехнология" относился к двум очень разным дисциплинам. С одной стороны, его употребляли, говоря о промышленной ферментации, с другой - применительно к той области, которая сейчас называется эргономикой.

Начиная с 80-х годов ХХ века, наблюдается интенсивное развитие биотехнологии, которое привело "биотехнологическому буму". Однако в современное понятие "биотехнология" вкладывается новый смысл, характерной особенностью которого является использование технологии рекомбинантных ДНК, методов клонирования, крупномасштабного культивирования клеток животных и растений in vitro (вне организма).

Новейшие биотехнологические технологии позволяют осуществлять реконструкцию генетического аппарата микроорганизмов, направленную на "сверхпродукцию" тех или иных ценных биологических веществ или синтез новых, не характерных для данного организма продуктов (инсулин, синтезируемый клетками Е. coli и др.). Огромные промышленные возможности новых биологических технологий привели к росту популярности этого научного направления.

C развитием технологии рекомбинантных ДНК природа биотехнологии изменилась окончательно и бесповоротно. Появилась возможность оптимизировать этап биотрансформации более прямым путем, создавать, а не просто отбирать высокопродуктивные штаммы, использовать микроорганизмы как "биологические фабрики" для производства инсулина, интерферона, гормона роста, вирусных антигенов и множества других белков. Технология рекомбинантных ДНК позволяет получать в больших количествах ценные низкомолекулярные вещества и макромолекулы, которые в естественных условиях синтезируются в минимальных количествах. Растения и животные стали естественными биореакторами, продуцирующими новые или измененные генные продукты, которые никогда не могли быть созданы методами мутагенеза и селекции или скрещивания. Эта новая технология способствует развитию принципиально новых методов диагностики и лечения различных заболеваний.

В 1984 г. Европейской Федерацией Биотехнологов дано такое определение: "Биотехнология - это интегральное использование биохимии, микробиологии и инженерных наук в целях промышленной реализации способностей микроорганизмов, культур клеток и их частей".

В 1983 г. в Братиславе на биотехнологическом Конгрессе было принято следующее определение: "Биотехнология - это наука, разрабатывающая основы крупнотоннажной реализации процессов получения с помощью катализаторов различных продуктов и защита окружающей среды".

В этом определении появился важный аспект для биотехнологии - защита окружающей среды. Сегодня необходимо говорить о двух взаимосвязанных аспектах биотехнологии: как отрасли производства и как фундаментальной науки, изучающей принципы функционирования биологических систем, и разрабатывающей способы модификации и конструирования биологических систем и аналитических устройств.

С учетом этих особенностей биотехнологию можно определить как науку, изучающую и конструирующую биологические системы (биосенсоры), направленные на использование биологических систем различного уровня организации в промышленности для производства продуктов биологического происхождения и защиты окружающей среды .

В литературе имеется множество определений биотехнологии:

• 
  Биотехнология - объединение биохимии и микробиологии, инженерных дисциплин для технологического использования микроорганизмов, культуры клеток, тканей и отдельных структур клетки.
  
• 
  Биотехнология - наука об использовании биологических процессов в технике и промышленном производстве.
  
• 
  Биотехнология - промышленное использование биологических процессов на основе микроорганизмов, культуры клеток и тканей, а также отдельных структур и компонентов клеток животных и растений с заданными свойствами.
  

В современном понимании биотехнология - это наука о технологиях создания и использования биологических объектов, способствующих интенсификации производства или получению новых видов продуктов различного назначения на основе методов клеточной и генетической инженерии.

Преимущества современной биотехнологии над селекцией :

· возможность скрещивания неродственных видов;

· возможность извне управлять процессом рекомбинации в организме(организм надежно сохраняет постоянство своего генетического состава);

· возможность прогнозирования признаков потомства.

Человек использовал биотехнологические процессы еще много тысяч лет назад: люди занимались пивоварением, пекли хлеб; они придумали способы хранения и переработки продуктов путем ферментации (производство сыра, уксуса, соевого соуса), научились делать мыло из жиров, изготавливать простейшие лекарства и перерабатывать отходы.

Биотехнология формировалась и эволюционировала с развитием человеческого общества. Ее становление различные ученые подразделяют на несколько периодов. Елинов Н.П. (1995)условно выделил 4 периода: эмпирический, этиологический, биотехнический и генотехнический.

Эмпирический (от греч. empeirios - опытный),или доисторический период - самый длительный, охватывающий примерно 8 000 лет, из которых более 6 000 лет (до н.э.) и почти 2 000 лет (н.э.). Древние народы интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и некоторых других продуктов. Шумеры - первые жители Месопотамии - выпекали хлеб из кислого теста, владели искусством готовить пиво. В течение нескольких тысячелетий известен уксус, издавна приготавливающийся в домашних условиях, хотя о микробах - индукторах этого процесса - мир узнал лишь в 1868 г. благодаря работам Л. Пастера.

Этиологический (от греч. aitia - причина) период в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX в. и первую треть XX в. (1856-1933 гг.). Этот этап связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Луи Пастера. Он раскрыл микробную природу брожений, доказал возможность жизни в бескислородных условиях, предложил метод пастеризации и т.д.

В биотехнологии важными являются питательные среды для культивирования ряда биообъектов. Уже в 1859 г. Пастер приготовил первую жидкую питательную среду, а в 1864 г.О. Брефельд предложил метод выращивания грибов на желатине.

В этот период было начато изготовление прессованных пищевых дрожжей, а так же продуктов метаболизма - ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот.

Третий период в развитии биотехнологии - биотехнический, обусловленный внедрением в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечившего протекание различных процессов в стерильных условиях. Особенно мощный толчок в разработке промышленного биотехнологического оборудования был отмечен в период становления и развития производства антибиотиков. Следует отметить, что уже в 1868 г. И. Мишер получил нуклеид (ДНК) из гнойных телец (лейкоцитов); В. Освальд в 1893 г. выявил каталитическую функцию ферментов; Т. Леб в 1897 г. установил способность к выживанию вне организма (в пробирках с плазмой или сывороткой крови) клеток крови и соединительной ткани. Это было необходимо для получения различных клеточных продуктов и самих клеток для нужд человека, прежде всего в качестве или в составе лечебных и профилактических средств: пенициллина, стрептомицина, тетрациклинов, декстрана, ряда аминокислот и многих других веществ.

Четвертый период в биотехнологии - генотехнический (от лат. genos - род) - начался в 1972 г., когда П. Берг со своими сотрудниками в США создал первую рекомбинантную молекулу ДНК.

Естественно, что без фундаментальной работы Ф. Крика и Дж. Уотсона (1953) по установлению структуры ДНК было бы невозможным достижение современных результатов в биотехнологии. Выяснение механизмов функционирования и регуляции ДНК, выделение и изучение специфичных ферментов привели к формированию научного подхода к разработке биотехнологических процессов на основе генно-инженерных работ. В этом - суть генотехнического подхода.

Уже в 1982 г. поступил в продажу человеческий инсулин, выработанный кишечными палочками, несущими в себе искусственно встроенную генетическую информацию об этом гормоне.

Основные цели и задачи биотехнологии

Во-первых, активация и поддержание путей обмена клеток, ведущих к накоплению заданных продуктов при доминировании над другими реакциями обмена у культивируемого организма;

Во-вторых, получение клеток или их составных частей (преимущественно ферментов) для направленного изменения сложных молекул;

В-третьих, создание безотходных и экологически безопасных биотехнологических процессов;

В-четвертых, совершенствование и оптимизация аппаратурного оформления биотехнологических процессов с целью достижения максимального выхода конечных продуктов при культивировании естественных видов методами генной и клеточной инженерии;

В-пятых, повышение технико-экономических показателей биотехнологических процессов по сравнению с существующими.
биотехнология наука биообъект

2. Основные направления биотехнологии

В зависимости от того какой признак положен в основу существует различная классификация направлений биотехнологии. Например, по биологическому объекту, используемому в биотехнологическом производстве - микроорганизмам, растениям и животным, выделяют 3 типа - микробиотехнологию, фитобиотехнологию и зообиотехнологию соответственно (рис. 3).



Рис. 3. Направления биотехнологии (Н.П. Еленов, 1995)

Биотехнология как современная отрасль высоких технологий, основой которой является биология, биологические процессы с живыми организмами развивается по различным самостоятельным научным направлениям:сельскохозяйственная,фармацевтическая,промышленная,

экологическая, молекулярная биотехнология, иммунобиотехнология и др.

2.1 Сельскохозяйственная биотехнология

Это направление охватывает растениеводство, животноводство и ветеринарию. Использование биотехнологии в с/х ориентировано на:

· стабильное развитие с/х производства;

· решение проблемы продовольственной безопасности;

· получение высококачественных, экологически чистых продуктов питания;

· переработку отходов с/х производства;

· восстановление плодородия почв.

В данном направлении наиболее приоритетным является:

· создание новых сортов с/х растений и животных с использованием современных постгеномных и биотехнологических методов;

· разработка и внедрение методов геномной паспортизации для повышения эффективности селекционно-племеной работы, технологий клонирования животных-производителей;

· производство биопрепаратов для растениеводства и ветеринарии;

· производство кормовых добавок для с/х животных.

Актуальна задача уменьшения применения в сельском хозяйстве средств химизации, пестицидов и расширение использования бактериальных удобрений, инсектицидов микробного происхождения; разработка генно-инженерных вакцин и диагностикумов на основе моноклональных антител.

2.2 Медицинская биотехнология

В литературе выделяют 2 типа медицинских биотехнологий: диагностические и лечебные. Современная биотехнология изучает процессы на молекулярном и клеточном уровнях. И прежде всего, биотехнологии нашли широкое применение в диагностике заболеваний. В мире уже разработано более 1 000 биотехнологических тест-систем, основанных на ДНК. В 1983 г. американский ученый Кэри Мюллис получил Нобелевскую премию за революцию в диагностике - он изобрел генетический анализ полимерной цепной реакции (ПЦР). ПЦР позволяет обнаружить участки ДНК вирусов и бактерий в любом биологическом материале (слюне, крови, моче и т.д.), даже если инфекции протекают в скрытой форме. Сегодня с помощью ПЦР диагностируют гепатит С, туберкулез, ВИЧ и др.

Одно из последних достижений биотехнологической диагностики - метод биосенсоров, которые "отлавливают" связанные с болезнями молекулы и подают сигналы на датчики. Биосенсорную диагностику часто применяют в скорой помощи (например, для определения глюкозы в крови больных диабетом).

Передовой технологией в диагностике считают микрочипы. Их применяют для диагностики инфекционных, онко - и генетических заболеваний, аллергенов, а также при исследовании новых лекарств.

3. Основные методы биотехнологии

В литературе выделяют 3 основных метода биотехнологии:

· Генная инженерия;

· Клеточная инженерия;

· Клонирование.

С помощью методов клеточной и генной инженерии возможно получение новых высокопродуктивных продуцентов белков и пептидов человека, антигенов, вирусов и др. Развитие генетической и клеточной инженерии приводит к тому, что биотехнологическая промышленность все шире завоевывает новые области производства. Фундаментом для возникновения новейших методов биотехнологии послужили открытия в генетике, молекулярной биологии, генетической энзимологии, вирусологии, микробиологии и других дисциплинах.

Клеточная инженерия использует методы (клеточная селекция и соматическая гибридизация) введения культур и клеток и их практического использования.

Клеточная селекция основана на выращивании клеток (как растительных, так и животных) вне организма на специально подобранных средах в регулируемых условиях.

Соматическая гибридизация - это слияние двух различных клеток в культуре тканей.

Генная инженерия - совокупность методов, позволяющих осуществить генетическую информацию, перенос (трансгенез) чужеродных генов из одного организма в другой .

По Э.С.Пирузян генетическая инженерия - система экспериментальных приемов, позволяющих конструировать лабораторным путем (в пробирке) искусственные генетические структуры в виде так называемых рекомбинантных или гибридных молекул ДНК.

Цель прикладной генетической инженерии заключается в конструировании таких рекомбинантных молекул ДНК, которые при внедрении в генетический аппарат придавали бы организму свойства, полезные для человека. Например, получение "биологических реакторов" - микроорганизмов, растений и животных, продуцирующих фармакологически значимые для человека вещества, создание сортов растений и пород животных с определёнными ценными для человека признаками. Методы генной инженерии позволяют провести генетическую паспортизацию, диагностировать генетические заболевания, создавать ДНК-вакцины, проводить генотерапию различных заболеваний.
Клонирование - получение нескольких генетически идентичных

организмов естественным путем или путем бесполого размножения.
Заключение
Биотехнология стремительно выдвинулась на передовые рубежи научно-технического прогресса благодаря бурному развитию различных областей науки, на которые она опирается, что позволяет использовать потенциал живых организмов в интересах человека. С другой стороны, человечество испытывает потребность в новых технологиях, способных ликвидировать нехватку продовольствия, энергетики, минеральных ресурсов, экологическую ситуацию. Решению этих задач может способствовать развитие новых технологий с использованием биообъектов - биотехнологий.

Список использованных источников

1. Загоскина Н.В. Биотехнология: теория и практика: учеб. пособие для вузов. / М.: Оникс, 2009.496с., 8с. цв. вкл.: ил.

. Алмагамбетов К.Х. Основы биотехнологии: учеб. пособие. Астана: Изд-во НЦБ МОН РК, 2006.200 с.

. Божков А.И. Биотехнология. Фундаментальные и промышленные аспекты. Харьков: 2005.364 с.

. Россихин В.В. Биотехнология: введение в науку будущего. Харьков: "Колорит", 2005.288с.

. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. Пер. с англ. М.: Мир, 2002.589 с.

. Елинов Н.П. Основы биотехнологии.С. - Пб.: "Наука", 1995.601 с.

. Ревин В.В. Введение в биотехнологию: от пробирки до биореактора: учеб. пособие. / Саранск: Изд-во Мордовского ун-та, 2006.256 с.

. Тихомирова Л.И. Основы биотехнологии: опорный конспект лекций: учеб. пособие. / Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2013.79 с.

. Шмид Р. Наглядная биотехнология и генетическая инженерия. / Р. Шмид; пер. с нем.2-е изд. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014.324 с.: ил.

10. http://www.biotechnolog.ru/

. Волова Т.Г. Биотехнология. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999.252с.

. Войнов Н.А., Волова Т.Г., Зобова Н.В. Современные проблемы и методы биотехнологии: эл. учеб. пос. / Н.А. Войнов, Т.Г. Волова, Н.В. Зобова и др.; под ред. Т.Г. Воловой. Красноярск: ИПК СФУ, 2009.418 с.

. Карпунина Л.В., Щербаков А.А., Ларионова О.С. Биотехнология (в том числе бионанотехнологии). Саратов: ФГБОУ ВПО "Саратовский ГАУ", 2014.82 с.