Биотехнология. Предмет, история развития, цели и задачи биотехнологии

(БТ) - 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.

фарминдустрии.
- новые ЛС и вакцины;
- диагностикумы
(включая микрочипы);
-

генодиагностика;
- генотерапия;
- индивидуальная медицина;
- регенеративная медицина (стволовые клетки).

- добыча металлов
(гидрометаллургия);
- добыча нефти
(вторичная).

- новые материалы;
- биосенсоры;
- биокомпьютеры.

- биодеградация поллютантов;
- замена хим. удобрений и пестицидов на биолог.;
биодеградируемые пластики;
- замена нефти на биомассу;
- сокращение выброса CO2.

Охрана
окружающей
среды

- генно-инженерные
растения и животные;
- биопестициды,
биоудобрения;
- кормовые аминокислоты,
антибиотики, витамины,
ферменты.

зеленая

белая

зеленая

красная

- Биотехнический период.
IV - Генотехнический период.

ХIХ в.)
Характеризуется интуитивным использованием биотехнологических приемов и способов:
хлебопечение, виноделие,

пивоварение, получение кисломолочных продуктов, сыров, квашенной капусты, силосование кормов для скота и пр.;
выделка кожи, получение натуральных красителей;
получение натуральных волокон: льна, шелка, шерсти, хлопка;
В фармации и медицине:
гирудотерапия, апитерапия;
профилактика натуральной оспы содержимым пустул телят, больных коровьей оспой.

Выделение микроорганизмов в чистых культурах и выращивание на питательных средах.

Воспроизведение природных процессов (брожения, окисления и пр.).
Производство биомассы пищевых прессованных дрожжей.
Получение бактериальных метаболитов (ацетон, бутанол, лимонная и молочная кислоты).
Создание систем микробиологической очистки сточных вод.

крупномасштабного герметизированного оборудования для ферментации в стерильных условиях.
Методические подходы к

оценке и интерпретации получаемых результатов при глубинном культивировании грибов.
Становление и развитие производства антибиотиков (период Второй мировой войны).

в практику необходимого оборудования, в том числе главного из них

- биореактора;
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 непрерывного управляемого культивирования м/о;
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.
1959 - японские ученые открыли плазмиды антибиотикоустойчивости у дизентерийной бактерии;
1960 - С. Очоа и А. Корнберг выделили белки, которые могут «сшивать» или «склеивать» нуклеотиды в полимерные цепочки, синтезируя 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 фенилаланина;
1962 - X. Корана синтезировал химическим способом функциональный ген;
1970 - выделен фермент рестриктаза (рестриктирующая эндонуклеаза).

Значимые открытия, которые нашли свое отражение в биотехническом периоде

( П. Берг, США).
1975 - Г. Келлер и Ц.

Мильштейн опубликовали статью, в которой описали метод получения моноклональных антител;
1981 - разрешен к применению в США первый диагностический набор моноклональных антител;
1982 - поступил в продажу человеческий инсулин, продуцируемый клетками кишечной палочки; разрешена к применению в Европейских странах вакцина для животных, полученная по технологии рекомбинантных ДНК; разработаны генно-инженерные интерфероны, фактор некротизации опухоли, ИЛ-2, соматотропный гормон человека и др;
1986 - К. Мюллис разработал метод ПЦР;
1988 - начало широкомасштабного производства оборудования и диагностических наборов для ПЦР;
1997 - клонировано первое млекопитающее (овечка Долли) из дифференцированной соматической клетки.

генной инженерии
Промышленная
биотехнология
Генетическая инженерия
Биотехнология обработки стоков и контроль загрязнения воды

тяжелыми Me.
Биоэнергетика.
Пищевая биотехнология.
Медицинская биотехнология.
Биотехнология молочных продуктов.
Сельскохозяйственная биотехнология.
Биоэлектроника.
Биогеотехнология.

энергия.
Сырое вещество - получение биогаза (метана).
Метановое «брожение», или биометаногенез был

открыт в 1776 г. Вольтой, который установил наличие метана в болотном газе. Биогаз представляет собой смесь из 65% метана, 30% (СО2), 1% (Н2S) и незначительных количеств (N2), (O2), H2и (CO).

обычно содержат сложную смесь нерастворимых и растворимых компонентов различной природы

и концентрации.
Бытовые отходы, как правило, содержат почвенную и кишечную микрофлору, включая патогенные микроорганизмы.
Сточные воды сахарных, крахмальных, пивных и дрожжевых заводов, мясокомбинатов содержат в больших количествах углеводы, белки и жиры, являющиеся источниками питательных веществ и энергии.
Стоки химических и металлургических производств могут содержать значительное количество токсических и даже взрывчатых веществ. Серьезное загрязнение возникает при попадании в окружающую среду соединений тяжелых металлов, таких как железо, медь, олово и др.
Цель очистки сточных вод - удаление растворимых и нерастворимых компонентов, элиминирование патогенных микроорганизмов и проведение детоксикации таким образом, чтобы компоненты стоков не вредили человеку, не загрязняли водоемы.

P. putida могут утилизировать нафталин, толуол, алканы, камфару и

др. соединения. Выделены чистые культуры микроорганизмов, способные разлагать специфические фенольные соединения, компоненты нефти в загрязненных водах и т.д. Микроорганизмы рода Pseudomonas могут утилизировать и необычные химические соединения - инсектициды, гербициды и другие ксенобиотики.
Биологические методы также применимы для очистки сточных вод нефтяной промышленности. Для этого применяют аэрируемые системы биоочистки с активным илом, содержащим адаптированное к компонентам нефти микробное сообщество.
В институте прикладной биохимии и машиностроения разработан отечественный препарат - биодеградант нефти и нефтепродуктов. Он позволяет утилизировать как сырую нефть, так и различные нефтепродукты: мазут, дизельное топливо, бензин, керосин, ароматические углеводороды. 
Биопрепарат работает при высоком уровне загрязнения до 20%, с высоким содержанием тяжёлых алифатических и ароматических углеводородов.

Биотехнология обработки стоков и контроль загрязнения воды тяжелыми металлами

в виде химически инертного N2, в доступную для растений форму

нитратов и аммония. Азот составляет 78% от общего объема атмосферного воздуха и абсолютно недоступен для растений в атамарном виде. Именно поэтому люди вынуждены вносить азотные удобрения для повышения продуктивности с/х культур. Фиксация атмосферного азота осуществляется бактериями, живущими в симбиозе с представителями семейства или свободноживущими азотфиксаторами (Azotobacter).
Разработаны бактериальные препараты, улучшающие фосфорное питание растений.
В последнее время все чаще появляются данные о мутагенном и канцерогенном действии химических пестицидов, которые плохо разрушаются и накапливаются в окружающей среде.
Микробные инсектициды высоко специфичны и действуют только на определенные виды насекомых. Микробные пестициды подвержены биодеградации.
М/о могут регулировать рост растений и животных, подавлять з-ния. Некоторые бактерии изменяют pH и соленость почвы, другие продуцируют соединения, связывающие Fe, третьи - вырабатывают регуляторы роста. Как правило, м/о инокулируют семена и или растения перед посадкой.
В животноводстве используется диагностика, профилактика, лечение з-ний с использованием моноклональных Ат, генетическое улучшение пород животных. Биотехнология применяется для силосования кормов, позволяя повышать усвоение растительной биомассы, для утилизации отходов животноводческих ферм и др.

отработанных руд, десульфирование каменного угля, борьба с метаном в угольных

шахтах, повышение нефтеотдачи пластов и др.
Биогеотехнология выщелачивания металлов — использование главным образом тионовых (окисляющих серу и серосодержащие соединения) бактерий для извлечения металлов из руд, рудных концентратов и горных пород. При переработке бедных и сложных руд тысячи и даже миллионы тонн ценных металлов теряются в виде отходов, шлаков, «хвостов». Происходят также выбросы вредных газов в атмосферу. Бактериально-химическое выщелачивание металлов уменьшает эти потери . Основу этого процесса составляет окисление содержащихся в рудах сульфидных минералов тионовыми бактериями. Окисляются сульфиды меди, железа, цинка, олова, кадмия и т. д. При этом металлы из нерастворимой сульфидной формы переходят в сульфаты, хорошо растворимые в воде. Из сульфатных растворов металлы извлекаются путем осаждения, экстракции, сорбции. Основным видом м/о используемым для биогеотехнологической добычи металлов, является вид тионовых бактерий Thiobacillus ferrooxidans.

из углей. Общее содержание серы в углях может достигать 10-12

%. При сжигании углей содержащаяся в них сера превращается в сернистый газ, который поступает в атмосферу, где из него образуется серная кислота. Из атмосферы серная кислота выпадает на поверхность земли в виде сернокислотных дождей.
По имеющимся данным, в некоторых странах Западной Европы в год на 1га земли с дождями выпадает до 300 кг серной кислоты. Кроме этого, высокосернистые угли плохо коксуются и поэтому не могут быть использованы в цветной металлургии.
Первые опыты по направленному удалению серы из угля с использованием микроорганизмов были выполнены в 1959 г. в нашей стране 3. М. Зарубиной, Н. Н. Ляликовой и Е. И. Шмук. В результате этих опытов за 30 суток с участием бактерий Th. ferrooxidans из угля было удалено 23—30 % серы. Позднее несколько работ по микробиологическому обессериванию угля было опубликовано американскими исследователями. Им удалось с помощью тионовых бактерий снизить содержание пиритной серы в каменном угле за четверо суток почти на 50 %.

типов биосенсоров и биочипов.
Биотехнология делает возможным создание устройств, в которых

белки являются основой молекул, действующих как полупроводники.
Для индикации загрязнений различного происхождения в последнее время стали использовать не химические реагенты, а биосенсоры – ферментные электроды, а также иммобилизованные клетки микроорганизмов.
Биоселективные датчики создают также путем нанесения на поверхность ионоселективных электродов целых клеток м/о или тканей. Например, Neurospora europea – для определения NH3, Trichosporon brassiacae – для определения уксусной кислоты.
В качестве сенсоров используют также моноклональные Ат, обладающие исключительно высокой избирательностью.
Лидерами в производстве биодатчиков и биочипов являются японские компании, такие как Hitachi, Sharp, Sony. 

и биосенсоры.

роста в чистой культуре: а/б, алкалоиды, гормоны роста растений и

токсины.

Протеиновая технология – применение трансгенных микроорганизмов для синтеза чужеродных для продуцентов белков (инсулин, интерферон).

Гибридомная технология –получение моноклональных Ат к антигенам бактерий, вирусов, животных и растительных клеток, чистых ферментов и белков.

Инженерная энзимология – осуществление биотрансформации веществ с использованием каталитических функций ферментов в чистом виде или в составе ПФС (клеток) в т.ч. иммобилизованных.

заболеваний;
Повышение урожайности сельхоз. культур путем создания растений устойчивых к вредителям,

болезням и неблагоприятным условиям окружающей среды;
Создание микроорганизмов продуцирующих различные БАВ (антибиотики, полимеры, аминокислоты, ферменты);
Создание пород сельхоз животных с улучшенными наследуемыми признаками;
Переработка токсичных отходов – загрязнителей окружающей среды.

ПРОБЛЕМЫ

Влияние генноинженерных организмов на другие организмы или окружающую среду;
Уменьшение природного генетического разнообразия при создании рекомбинантных организмов;
Изменение генетической природы человека с помощью генноинженерных методов;
Нарушение права человека на неприкосновенность частной жизни при применении новых диагностических методов;
Доступность лечения только богатым с целью получения прибыли;
Помехи свободному обмену мыслями между учеными в борьбе за приоритеты