Природознавство. 11 клас. Ільченко

§ 14. Основні напрямки сучасної біотехнології

Біотехнологія — це напрям сучасної науки і техніки, головним завданням якого є використання біологічних процесів і об’єктів для виробництва економічно важливих речовин і створення високопродуктивних сортів рослин, порід тварин і штамів мікроорганізмів. Слово «біотехнологія» утворене поєднанням слів «біологія» + «технологія».

Сучасна біотехнологія ґрунтується на основних досягненнях біохімії, мікробіології, генетики, молекулярної біології, клітинної біології, екології та інших біологічних і технічних наук.

Основними напрямами біотехнології є: промислова мікробіологія, біотехнологія виробництва ферментів та фармацевтичних препаратів, біотехнологія переробки відходів та вторинних продуктів, біотехнологія збагачення руд, біотехнологія виробництва етанолу (метанолу) та біогазу, технологія рекомбінантних ДНК, одержання гібридів та клональна біотехнологія.

У біотехнології, як комплексній науці, виділяють три великі розділи: біотехнологія рослин, біотехнологія тварин і біотехнологія мікроорганізмів.

Так, завдяки стрімкому прогресу вірусології (у дослідженнях бактеріофагів), бактеріології (поглибленому вивченню фізіології, генетики і молекулярної біології кишкової палички, а також вивченню плазмід), молекулярної генетики (встановлення генетичного коду) були накопичені знання і розроблені методи генної інженерії.

Генетична інженерія — система експериментальних засобів, які дають змогу сконструювати лабораторним шляхом штучні генетичні структури у вигляді, так званих, рекомбінантних молекул ДНК. Суть генетичної інженерії полягає в переміщенні окремих генів із одного організму (клітини) в інший, що призводить до різних фенотипових змін організмів (клітин).

Досягненнями генетичної інженерії є те, що вчені можуть в умовах in vitro розрізати молекули ДНК у потрібному місці, ізолювати і очистити окремі її фраґменти, синтезувати їх з чотирьох дезоксирибонуклеотидів, можуть зшивати такі фраґменти. Техніка рекомбінантних ДНК, що лежить в основі генетичної інженерії, має велике значення не тільки для практики, але й значно розширює можливості пізнання фундаментальних основ організації й функціонування геномів.

В Україні дослідження в галузі генної інженерії розпочато з деяким запізненням, порівняно із західними країнами. Все ж на даний час одержано клони гібридних клітин, що виробляють моноклональні антитіла, які використовуються у діагностиці лейкозів і лімфозів, планується одержати нові моноклональні антитіла для діагностики алергічних, інфекційних, злоякісних захворювань. Розширюються роботи з клітинної біології та клітинної інженерії рослин. На високому рівні ведуться роботи з соматичної (нестатевої) гібридизації шляхом злиття ізольованих протопластів. Розроблено технологію генетичної трансформації шляхом мікроін’єкцій ДНК у культивовані клітини і зародки.

На сьогоднішній день генетична інженерія сільськогосподарських рослин розвивається переважно в руслі класичної селекції. Основні зусилля вчених зосереджені на захисті рослин від несприятливих (біотичних та абіотичних) факторів, покращенні якості та зменшенні втрат при зберіганні продукції рослинництва. Зокрема, це підвищення стійкості проти хвороб, шкідників, заморозків, солонцюватості ґрунту тощо, видалення небажаних компонентів із рослинних олій, зміна властивостей білку і крохмалю в пшеничному борошні, покращення лежкості та смакових якостей овочів та ін. Порівняно з традиційною селекцією, основними інструментами якої є схрещування і відбір, генна інженерія дає можливість використання принципово нових генів, які визначають агрономічно важливі ознаки, і нових молекулярно-генетичних методів моніторингу трансгенів (молекулярні маркери генів), що в багато разів прискорюють процес створення трансгенних рослин. Селекціонерів приваблює можливість цілеспрямованого генетичного «ремонту» рослин. Важливим напрямом є створення генетично модифікованих рослин (ГМР) з ознакою чоловічої стерильності. Крім того, завдяки генетичній модифікації рослини можуть виконувати не властиву їм раніше функцію. Прикладом є коренеплоди цукрових буряків, які накопичують замість сахарози низькомолекулярні фруктами, банани, які використовують як їстівну вакцину. Завдяки введенню генів бактерій вищі рослини набувають властивостей руйнувати чужорідні органічні сполуки (ксенобіотики), що забруднюють оточуюче середовище. Вирощування ГМР, стійких до широкого спектру хвороб та комах-шкідників, може суттєво знизити, а в подальшому звести до мінімуму пестицидне навантаження на оточуюче середовище.

Клітинна інженерія — це самостійна галузь біологічних та медичних наук, завданням якої є створення нових, не існуючих раніше в природі клітин із заданими властивостями. До недавнього часу клітинну інженерію вважали галуззю генетичної інженерії, однак, за останнє десятиліття, враховуючи наявність власних методів, конкретних цілей та завдань, вона виділилась як самостійна галузь біологічних та медичних наук.

Досягненнями клітинної інженерії є отримання довгоживучих гібридних клітин, у тому числі, клонів, що розмножуються; встановлення правила комплементації генів у гібридних соматичних клітинах; формулювання поняття про гени «розкоші» і гени «необхідності» та встановлення правила пригнічення функцій генів «розкоші» у гібридах; встановлення факту вибіркової втрати хромосом (сегрегації) у міжвидових гібридах та розробка підходів координування даного процесу; реконструкція клітин, створення реконструйованих клітин (гібридів та каріогібридів); отримання фактів про позитивний та негативний контроль проліферації гібридних клітин; отримання гібридних клітин між віддаленими організмами різних видів, класів та царств (наприклад, гібридів клітин рослин і тварин; гібридів тварин та дріжджів).

Першим практичним застосування досягнень клітинної інженерії стала розробка гібридомної технології та отримання з її допомогою моноклональних антитіл. Другим практичним застосуванням досягнень клітинної інженерії є доказ можливості направленої генетичної трансформації соматичних та статевих клітин тварин і рослин та отримання таким шляхом клітин-продуцентів заданих білкових продуктів.

Біотехнологія рослин. Біотехнологія, застосовуючи традиційні знання фізіології рослин і сучасну технологію, може зробити вагомий внесок для того, щоб: збільшити виробництво, поживні якості і строки зберігання продуктів харчування і фуражу; підвищити стійкість сільськогосподарських культур до хвороб і шкідників із метою зниження потреби у хімічних пестицидах; розробити безпечні та ефективні методи біологічної боротьби з комахами-переносниками хвороб, особливо стійких до пестицидів; підвищити родючість ґрунту та ступінь засвоєння рослинами поживних речовин; використовувати фототрофні керовані біосинтези для виробництва ліків, продуктів харчування і сировини, впроваджувати нові нетрадиційні культури; використовувати більш дешеві та ефективніші способи очищення стічних вод та обеззараження шкідливих відходів виробництва; забезпечити відновлювальними джерелами енергії та сировини на основі розкриття фізико-хімічних механізмів фотосинтезу, використання органічних відходів та біомаси.

Перспективи та проблеми біотехнології. Перед біотехнологією, як важливою галуззю біологічної науки, відкриваються значні перспективи як у теоретичному, так і в практичному, аспектах. З’являються нові напрями біологічного дослідження, які виявляють і вивчають технологічні ознаки живого і можливість їх трансформації в біотехнічні системи. Актуальним і перспективним є застосування біотехнології для вирішення проблем охорони навколишнього середовища таких як: використання біотехнології для освоєння мінеральних ресурсів; заміна хімічних технологій, що не підлягають циркуляції, на біотехнології; інтенсифікація використання біодобрив; утилізація біомаси та різних видів органічних відходів; видалення та знешкодження забруднюючих речовин; ефективна очистка стічних вод; отримання стійких до стресових чинників рослин для відтворення та відновлення земель і лісів; збереження біологічної різноманітності.

Однак, поряд із перспективами, існують і проблеми щодо наслідків практичного застосування досягнень біотехнології. До таких проблем належать експерименти, пов’язані із заплідненням у пробірці (in vitro) яйцеклітин і отримання дітей «із пробірки». Ще однією соціально-етичною проблемою є визначення соціально-генетичного статусу людей. Йдеться про введення в практику генетичного дослідження людей, створення їх нуклеотидних карт, прагнення використати молекулярно-генетичні карти для визначення професійної орієнтації та зайнятості людей. У зв’язку з можливістю оприлюднення результатів генетично обслідування у суспільстві може виникнути проблема захисту людей із несприятливими генотипами у відношенні вибору ними професії, прийняття на роботу, навчання тощо. Складною і важливою етичною проблемою біотехнології є проведення експериментів, спрямованих на створення за допомогою генетичної інженерії нових видів біологічної (бактеріологічної) зброї. Бактеріологічною зброєю можуть бути культури збудників особливо небезпечних хвороб (чуми, холери, туляремії, бруцельозу тощо). Методологія генної інженерії дозволяє створювати резистентні до всіх сучасних лікарських речовин штами бактерій і віруси, які важко діагностувати. Ці штами характеризуються підвищеною вірулентністю, здатністю довго перебувати у навколишньому середовищі у незміненому вигляді; легко пристосовуються до умов внутрішнього середовища організму людини й тварин і викликати захворювання з невідомою клінічною картиною. З використанням методів біотехнології на основі токсинів можливим є створення супертоксинів, що здатні до масового знищення живих організмів. Саме тому нові різновидності мікроорганізмів, створені з використання методів біотехнології, до їх впровадження в практику повинні бути ретельно апробовані і оцінені з точки зору їх впливу на здоров’я людей і збереження генетичної різноманітності та екологічного балансу у біосфері. Важливе значення набуває розширення і зміцнення міжнародного співробітництва щодо оцінки і регулювання ризику використання біологічних об’єктів, які в умовах відсутності необхідного контролю за їх функціонуванням, можуть впливати на живі системи і людину як біологічна зброя. Тому надзвичайно важливими є наукові експертизи, прогнози використання біотехнічних систем.

Біотехнологія — це напрям сучасної науки і техніки, головним завданням якого є використання біологічних процесів і об’єктів для виробництва економічно важливих речовин і створення високопродуктивних сортів рослин, порід тварин і штамів мікроорганізмів. Генетична інженерія — система експериментальних засобів, які дають змогу сконструювати лабораторним шляхом штучні генетичні структури у вигляді так званих рекомбінантних молекул ДНК. Клітинна інженерія — це самостійна галузь біологічних та медичних наук, завданням якої є створення нових, не існуючих раніше в природі клітин із заданими властивостями.

Перевірте себе