Преимущество биотехнологических процессов. Основные достижения биотехнологии

ГОУ ВПО «Кировская государственная  медицинская академия федерального агентства по здравоохранению и  социальному развитию»

Контрольная работа

по  Биотехнологии

Тема: Преимущество биотехнологических процессов. Основные достижения биотехнологии.

Киров, 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Введение            3

1. Преимущество биотехнологических процессов     4

2. Основные  достижения биотехнологии       6

Выводы                   13

Список  использованной литературы              14

ВВЕДЕНИЕ

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.

Биотехнологией часто  называют применение генной инженерии  в XX–XXI 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 искусственного отбора и гибридизации. С помощью  современных методов традиционные биотехнологические производства получили возможность улучшить качество пищевых  продуктов и увеличить продуктивность живых организмов.

До 1971 года термин «биотехнология»  использовался, большей частью, в  пищевой промышленности и сельском хозяйстве. С 1970 года учёные используют термин в применении к лабораторным методам, таким, как использование  рекомбинантной ДНК и культур клеток, выращиваемых in vitro.

Биотехнология основана на генетике, молекулярной биологии, биохимии, эмбриологии и клеточной биологии, а также прикладных дисциплинах  — химической и информационной технологиях  и робототехнике.

Цель: дать раскрытый ответ  на вопрос контрольной работы.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Дать определение Биотехнологии как науки;
2. Изучить приемущество биотехнологических процессов;
3. Изучить основные достижения биотехнологии.

1. ПРИЕМУЩЕСТВО БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Основная цель биотехнологии - промышленное использование биологических  процессов и агентов на основе получения высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и  тканей растений и животных с заданными  свойствами. Биотехнология возникла на стыке биологических, химических и технических наук.

Биотехнологический процесс - включает ряд этанов: подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование  продуктов.

Первым детально изученным  процессом было брожение. Французский ученый Луи Пастер (1822 - 1895) первым показал, что брожение - это жизнь без свободного кислорода или анаэробное дыхание, происходящее при участии дрожжевых грибов. По вопросам бродильного производства - виноделию, пивоварению и получению уксуса - он опубликовал 3 монографии.

Биотехнологические процессы могут быть основаны на периодическом  или непрерывном культивировании.

Во многих странах мира биотехнологии придается первостепенное значение. Это связано с тем, что  биотехнология имеет ряд существенных преимуществ перед другими видами технологий, например, химической.

1. Это, прежде всего, низкая энергоемкость. Биотехнологические процессы совершаются при нормальном давлении и температурах 20-40° С.
2. Биотехпологическое производство чаще базируется на использовании стандартного однотипного оборудования. Однотипные ферменты применяются для производства аминокислот, витаминов; ферментов, антибиотиков.
3. Биотехнологические процессы несложно сделать безотходными. Микроорганизмы усваивают самые разнообразные субстраты, поэтому отходы одного какого-то производства можно превращать в ценные продукты с помощью микроорганизмов в ходе другого производства.
4. Безотходность биотехнологических производств делает их экологически наиболее чистыми. Экологическая целесообразность биотехнологических производств определяется также возможностью ликвидации с их помощью биологических отходов - побочных продуктов пищевой, деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, в сельском и городском хозяйствах.
5. Исследования в области биотехонологии не требуют крупных капитальных вложений, для их проведения не нужна дорогостоящая аппаратура.

К первоочередным задачам  современной биотехнологии относятся  -создание и широкое освоение:

1. новых биологически  активных веществ и лекарственных  препаратов для медицины (интерферонов, инсулина, гормонов роста, антител);

2. микробиологических средств  защиты растений от болезней  и вредителей, бактериальных удобрений  и регуляторов роста растений, новых высокопродуктивных и устойчивых  к неблагоприятным факторам внешней  среды гибридов сельскохозяйственных  растений, полученных методами генетической  и клеточной инженерии;

3. ценных кормовых добавок  и биологически активных веществ  (кормового белка, аминокислот,  ферментов, витаминов, кормовых  антибиотиков) для повышения продуктивности  животноводства;

4. новых технологий получения  хозяйственно-ценных продуктов для  использования в пищевой, химической, микробиологической и других  отраслях промышленности;

5. технологий глубокой  и эффективной переработки сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов,  использования сточных вод и газовоздушных выбросов для получения биогаза и высококачественных удобрений.

2. ОСНОВНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ БИОТЕХНОЛОГИИ

За последние 20 лет биотехнология, благодаря своим специфическим преимуществам перед другими науками, совершила решительный прорыв на промышленный уровень, что в немалой степени обязано также развитию новых методов исследований и интенсификации процессов, открывших ранее неизвестные возможности в получении биопрепаратов, способов выделения, идентификации и очистки биологически активных веществ.

Биотехнология формировалась  и эволюционировала по мере формирования и развития человеческого общества. Ее возникновение, становление и развитие условно можно подразделить на 4 периода.

1. Эмпирический период  или доисторический - самый длительный, охватывающий примерно 8000 лет, из которых более 6000 лет до н.э. и около 2000 лет н.э. Древние народы того времени интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и некоторых других продуктов, которые теперь мы относим к разряду биотехнологических.

Известно, что шумеры - первые жители Месопотамии (на территории современного Ирака) создали цветущую в те времена цивилизацию. Они выпекали хлеб из кислого теста, владели искусством готовить пиво. Приобретенный опыт передавался из поколения в поколение, распространялся среди соседних народов (ассирийцев, вавилонян, египтян и древние индусов). В течение нескольких тысячелетий известен уксус, издревле приготавливавшийся в домашних условиях. Первая дистилляция в виноделии осуществлена в XII в.; водку из хлебных злаков впервые получили в XVI в.; шампанское известно с XVIII в.

К эмпирическому периоду  относятся получение кисломолочных продуктов, квашеной капусты, медовых алкогольных напитков, силосование кормов.

Таким образом, народы исстари  пользовались на практике биотехнологическими процессами, ничего не зная о микроорганизмах. Эмпиризм также был характерен и в практике использования полезных растений и животных.

В 1796 г. произошло важнейшее событие в биологии - Э. Дженнером были проведены первые в истории прививки человеку коровьей оспы.

2. Этиологический период  в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX в. и первую треть XX в. (1856 - 1933 гг.). Он связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Л. Пастера (1822 - 95) - основоположника научной микробиологии.

Пастер установил микробную  природу брожения, доказал возможность жизни в бескислородных условиях, создал научные основы вакцинопрофилактики и др.

В этот же период творили  его выдающиеся ученики, сотрудники и коллеги: Э. Дюкло, Э. Ру, Ш.Э. Шамберлан, И.И. Мечников; Р. Кох, Д. Листер, Г. Риккетс, Д. Ивановский и др.

В 1859 г. Л. Пастер приготовил жидкую питательную среду, Р. Кох в 1881 г. предложил метод культивирования бактерий на стерильных ломтиках картофеля и на агаризованных питательных средах. И, как следствие этого, удалось доказать индивидуальность микробов и получить их в чистых культурах. Более того, каждый вид мог быть размножен на питательных средах и использован в целях воспроизведения соответствующих процессов (бродильных, окислительных и др.).

Среди достижений 2-й периода особо  стоит отметить следующие:

• 1856 - чешский монах Г. Мендель открыл законы доминирования признаков и ввел понятие единицы наследственности в виде дискретного фактора, который передается от родителей потомкам;
• 1869 - Ф. Милер выделил «нуклеин» (ДНК) из лейкоцитов;
• 1883 - И. Мечников разработал теорию клеточного иммунитета;
• 1984 - Ф. Леффлер изолировал и культивировал возбудителя дифтерии;
• 1892 - Д.Ивановский открыл вирусы;

• 1893 - В. Оствальд установил каталитическую функцию ферментов;

• 1902 - Г. Хаберланд показал возможность культивирования клеток растений в питательных растворах;
• 1912 - Ц. Нейберг раскрыл механизм процессов брожения;

-1913 - Л. Михаэлис и М. Ментен разработали кинетику ферментативных реакций;

• 1926 - X. Морган сформулировал хромосомную теорию наследственности;
• 1928 - Ф. Гриффит описал явление «трансформации» у бактерий;

- 1932 - М. Кнолль и Э. Руска изобрели электронный микроскоп. 
В этот период было начато изготовление прессованных пищевых

дрожжей, а также продуктов  их метаболизма - ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот, во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод.

Тем не менее, накопление большой массы клеток одного возраста оставалось исключительно трудоемким процессом. Вот почему требовался принципиально иной подход для решения многих задач в области биотехнологии.

3. Биотехнический период - начался  в 1933 г. и длился до 1972 г.

В 1933 г. А. Клюйвер и А.Х. Перкин опубликовали работу «Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов», в которой изложили основные технические приемы, а также подходы к оценке получаемых результатов при глубинном культивировании грибов. Началось внедрение в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечивающего проведение процессов в стерильных условиях.

Особенно мощный толчок в развитии промышленного биотехнологического оборудования был отмечен в период становления и развития производства антибиотиков (время второй мировой войны 1939-1945 гг., когда возникла острая необходимость в противомикробных препаратах для лечения больных с инфицированными ранами).

Все прогрессивное в  области биотехнологических и технических  дисциплин, достигнутое к тому времени, нашло свое отражение в биотехнологии:

• 1936 - были решены основные задачи по конструированию, созданию и внедрению в практику необходимого оборудования, в том числе главного из них - биореактора (ферментера, аппарата-культиватора);
• 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 микробов, которые развили в своих исследованиях М. Стефенсон, И. Молек, М. Иерусалимский, 
  И. Работнова, И. Помозгова, И. Баснакьян, В. Бирюков;

-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. Это стало побудительным  мотивом для разработки способов  крупномасштабного культивирования клеток различного происхождения для получения клеточных продуктов и самих клеток;

• 1959 - японские ученые открыли плазмиды антибиотикоустойчивости (К-фактор) 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 аминокислоты фенилаланина;
• 1962 - X. Корана синтезировал химическим способом функциональный ген;

-1969 - М. Беквит и С. Шапиро выделили ген 1ас-оперона у Е.colly;

- 1970 - выделен фермент рестриктаза (рестриктирующая эндонуклеаза).

4. Геннотехнический период начался с 1972 г., когда П. Берг создал первую рекомбинацию молекулы ДНК, тем самым показав возможность направленных манипуляцией с генетическим материалом бактерий.

Естественно, что без  фундаментальной работы Ф. Крика  и Дж. Уотсона по установлению структуры ДНК было бы невозможно достигнуть современных результатов в области биотехнологии. Выяснение механизмов функционирования и репликации ДНК, выделение и изучение специфичных ферментов привело к формированию строго научного подхода к разработке биотехнических процессов на основе генноинженерных манипуляций.

Создание новых методов  исследований явилось необходимой  предпосылкой развития биотехнологии в 4-ом периоде:

• 1975 - Г. Келлер и Ц. Мильштейн опубликовали в журнале «Ка1иге» статью «Длительноживущие культуры гибридных клеток, секретирующие антитела предопределенной «специфичности», в которой описали метод получения моноклональных антител;
• 1977 - М. Максам и У. Гилберт разработали метод анализа первичной структуры ДНК путем химической деградации, а Дж. Сэнгер 
  - путем полимеразного копирования с использованием терминирующих аналогов нуклеотидов;
• 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, интер-лейкин-2, соматотропный гормон человека и др;

-1986 - К. Мюллис разработал метод полимеразной цепной реакции (ПЦР);

• 1988 - началось широкомасштабное производство оборудования и диагностических наборов для ПЦР;
• 1997 - клонировано первое млекопитающее (овечка Долли) из дифференцированной соматической клетки.
• 2002: Установлена структура ДНК риса, который является основным источником пищи для двух третей населения земного шара. Рис стал первой сельскохозяйственной культурой, геном которой был расшифрован.
• 2003: Первое ГМ домашнее животное GloFish появилось на американском рынке. Специально выведенная для обнаружения загрязнения воды, рыба светится красным светом на чёрном фоне благодаря добавлению гена биолюминесценции.
• 2004: Корейские учёные лечат травму спинного мозга путём пересадки мультипотентных стволовых клеток взрослого из пуповинной крови.
• 2004: Группа исследователей из парижского университета разработала метод для получения большого количества красных кровяных клеток из стволовых гемопоэтических клеток и создали среду, которая имитирует условия костного мозга.
• 2005: Исследователи из университета Висконсин-Мэдисон разделили бластоцисты стволовых клеток человека на нервные стволовые клетки и спинные двигательные нейронные клетки.

Такие выдающиеся отечественные  ученые как Л.С. Ценковский, С.Н. Вышелесский, М.В. Лихачев, Н.Н. Гинзбург, С.Г. Колесов, Я.Р. Коляков, Р.В. Петров, В.В. Кафаров и др. внесли неоценимый вклад в развитие биотехнологии.

Наиболее важные достижения биотехнологии  в 4-ом периоде:

1. Разработка интенсивных процессов (вместо экстенсивных) на основе направленных, фундаментальных исследований (с продуцентами антибиотиков, ферментов, аминокислот, витаминов).
2. Получение суперпродуцентов.
3. Создание различных продуктов, необходимых человеку, на основе генноинженерных технологий.
4. Создание необычных организмов, ранее не существовавших в природе.
5. Разработка и внедрение в практику специальной аппаратуры биотехнологических систем.
6. Автоматизация и компьютеризация биотехнологических производственных процессов при максимальном использовании сырья и минимальном потреблении энергии.

Вышеперечисленные достижения биотехнологии реализуются в настоящее время в народное хозяйство и будут внедряться в практику в последующие 10-15 лет. В обозримом будущем будут определены новые краеугольные камни биотехнологии и нас ждут новые открытия и достижения.

ВЫВОДЫ

1. Биотехнология - 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.

2.  Преимущество биотехнологических процессов заключается в том, что прежде всего, низкая энергоемкость процессов; биотехнологическое производство чаще базируется на использовании стандартного однотипною оборудования; биотехнологические процессы несложно сделать безотходными; экологическая целесообразность биотехнологических производств.

3. История развития биотехнологии свидетельствует о том, что она не стоит на одном месте. Достижения в развитии науки с каждым годом все более важные. Каждое открытие является достижением начиная с приготовления хлеба, что с течением тысячелетий привело к изучению стволовых клеток человека.

Использованная литература

1. Глик Б., Пастернак Дж. «Молекулярная биотехнология», Мир, М.,2002.
2. Захаров И.А. "ГенЭтика или рожать нельзя клонировать", Изд. СОРАН, 2003 г.
3. Корочкин Л.И. «Клонирование», Век-2, М., 2006.
4. Тарантул В.З. «Геном человека», Языки славянской культуры, М., 2003.
5. Уолкер Ш. «Биотехнология без тайн» Эксмо, М., 2008.