Биотехнологии

Описание: В данном реферате мы рассмотрим историю возникновения, основные направления развития современных  биотехнологий и рынок биотехнологий  в современном мире.

Содержание. 

Введение……………………………………………………………….3 стр.

1. История развития биотехнологии………………………………..4 стр.
1. Эмпирический период……………………………………...4  стр.                   
2. Этиологический период…………………………………….5 стр.
3. Биотехнический период…………………………………….6 стр.
4. Геннотехнический период………………………………….8 стр.
2. Основные направления развития биотехнологий………………10 стр.
1. Медицинские биотехнологии…………………………… ..10 стр.
2. Агробиотехнологии……………………………………… ..12 стр.
3. Экологические биотехнологии…………………………… 13 стр.
4. Генная инженерия…………………………………………..15 стр.
3. Рынок биотехнологий в мире……………………………………. 27 стр.

Заключение…………………………………………………………….33 стр.

Литература………………………………………………………... …..34 стр.  

Введение.     

Удивительными открытиями в науке и грандиозным  научно-техническим прогрессом ознаменовался  XX  век, однако  научно-технический прогресс в настоящем виде имеет негативные стороны: исчерпание ископаемых ресурсов, загрязнение окружающей среды, исчезновение многих видов растений и животных, глобальное изменение климата, появление озоновых дыр над полюсами Земли и т.д. Ясно, что такой путь ведёт в тупик. Нужно принципиальное изменение вектора развития. Биотехнология может внести решающий вклад в решение глобальных проблем человечества. В широком смысле «биотехнология» - использование живых организмов и биологических процессов, а также способов их изменения для более полного удовлетворения человеческих потребностей.  
Биотехнологии основаны на последних достижениях многих отраслей современной науки: биохимии и биофизики, вирусологии, физико-химии ферментов, микробиологии, молекулярной биологии, генетической инженерии, селекционной генетики, химии антибиотиков, иммунологии и др. ¹

[1] Сассон А.  Биотехнология: свершения и надежды.  М., 1987.      

Сам термин «биотехнология» новый: он получил  распространение в 1970-е гг., но человек  имел дело с биотехнологиями и в далеком прошлом. Некоторые биотехнологические процессы, основанные на применении микроорганизмов, человек использует еще с древнейших времен: в хлебопечении, в приготовлении вина и пива, уксуса, сыра, различных способах переработки кож, растительных волокон и т.д. Современные биотехнологии основаны главным образом на культивировании микроорганизмов (бактерий и микроскопических грибов), животных и растительных клеток, методах генной инженерии.²

[2] Найдыш Вячеслав  Михайлович. Концепции современного  естествознания.     

В данном реферате мы рассмотрим историю возникновения, основные направления развития современных  биотехнологий и рынок биотехнологий  в современном мире.  

1. История развития биотехнологии

     За  последние 20 лет биотехнология, благодаря  своим специфическим преимуществам перед другими науками, совершила решительный прорыв на промышленный уровень. Этим она в немалой степени обязана 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.³

 [3] Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды. М., 1987.

1.1. 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.

1.2. 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 1859г. Л. Пастер приготовил жидкую питательную среду, Р. Кох в 1881г. 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:

1856г. - чешский  монах Г. Мендель открыл законы  доминирования признаков и ввел  понятие единицы наследственности  в виде дискретного фактора,  который передается от родителей  потомкам;

1869г. - Ф. Милер  выделил «нуклеин» (ДНК) из  лейкоцитов;

1883г. - И. Мечников разработал теорию клеточного иммунитета;

1984г. - Ф. Леффлер  изолировал и культивировал возбудителя  дифтерии;

1892г. - Д.Ивановский  открыл вирусы;

1893г. - В. Оствальд  установил каталитическую функцию  ферментов;

1902г. - Г. Хаберланд  показал возможность культивирования клеток растений в питательных растворах;

1912г. - Ц. Нейберг  раскрыл механизм процессов брожения;

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

1926г. - X. Морган  сформулировал хромосомную теорию  наследственности;

1928г. - Ф. Гриффит  описал явление «трансформации»  у бактерий;

1932г. - 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. 

1.3. 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:

1936г. - были решены  основные задачи по конструированию, созданию и внедрению в практику необходимого оборудования, в том числе главного из них - биореактора (ферментера, аппарата-культиватора);

1938г. - А. Тизелиус  разработал теорию электрофореза;

1942г. - М. Дельбрюк  и Т. Андерсон впервые увидели вирусы с помощью электронного микроскопа;

1943г. - пенициллин  произведен в промышленных масштабах;

1949г. - Дж. Ледерберг  открыл процесс конъюгации у  Е.colly;

1950г. - 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;

1951г. - М. Тейлер  разработал вакцину против желтой  лихорадки;

1952г. - У. Хейс  описал плазмиду как внехромосомный  фактор наследственности;

1953г. - 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;

1959г.- японские ученые открыли плазмиды антибиотикоустойчивости (К-фактор) у дизентерийной бактерии;

1960г. - 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;

1961г. - М. Ниренберг  прочитал первые три буквы  генетического  
кода для аминокислоты фенилаланина;

1962г. - X. Корана  синтезировал химическим способом  функциональный ген;

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

1970г. - выделен  фермент рестриктаза (рестриктирующая  эндонуклеаза).

1.4. 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:

1975г. - 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;

1977г. - 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;

1981г. - разрешен  к применению в США первый  диагностический набор моноклональных  антител;

1982г. - 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;

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

1988г. - началось широкомасштабное производство оборудования и диагностических наборов для ПЦР;

1997г. - клонировано  первое млекопитающее (овечка  Долли) из дифференцированной  соматической 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:

Разработка  интенсивных процессов (вместо экстенсивных) на основе направленных, фундаментальных  исследований (с продуцентами антибиотиков, ферментов, аминокислот, витаминов).

Получение суперпродуцентов.

Создание  различных продуктов, необходимых  человеку, на основе генноинженерных технологий.

Создание  необычных организмов, ранее не существовавших в природе.

Разработка  и внедрение в практику специальной  аппаратуры биотехнологических систем.

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. 

2. Основные  направления биотехнологий.

Основными направлениями развития современных биотехнологий являются

медицинские биотехнологии, агробиотехнологии и экологические  биотехнологии. Новейшим и важнейшим  ответвлением биотехнологии является генная инженерия.

1. Медицинские биотехнологии.

Медицинские биотехнологии подразделяются на диагностические и лечебные. Диагностические медицинские биотехнологии в свою очередь разделяют на химические (определение диагностических веществ и параметров их обмена) и физические (определение особенностей физических процессов организма).

Химические диагностические  биотехнологии используются в медицине давно. Но если раньше они сводились  к определению в тканях и органах  веществ, имеющих диагностическое значение (статический подход), то сейчас развивается и динамический подход, позволяющий определять скорости образования и распада представляющих интерес веществ, активность ферментов, осуществляющих синтез или деградацию этих веществ, и др. Кроме того, современная диагностика разрабатывает методы функционального подхода, с помощью которого можно оценивать влияние функциональных воздействий на изменение диагностических веществ, а следовательно, выявлять резервные возможности организма. 

В будущем  возрастет роль физической диагностики, которая дешевле и быстрее, чем  химическая, и состоит в определении физико-химических процессов, лежащих в основе жизнедеятельности клетки, а также физических процессов (тепловых, акустических, электромагнитных и др.) на тканевом уровне, уровне органов и организма в целом. На базе такого рода анализа в рамках биофизики сложных биологических систем будут развиваться новые методы физиотерапии, выяснится смысл многих так называемых нетрадиционных методов лечения, приемов народной медицины и т.д.

Биотехнологии широко используются в фармакологии. В древности для лечения больных применяли животные, растительные и минеральные вещества. Начиная с XIX в. в фармакологии получают распространение синтетические химические препараты, а с середины XX в. и антибиотики — особые химические вещества, которые образуются микроорганизмами и способны оказывать избирательно токсическое воздействие на другие микроорганизмы. В конце XX в. фармакологи обратились к индивидуальным биологически активным соединениям и стали составлять их оптимальные композиции, а также использовать специфические активаторы и ингибиторы определенных ферментов, суть действия которых — в вытеснении патогенной микрофлоры невредной для здоровья людей микрофлорой (использование микробного антагонизма).

Биотехнологии помогают в борьбе современной медицины с сердечно-сосудистыми заболеваниями (прежде всего с атеросклерозом), с онкологическими заболеваниями, с аллергиями как патологическим нарушением иммунитета (способность организма защищать свою целостность и биологическую индивидуальность), старением и вирусными инфекциями (в том числе со СПИДом). Так, развитие иммунологии (науки, изучающей защитные свойства организма) способствует лечению аллергии. При аллергии организм отвечает на воздействие некоторого специфического аллергена чрезмерной реакцией, повреждающей его собственные клетки и ткани в результате отека, воспаления, спазма, нарушений микроциркуляции, гемодинамики и др. Иммунология, изучая клетки, осуществляющие иммунный ответ (иммуноциты), позволяет создавать новые подходы к лечению иммунологических, онкологических и инфекционных заболеваний.

Человек пока не умеет лечить СПИД и плохо  лечит вирусные инфекции. Химиотерапия и антибиотики, эффективные в  борьбе с бактериальной инфекцией, неэффективны в отношении вирусов (например, возбудителей атипичной  пневмонии). Предполагается, что здесь существенный прогресс будет достигнут благодаря развитию иммунологии, молекулярной биологии вирусов, в частности изучению взаимодействия

вирусов со специфическими для них клеточными рецепторами.

Биотехнологическими способами производят витамины, диагностические средства для клинических исследований (тест-системы на наркотики, лекарства, гормоны и т.п.), биоразлагаемые пластмассы, антибиотики, биосовместимые материалы. Новая область биоиндустрии — производство пищевых добавок.

2. Агробиотехнологии.

Сельскохозяйственные 

В XX в. произошла  «зеленая революция» — за счет использования  минеральных удобрений, пестицидов и инсектицидов удалось добиться резкого повышения продуктивности растениеводства. Но сейчас понятны и ее отрицательные последствия, например насыщение продуктов питания нитратами и ядохимикатами. Основная задача современных агробиотехнологий — преодоление отрицательных последствий «зеленой революции», микробиологический синтез средств защиты растений, производства кормов и ферментов для кормопроизводства и др. При этом упор делается на биологические методы восстановления плодородия почвы, биологические методы борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур, на переход от монокультур к поликультурам (что повышает выход биомассы с единицы площади сельхозугодий), выведение новых высокопродуктивных и обладающих другими полезными свойствами (например, засухоустойчивостью или устойчивостью к засолению) сортов культурных растений.

Продовольственные сельскохозяйственные культуры служат сырьем для пищевой промышленности. Биотехнологии используются при изготовлении пищевых продуктов из растительного и животного сырья, их хранении и кулинарной обработке, при производстве искусственной пищи (искусственной икры, искусственного мяса из сои, бобы которой богаты полноценным белком), при производстве корма для скота из продуктов, полученных из водорослей и микробной биомассы (например, получение кормовой биомассы из микробов, растущих на нефти).

Поскольку микроорганизмы чрезвычайно разнообразны, микробиологическая промышленность на их основе вырабатывает самые разные продукты, например ферментные препараты, находящие широкое применение в производстве пива, спирта и т.д. 

3. Экологические биотехнологии.

Биотехнологии выступают одним из важнейших  способов решения экологических проблем. Они применяются для уничтожения загрязнений окружающей среды (например, очистка воды или очистка от нефтяных загрязнений), для восстановления разрушенных биоценозов (тропических лесов, северной тундры), восстановления популяций исчезающих видов или акклиматизации растений и животных в новых местах обитания.

Так, с  помощью биотехнологий решается проблема освоения загрязненных территорий устойчивыми к этим загрязнениям видами растений. Например, зимой в  городах для борьбы со снежными заносами используются минеральные соли, от которых гибнут многие виды растений. Однако некоторые растения устойчивы к засолению, способны поглощать цинк, кобальт, кадмий, никель и другие металлы из загрязненных почв; конечно, они предпочтительнее в условиях больших городов. Выведение сортов растений с новыми свойствами — одно из направлений экологической биотехнологии.

Важные  направления экологических биотехнологий  — ресурсная биотехнология (использование  биосистем для разработки полезных ископаемых), биотехнологическая (с использованием бактериальных штаммов) переработка промышленных и бытовых отходов, очистка сточных вод, обеззараживание воздуха, генно-инженерные экологические биотехнологии.

Многообразие  сфер применения биотехнологий. Биотехнологии  успешно применяются в некоторых «экзотических» отраслях. Так, во многих странах микробная биотехнология используется для повышения нефтеотдачи. Микробиологические технологии исключительно эффективны и при получении цветных и благородных металлов. Если традиционная технология включает в себя обжиг, при котором в атмосферу выбрасывается большое количество вредных серосодержащих газов, то при микробной технологии руда переводится в раствор (микробное окисление), а затем путем электролиза из него получают ценные металлы.

Использование метанотрофных бактерий позволяет  снизить концентрацию метана в шахтах. А для отечественной угледобычи проблема шахтного метана всегда была одной из самых острых: по статистике, из-за взрывов метана в шахтах каждый добытый 1 млн т угля уносит жизнь одного шахтера.

Созданные биотехнологическими методами ферментные препараты находят широкое применение в производстве стиральных порошков, в текстильной и кожевенной промышленности.

Космическая биология и медицина изучают закономерности функционирования живых организмов, прежде всего человеческого, в условиях космоса, космического полета, пребывания на других планетах и телах Солнечной системы. Одним из важных направлений в этой области является разработка космических биотехнологий — замкнутых биосистем, предназначенных для функционирования в условиях длительного космического полета. Созданная отечественной наукой система такого рода способна обеспечить жизнедеятельность космонавтов в течение 14 лет. Этого вполне достаточно для реализации космической мечты человечества — полета к ближайшим планетам Солнечной системы, прежде всего к Марсу.

Таким образом, современные биотехнологии  исключительно разнообразны. Не случайно XXI в. нередко называют веком биотехнологии. Важнейшим ответвлением биотехнологии, открывающим самые ошеломляющие перспективы перед человечеством, является генная инженерия.

4. Генная инженерия.

Генная  инженерия возникла в 1970-е гг. как  раздел молекулярной биологии, связанный  с целенаправленным созданием новых  комбинаций генетического материала, способного размножаться (в клетке) и синтезировать конечные продукты. Решающую роль в создании новых комбинаций генетического материала играют особые ферменты (рестриктазы, ДНК-лигазы), позволяющие рассекать молекулу ДНК на фрагменты в строго определенных местах, а затем «сшивать» фрагменты ДНК в единое целое. Только после выделения таких ферментов стало практически возможным создание искусственных гибридных генетических структур — рекомбинантных ДНК(молекул ДНК, которые получаются в результате ковалентного объединения вектора и чужеродного фрагмента ДНК). Рекомбинантная молекула ДНК содержит искусственный гибридный ген (или набор генов) и «вектор-фрагмент» ДНК, обеспечивающий размножение рекомбинированной ДНК и синтез ее конечных продуктов — белков. Все это уже происходит в клетке-хозяине (бактериальной клетке), куда вводится рекомбинированная ДНК. 

Методами  генной инженерии сначала были получены трансгенные микроорганизмы, несущие  гены бактерии и гены онко-генного  вируса обезьяны, а затем — микроорганизмы, несущие в себе гены мушки дрозофилы, кролика, человека и т.д. Впоследствии удалось осуществить микробный (и недорогой) синтез многих биологически активных веществ, присутствующих в тканях животных и растений в весьма низких концентрациях: инсулина, интерферона человека, гормона роста человека, вакцины против гепатита, а также ферментов, гормональных препаратов, клеточных гибридов, синтезирующих антитела желаемой специфичности, и т.п.

Генная  инженерия открыла перспективы  конструирования новых биологических организмов — трансгенных растений и животных с заранее запланированными свойствами. По сути, непреодолимых природных ограничений для синтеза генов нет (так, существуют программы по созданию трансгенной овцы, покрытой вместо шерсти шелком; трансгенной козы, молоко которой содержит ценный для человека интерферон; трансгенного шпината, который вырабатывает белок, подавляющий ВИЧ-инфекции, и др.). Возникла новая отрасль промышленности — трансгенная биотехнология, занимающаяся конструированием и применением трансгенных организмов. (Сейчас в США функционирует уже около 2500 генно-инженерных фирм.)