Сферы применения биотехнологий

Сферы применения биотехнологий

Современная биотехнология – это междисциплинарная наука и отрасль производства, которая базируется на использовании биологических объектов и систем. Междисциплинарная природа биотехнологии выражается в ее связи с такими науками, как генетика, микробиология, биохимическая и химическая технология и механика систем и аппаратов катализа.

Сферы применения биотехнологии ныне очерчены уже достаточно определенно. Выделяется шесть главных областей ее применения.

Первое место в современной биотехнологии принадлежит генной инженерии. Она предоставила исследователям новую, исключительно ценную возможность – изменять генетическую программу бактериальных, растительных и животных клеток.  Внедрение методов генной инженерии в растениеводство и животноводство позволяет добиться  повышения продуктивности сельскохозяйственного производства и защитить культурные растения и домашних животных от болезней и вредителей.

Из методов генной инженерии в данном случае следует прежде всего назвать клонирование (от греч. klon – ветвь, отпрыск), т. е. бесполое размножение клеток растений и животных.

Выделяют три этапа в создании новых форм растений. Первый – создание растений с каким–либо новым свойством устойчивости к вирусам, паразитам или гербицидам. В конце 80–х годов ХХ в. были получены трансгенные растения основных сельскохозяйственных культур с ключевыми признаками устойчивости. Для них характерно то, что тот или иной признак устойчивости обусловлен присутствием лишь одного целевого гена в их геноме, т.е. устойчивость к тому или иному паразиту или гербициду обеспечивается синтезом одного дополнительного белка. Относительно быстрый успех в создании сортов растений на первом этапе во многом объяснялся именно тем, что введенный признак устойчивости определялся одним геном, а источником генов служили либо вирусы растений, либо почвенные бактерии (гены устойчивости к насекомым, гербицидам), т.е. в качестве донора генов использовались уже хорошо изученные простейшие биологические объекты, естественным образом присутствующие в природе. Первыми были такие растения, как кукуруза, картофель, соя, сахарная свекла.

В 1990-е гг. произошел взрыв интереса к клонированию, который уже привел к определенным практическим результатам. В 1997 г. весь мир облетела весть о рождении в Шотландии первого клонированного млекопитающего – овцы Долли. В 1998 г. в США методом клонирования был выведен теленок, также явившийся полной копией матери. В том же году в Японии были получены клонированные телята-двойняшки, и японские ученые объявили, что в течение ближайших десяти лет в стране появится в продаже клонированная говядина. Работы по трансплантации эмбрионов крупного рогатого скота ведутся и в некоторых других странах. Одновременно продолжаются исследования в области рекомбинации ДНК для модификации сельскохозяйственных культур.

Основное назначение биотехнологии на основе биоинженерии – совершенствование живых организмов и получение новых биологически активных соединений с улучшенными характеристиками, не имеющих аналогов в природе. Технологии включают направленный перенос генетического материала от одних организмов другим, что дает возможность создавать генно-инженерно модифицированные формы (микроорганизмы, трансгенные растения и животные) с высокой устойчивостью к неблагоприятным условиям среды, с повышенной продуктивностью или способностью к интенсивному синтезу целевых биологически активных веществ.

 В рамках данного  направления развивается дизайн  рекомбинантных белков и ферментов, необходимых для оптимизации биокаталитических процессов и разработки на их основе нового поколения биомедицинских препаратов, средств защиты растений и биоремедиации. Технологии получения моно– и поликлональных антител обеспечивают высокую специфичность диагностических тест–систем для медицины, ветеринарии и фитопатологии.

 Предлагаемые технологии, реализующие новый подход к созданию генетически модифицированных организмов с улучшенными хозяйственно–ценными свойствами и конструированию целевых биологически активных веществ с широким диапазоном применения в народном хозяйстве, характеризуются уменьшением требуемых капиталовложений.

Большое значение имеет также другое направление биотехнологии – защита культурных растений от болезней и вредителей. Уже разработаны новые виды биопестицидов, биофунгицидов и биоинсектицидов, безопасные для человека и окружающей среды и избирательно действующие на сельскохозяйственные культуры. То же относится и к биоудобрениям, созданным, например, с помощью бактерий, улавливающих и усваивающих азот из воздуха. Благодаря их применению усиливается сопротивление сельскохозяйственных культур болезням и вредителям, что позволяет уменьшить потребности в химических пестицидах. Одновременно ведутся работы, направленные на увеличение почвенного плодородия и повышение степени усвоения растениями питательных веществ.

Во-вторых, это расширение возможностей получения продуктов питания. В этом случае имеется в виду расширение ассортимента и улучшение качества продовольственных продуктов, а также удешевление исходного сырья, используемого в пищевкусовой промышленности. Применение методов биотехнологии позволяет лучше сбалансировать содержание в продуктах питания белков, жиров и углеводов. Наиболее ярким примером такого рода может служить изготовление глюкозно-фруктовых сиропов из крахмалосодержащего сырья низкого качества, получившее уже довольно широкое распространение.

При этом в оценках целесообразности и допустимости внедрения новых продуктов Северная Америка и Западная Европа различаются довольно сильно. В США и Канаде происходит быстрая коммерциализация биотехнологических открытий, а доводы о необходимой предосторожности чаще всего отвергаются со ссылкой на отсутствие этого принципа в международном праве. В Западной Европе, напротив, делают акцент именно на предосторожности, необходимости прохождения новыми продуктами и добавками достаточного цикла экспертиз. Официальные власти и общества потребителей настаивают там на обязательном включении в этикетки товаров сведений об их генетической чистоте или о присутствии в них генетических мутантов.

Использование пищевых добавок, разработанных с использованием биотехнологий, являются многоцелевой областью пищевой промышленности. Их применяют для сохранения продуктов (консерванты и загустители), улучшения их внешнего вида (пищевые красители и ароматизаторы) и вкусовых качеств (подсластители и т.д.), а также для придания продуктам дополнительных полезных свойств (например, молочные продукты с бифидобактериями или продукты с повышенным содержанием йода и других, необходимых для нормальной жизнедеятельности человека, микроэлементов). Кроме того, существуют специальные пищевые добавки для людей, страдающих заболеваниями, связанными с нарушением метаболизма (например, выпускаются специальные продукты с заменителями сахара для больных диабетом). Использование различных пищевых добавок в производстве продуктов питания кроме очевидного блага, таит в себе ряд опасностей. Некоторые из разрешенных в настоящее время пищевых добавок наносят вред организму, вызывая различные нарушения и аллергические реакции.

В-третьих, это увеличение энергетических ресурсов. Имеется в виду использование микроорганизмов для получения энергии из биомассы, причем как в газообразном (биогаз), так и в жидком (этиловый спирт) виде. Развитие этого направления позволяет использовать огромные и все время возобновляющиеся ресурсы биомассы, а также обеспечить дополнительные меры по охране окружающей среды. Использование соответствующей техники (биогенераторы) можно считать уже вполне освоенным делом.

В-четвертых, это разработка биотехнологическими методами полезных ископаемых. Здесь имеется в виду подземное выщелачивание, уже применяемое при разработке залежей меди и некоторых редких металлов. Считается также, что с помощью микроорганизмов можно повысить пластовое давление и тем самым увеличить отдачу нефтяных пластов.

В-пятых, это получение новых лекарственных средств для нужд медицины и ветеринарии. Современной биотехнологией уже накоплен опыт в производстве разного рода вакцин, антибиотиков, гормонов и т. п. Здесь нужно упомянуть о промышленной микробиологии. Промышленная микробиология основывается на применении микроорганизмов в промышленности для получения коммерчески ценных продуктов и лекарств. Важнейшие продукты микробного синтеза — специальные вещества, используемые для фармацевтических и пищевых целей (антибиотики, ферменты, ингибиторы ферментов, витамины, ароматизаторы, добавки для пищевой промышленности и др.).  Гибкость метаболизма и высокая способность микробов к адаптации, простота культивирования, изученность генетики, разработанные методы направленного создания штаммов с заданными свойствами — преимущества, делающие микробную биотехнологию одним из перспективных направлений промышленности. Целесообразность промышленного производства определяется такими факторами, как высокий выход продукта (образование больших количеств из исходного материала), низкая стоимость производства и доступность сырья.

В-шестых, это защита окружающей среды биотехнологическими методами. В данном случае имеются в виду промышленная бактериальная очистка сточных вод, утилизация промышленных и коммунальных отходов, в том числе отходов органической химии и мест утечки нефти и нефтепродуктов при помощи более дешевых и эффективных, чем традиционные, методов.

В эпоху НТР на основе биотехнологии возникла и получила значительное развитие биоиндустрия, которую приводят в качестве примера новейшего инновационного производства, хотя в единую цельную отрасль она пока не сложилась. Биоиндустрия стала одним из самых наукоемких и одновременно капиталоемких направлений, обеспечивающих тесную связь науки и производства, привлекающих не только крупный, но также мелкий и средний бизнес.

Области применения биотехнологий

Остановимся немного подробнее на более интересных направлениях применения биотехнологий.

Биосе́нсор - это сенсор из биологических материалов. Также, это аналитический прибор, в котором для определения химических соединений используются реакции этих соединений, катализируемые ферментами, иммунохимические реакции или реакции, проходящие в органеллах, клетках или тканях. В биосенсорах биологический компонент сочетается с физико-химическим преобразователем. Биосенсоры состоят из трёх частей:

1.Биоселективного элемента (биологический материал, например ткани, микроорганизмы, органеллы, клеточные рецепторы, ферменты, антитела, нуклеиновые кислоты и т. Д.). Чувствительный элемент может быть создан с помощью биоинженерии.

2.Преобразователя (работает на физико-химических принципах; оптический, пьезоэлектрический, электрохимический, и т. д.), который преобразует сигнал, появляющийся в результате взаимодействия аналита с биоселективным элементом, в другой сигнал, который проще измерить;

3.Связанная электроника, которая отвечает в первую очередь за отображение результатов в удобном для пользователя виде.

Самый известный пример коммерческого биосенсора — это биосенсор для измерения уровня глюкозы в крови, в котором используется фермент глюкозоксидаза для расщепления содержащейся в крови глюкозы. В процессе расщепления фермент сначала окисляет глюкозу и использует два электрона для восстановления ФАД (компонент фермента) в ФАДН2, который, в свою очередь, окисляется в несколько ступеней электродом. Результирующий ток пропорционален концентрации глюкозы. В этом случае, электрод является преобразователем, а фермент — биоселективным элементом.

Домашняя канарейка, которая применялась шахтерами для предупреждения об утечке газа, может считаться биосенсором. Многие из современных биосенсоров работают на том же принципе, то есть используют организмы, которые реагируют на значительно меньшие концентрации токсических веществ, чем это делает человек, предупреждая таким образом о присутствии яда. Эти приборы могут использоваться для экологического мониторинга, определения незначительных примесей нефтепродуктов и на сооружениях для очистки сточных вод.

Биочип — микромножество либо матрица с нанесёнными молекулами белков, нуклеиновых кислот, биомакромолекул или биоструктур для одновременного проведения большого числа анализов в одном образце; или электронное устройство, содержащее биологические молекулы.

Биологические микрочипы широко используются в in vitro диагностике. В основе механизма действия биочипов лежит молекулярное распознавание анализируемых молекул молекулами биополимерами, нанесёнными на чип.

Биочип трудно заметить невооруженным глазом. Это едва заметный матовый квадратик на блестящей черной пластинке, размер которой не больше обычной почтовой марки. Но, похоже, этот кроха способен перевернуть всю медицину. Ведь биочип в состоянии заменить целую лабораторию с ученым штатом, сотнями приборов. Принцип действия такого чипа основан на молекулярной биологии.

Это простой и эффективный способ значительно убыстряет и удешевляет сложнейшие анализы. Чип можно высушить и хранить вечно.

Биочип для обнаружения спор сибирской язвы срабатывает за полчаса, а традиционный метод занимает полсуток, что в экстренных случаях многовато. С помощью биочипов быстро можно провести анализ многих инфекций и генетических мутаций.

Одна из последних разработок — биочип для определения 9 штаммов бацилл, вызывающих 93 процента заболеваний лекарственно устойчивыми формами туберкулеза. Сегодня, пока не выявлен характер возбудителя, больных долгие месяцы лечат вслепую, часто совсем не тем, что необходимо. Биочип выявит вид бациллы за 2-3 дня. Доступны биочипу и ранние стадии некоторых онкологических заболеваний, предрасположенность к болезням сердца и сосудов, вредные примеси в воде и в воздухе.

     Консорциум фирм «Паккард» и «Моторола» готовится к промышленному производству биочипов, придуманных российскими учеными. Американские варианты оказались в сотню раз дороже.

Пройдет еще 5-10 лет, и мы сможем купить анализатор-приставку к компьютеру и набор биочипов в аптеке. Узнаем о своем здоровье почти все. Дешевыми анализаторами оснастят все поликлиники, травмопункты, отделения милиции – это огромная экономия ресурсов.

Генотерапия — совокупность генноинженерных (биотехнологических) и медицинских методов, направленных на внесение изменений в генетический аппарат соматических клеток человека в целях лечения заболеваний. Это новая и бурно развивающаяся область, ориентированная на исправление дефектов, вызванных мутациями (изменениями) в структуре ДНК, или придания клеткам новых функций.

Исторически генная терапия нацеливалась на лечение наследственных генетических заболеваний, однако поле её применения, по крайней мере теоретически, расширилось. В настоящее время генную терапию рассматривают как потенциально универсальный подход к лечению широкого спектра заболеваний, начиная от наследственных, генетических, и заканчивая инфекционными.

Биогаз — газ, получаемый водородным или метановым брожением биомассы. Метановое разложение биомассы происходит под воздействием трёх видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид — бактерии гидролизные, второй — кислотообразующие, третий — метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида. Одной из разновидностей биогаза является биоводород, где конечным продуктом жизнедеятельности бактерий является не метан, а водород.

Состав биогаза - 50—87 % метана, 13—50 % CO2, незначительные примеси H2 и H2S. После очистки биогаза от СО2 получается биометан. Биометан — полный аналог природного газа, отличие только в происхождении.

Перечень органических отходов, пригодных для производства биогаза: навоз, птичий помёт, зерновая и мелассная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов — соленая и сладкая молочная сыворотка, отходы производства биодизеля — технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков — жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки — мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов — очистки, шкурки, гнилые клубни, кофейная пульпа. Кроме отходов биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, например, из силосной кукурузы или сильфия, а также водорослей. Выход газа может достигать до 300 м³ из 1 тонны.На практике из 1 кг сухого вещества получают от 300 до 500 литров биогаза.

Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз более сильное, чем СО2, и находится в атмосфере 12 лет. Захват метана — лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления.

Переработанный навоз, барда и другие отходы применяются в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Это позволяет снизить применение химических удобрений, сокращается нагрузка на грунтовые воды.

Биогаз используют в качестве топлива для производства: электроэнергии, тепла или пара, или в качестве автомобильного топлива.

Биогазовые установки могут устанавливаться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах. Биогазовая установка может заменить ветеринарно-санитарный завод, т. е. падаль может утилизироваться в биогаз вместо производства мясо-костной муки.

Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании — биогаз занимает до 18 % в её общем энергобалансе. По абсолютным показателям по количеству средних и крупных установок ведущее место занимает Германия — 8000 установок. В Западной Европе не менее половины всех птицеферм отапливаются биогазом.

Потенциальное производство в России биогаза – до 72 млрд м³ в год. Потенциально возможное производство из биогаза электроэнергии в год составляет 151 200 ГВтч, тепла – 169 344 ГВтч. В Индии, Вьетнаме, Непале и других странах строят малые (односемейные) биогазовые установки. Получаемый в них газ используется для приготовления пищи.

Больше всего малых биогазовых установок находится в Китае — более 10 млн (на конец 1990-х). Они производят около 7 млрд м³ биогаза в год, что обеспечивает топливом примерно 60 млн крестьян. В конце 2010 года в Китае действовало уже около 40 млн биогазовых установок. В биогазовой индустрии Китая заняты 60 тысяч человек.

В Индии с 1981 года до 2006 года было установлено 3,8 млн малых биогазовых установок.

В Непале существует программа поддержки развития биогазовой энергетики, благодаря которой в сельской местности к концу 2009 года было создано 200 тысяч малых биогазовых установок.

Volvo и Scania производят автобусы с двигателями, работающими на биогазе. Такие автобусы активно используются в городах Швейцарии: Берн, Базель, Женева, Люцерн и Лозанна. По прогнозам Швейцарской Ассоциации Газовой Индустрии к 2010 году 10 % автотранспорта Швейцарии будет работать на биогазе.

Муниципалитет Осло в начале 2009 года перевёл на биогаз 80 городских автобусов. Стоимость биогаза составляет €0,4 — €0,5 за литр в бензиновом эквиваленте. При успешном завершении испытаний на биогаз будут переведены 400 автобусов.

В России агрокомплекс ежегодно производит 773 миллиона тонн отходов, из которых можно получить 66 миллиардов м3 биогаза, или около 110 миллиардов кВт•ч электроэнергии. Общая потребность России в биогазовых заводах оценивается в 20 тысяч предприятий.

В США выращивается около 8,5 миллионов коров. Биогаза, получаемого из их навоза, будет достаточно для обеспечения топливом 1 миллиона автомобилей.

Потенциал биогазовой индустрии Германии оценивается в 100 миллиардов кВт·ч энергии к 2030 году, что будет составлять около 10% от потребляемой страной энергии.

В настоящее время технологиии позволяют использовать экологичный и удобный в использовании источник биогаза. Так называемый биогенератор представляет собой "аккумуляторную батарею". В контейнер биогенератора помещаются сельскохозяйственные и бытовые органические отходы. Под действием естественного процесса гниения в  биогенераторе образуется горючий газ, по составу сходный с обычным бытовым газом.

     Таким образом, не затрачивая ни копейки денег, можно получать бесплатное экологичное топливо.

Биометаллургия. Ее основная особенность и отличие от обычной металлургии заключается в том, что здесь для извлечения металлов из руд, концентратов, горных пород и растворов используются продукты обмена в живых клетках - микроорганизмы или их метаболиты. На практике биометаллургия применяется для выщелачивания меди, урана и других металлов, получаемых из так называемых “бедных руд”. Дело в том, что переработка этих руд традиционными методами чрезвычайно нерентабельная, в то время как себестоимость меди, которую получили путем использования микроорганизмов, почтив два раза ниже, нежели себестоимость при использовании традиционных технологий. Эффективность биометаллургии также заметна и при выщелачивании металлов при переработке мышьяковистых медно-цинковых концентратов, которые не поддаются переработке по стандартной технологии. Результат достигается путем окисления микроорганизмами металлов, чтобы перевести их в растворимое состояние.

При обогащении металлов также используются биометаллургические процессы, включая подземное обогащение, обогащение горных пород, сульфидизацию окисленных руд и т.д. Биометаллургия позволяет снизить ресурсы сырья путем использования “бедных руд”, обеспечить максиммальное извлечение всех ценных компонентов из сырья без видимых затрат. Биометаллургические процессы легко поддаются автоматизации, позволяют обеспечить высокую производительность труда и, что немаловажно, решить проблему окружающей среды. Как видно из названия, биометаллургические технологии абсолютно не имеют вредных выбросов.

Искусственный фотосинтез — попытки воспроизведения естественного процесса фотосинтеза. При этом под воздействием электромагнитного излучения видимого спектра вода и диоксид углерода преобразуются в молекулярный кислород и глюкозу. Иногда к искусственному фотосинтезу относят разделение воды на водород и кислород под воздействием солнечной энергии.

Исследования направлены на реализацию разновидности фотосинтеза, связанной с разложением воды на водород и кислород. Этот процесс является первой стадией фотосинтеза в растениях (светозависимая фаза). Конверсия диоксида углерода не требует воздействия света. Водород, полученный на первой стадии искусственного фотосинтеза может быть использован в водородных двигателях для генерирования «чистой» энергии.

Светонезависимая реакция (т. н. «темновая фаза» или Цикл Кальвина) является второй стадией фотосинтеза, в ходе которой диоксид углерода конвертируется в глюкозу. Глюкоза является источником энергии, обеспечивающим рост растений. Предполагается, что этот процесс, воспроизведённый в промышленных масштабах, поможет противостоять глобальному потеплению. Светонезависимая стадия фотосинтеза может быть использована для поглощения избыточного количества углекислого газа из атмосферы. Однако такой процесс будет требовать значительных источников энергии, как это происходит при фотосинтезе в растениях.