Что такое биотехнологический процесс
Биотехнологический процесс
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.
Биотехнологическийпроцесс— включает ряд этанов: подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование продуктов.
Биотехнологическиепроцессы 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 однотипною 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.
5). Исследования в области биотехонологии не требуют крупных капитальных вложений, для их проведения не нужна дорогостоящая аппаратура.
1)новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов для медицины (интерферонов, инсулина, гормонов роста, антител);
2)микробиологических средств защиты растений от болезней и вредите
лей, 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.
Биотехнологический процесс
Тема 1. Введение
1. Цели, задачи, основные биологические объекты биотехнологии. Особенности биотехнологического процесса.
2. Принципы биотехнологии.
Цели, задачи, основные биологические объекты биотехнологии. Особенности биотехнологического процесса
История возникновения и развития биотехнологии
История возникновения и развития биотехнологии включает три этапа.
Биотехнологический процесс
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) Биотехнологическое 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.
5) Исследования в области биотехонологии не требуют крупных капитальных вложений, для их проведения не нужна дорогостоящая аппаратура.
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.
Принципы биотехнологии
1. Принцип экономической обоснованности. Биотехнология внедряется только в те производственные процессы, которые нельзя эффективно и с теми же затратами реализовать средствами традиционной технологии. Аминокислоту лизин можно легко синтезировать химическим путем, но это весьма трудоёмкая процедура, поэтому лизин получают путем микробиологического синтеза.
3. Принцип научной обоснованности биотехнологпческого процесса.Научные знания позволяют заранее провести расчет параметров среды, конструкции биореактора и режима его работ.
Изложенные принципы говорят о двуединой задаче биотехнологии: создание оптимальных условий для синтеза целевого продукта клетками биообъекта и в то же время вести производство в максимально экономическом режиме, при минимальных производственных затратах.
Что такое биотехнология: будущее уже наступило
В последнее десятилетие термин «биотехнология» все чаще появляется в заголовках новостей, а открытия в этой области становятся причиной для жарких споров. Действительно, свое наибольшее развитие наука получила именно в последние годы, и этому в большей степени способствовал технический прогресс, но в повседневной жизни биотехнология используется на протяжении многих веков.
История развития биотехнологии
С древнейших времен биотехнология применялась человеком для изготовления вина, в сыроварении и других вариантах приготовления пищи. Биотехнологический процесс, а именно брожение, использовался еще в древнем Вавилоне для производства пива. Об этом свидетельствуют найденные при раскопках записи на дощечках. Но, несмотря на активное использование этих методов, процессы, лежавшие в основе этих производств, оставались загадкой.
Луи Пастер в 1867 году говорил, что такие процессы, как сквашивание и брожение, есть ничто иное, как итог жизнедеятельности микроорганизмов. Эдуард Бухнер дополнил эти предположения, доказав, что катализатором является бесклеточный экстракт, который содержит ферменты, вызывающие химическую реакцию.
Позже были сделаны сенсационные по тем временам открытия, которые помогли сформировать данную науку в современном ее понимании:
Годом появления термина стал 1919, после публикации манифеста венгерским агроэкономистом Карлом Эреки. Основываясь на имеющиеся в то время данные, под термином биотехнология подразумевалось применение микроорганизмов для ферментации продуктов питания.
Но, как известно, самые интересные открытия совершаются на стыке знаний, в случае биотехнологии, объединились пищевая и нефтеперерабатывающая промышленность. В 1970 году на практике была опробована технология производства белка из отходов нефтепромышленности.
Что такое биотехнология: термин и основные виды
Биотехнология – наука о способах создания различных веществ с использованием естественных биологических компонентов, будь-то микроорганизмы, животные или растительные клетки. По сути, это манипулирование живыми клетками для получения определенных результатов.
Основными направлениями развития науки являются:
Биоинженерия – дисциплина, направленная на расширение знаний в области медицины (лечение, укрепление здоровья) и инженерии
Биомедицина – узкоспециализированный раздел медицины, который с теоретической точки зрения изучает строение человеческого организма, диагностику патологических состояний и возможности их коррекции. Раздел медицины, занимающийся контролем и лечением биологических систем живых организмов на молекулярном уровне, называется наномедициной.
Гибридизация — процесс получения гибридов (растений, животных). В основе лежит принцип получения одной клетки (устойчивой к тем или иным условиям) путем объединения других клеток.
Сейчас у нас уже есть средства необходимые для того, чтобы прожить достаточно долго до тех пор, пока мы не станем бессмертны. Можно агрессивно применять существующие знания, чтобы кардинально замедлить процессы старения, и оставаться в жизнеспособном состоянии до того момента, когда станут доступны совершенно радикальные терапии по продлению жизни с помощью био- и нанотехнологий.
Ray Kurzweil (изобретатель, футуролог)
Высшим достижением биотехнологии является генная инженерия. Генная инженерия – совокупность знаний и технологий получения РНК и ДНК, выделения генов из клеток, осуществление манипуляций с генами и введение их в другие организмы. Это «управление» геномом живого существа или растения с целью получения заданных свойств. Например, руководствуясь знаниями в области генной инженерии, китайские ученые планируют массово применять метод «исправления» генома людей с онкологическими заболеваниями. Однако, запускать полномасштабные проекты пока никто не спешит, т.к. на сегодняшний день невозможно спрогнозировать последствия для организма в долгосрочном периоде.
Особого внимания заслуживает клонирование. Под этим процессом понимают появление нескольких генетических идентичных организмов путем бесполого (в том числе вегетативного) размножения. На сегодняшний день были клонированы не только растения, но и несколько десятков видов животных (овцы, собаки, кошки, лошади). О фактах клонирования человека пока нет данных, хотя, по мнению ученых, с технической стороны – к процессу все готово. Именно эти разработки стали самыми противоречивыми и обсуждаемыми мировой общественностью. Дело не только в вероятности получения неполноценных людей, но и в этической и религиозной стороне вопроса.
Сфера применения
Принципы биотехнологических процессов внедряют в производство всех отраслей:
Основной целью клеточной инженерии является культивирование животных и растительных клеток. Открытия в области клеточной инженерии позволили контролировать и регулировать продуктивность, качество, устойчивость к заболеваниям новых форм и линий животных и растений.
Инвестиции и развитие
Хотя биотехнологию сложно назвать «молодой» наукой, именно сегодня она находится в начале своего развития. Направления и возможности, которые открываются благодаря развитию этих знаний, могут быть бесконечными. Могут, если получат должное финансирование и поддержку. Основными инвестиционными участниками направления являются сами инженеры и биотехнологии, и это вполне объяснимо. Сегодня предлагается не сам продукт, а скорее идея, и возможные методы ее реализации.
И для осуществления этой задумки нужны десятки и сотни экспериментов, опыты и дорогостоящее оборудование. Не каждый инвестор готов идти только за идеей, рискуя своими вложениями. Но ведь не все верили и в мобильную связь, а сегодня она повсюду.
На данный момент число крупных компаний, занимающихся биотехнологическими разработками, невелико. К таковым относятся:
По мнению экспертов, наиболее привлекательным направлением для инвестиций в биотехнологию являются компании, занимающиеся секвенированием. Это общее название методов, которые позволяют установить последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК. Расшифровка ДНК данных (секвенирование), дает возможность идентифицировать участки, которые отвечают за наследственные заболевания, и устранять их. Как только процесс будет доведен до совершенства, люди смогут не лечить симптомы, а избавляться от болезни. Это перевернет наше представление о диагностике, и принесет большие дивиденды тем, кто сумеет рассмотреть потенциал компании еще на этапе идеи.
Биотехнология: добро или зло?
Уже сегодня население планеты сталкивается с проблемой нехватки продуктов питания, и если численность людей продолжит расти, то в ближайшем будущем ситуация может стать критической. Знания о том, что такое биотехнология и как ее применять, помогают получать максимальные результаты урожайности, вне зависимости от внешних факторов. И эти достижения нельзя сбрасывать со счетов. Кроме того, неоспоримым доказательством пользы науки является изобретение антибиотиков, которые позволили контролировать, а в некоторых случаях и полностью искоренять, сотни болезней.
Но далеко не все оценивают науку однозначно. Существуют опасения, что отсутствие контроля может привести к необратимым последствиям. Например, уже сегодня продукты биотехнологии, такие как стероиды для спортсменов, становятся причиной для преждевременных сердечных патологий. В погоне за созданием супер-человека, победившего старость и болезни, общество рискует потерять свое естество.
Мы не остались жить в пещерах. Мы не остаемся в пределах нашей планеты. С помощью биотехнологии, генетического секвенирования, мы даже не собираемся ограничиваться рамками самой биологии.
Jason Silva (оратор, философ, телезвезда).
Развитие биотехнологии стало таким стремительным, что мировые государства столкнулись с проблемой отсутствия контроля на правовом уровне. Это стало причиной приостановления многих проектов, поэтому пока о клонировании человека и победе над смертью говорить преждевременно, и два конфронтационных лагеря могут беспрепятственно поддаваться философским размышлениям.
Биотехнология
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 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.
Содержание
История биотехнологии
Впервые термин «биотехнология» применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году.
Использование в промышленном производстве микроорганизмов или их ферментов, обеспечивающих технологический процесс известны издревле, однако систематизированные научные исследования позволили существенно расширить арсенал методов и средств биотехнологии.
Так, в 1814 году петербургский академик К. С. Кирхгоф (биография) открыл явление биологического катализа и пытался биокаталитическим путём получить сахар из доступного отечественного сырья (до середины XIX века сахар получали только из сахарного тростника). В 1891 году в США японский биохимик Дз. Такамине получил первый патент на использование ферментных препаратов в промышленных целях: учёный предложил применить диастазу для осахаривания растительных отходов.
В начале XX века активно развивалась бродильная и микробиологическая промышленность. В эти же годы были предприняты первые попытки наладить производство антибиотиков, пищевых концентратов, полученных из дрожжей, осуществить контроль ферментации продуктов растительного и животного происхождения.
Первый антибиотик — пенициллин — удалось выделить и очистить до приемлемого уровня в 1940 году, что дало новые задачи: поиск и налаживание промышленного производства лекарственных веществ, продуцируемых микроорганизмами, работа над удешевлением и повышением уровня биобезопасности новых лекарственных препаратов.
Искусственный отбор
Клонирование
Гибридизация
Генная инженерия
Несмотря на то, что первые успешные опыты по трансформации клеток экзогенной ДНК были поставлены ещё в 1940-е года Эйвери, Маклеодом и Маккарти, первый коммерческий препарат человеческого рекомбинантного инсулина был получен только в 1970-е года. Введение чуждых для генома бактериальных клеток генов производят с использованием т. н. векторных ДНК, например плазмиды, присутствующие в бактериальных клетках, а также бактериофаги и другие мобильные генетические элементы могут быть использованы в качестве векторов для переноса экзогенной ДНК в клетку реципиента.
Получить новый ген можно:
После этого обрабатывают векторную молекулу ДНК рестриктазой с целью образования двуцепочечного разрыва и в образовавшуюся «брешь» производится «вклеивание» гена в вектор используя фермент ДНК-лигазу, а затем такими рекомбинантными молекулами трансформируют клетки реципиента, например клетки кишечной палочки. При трансформации с использованием в качестве вектора, например, плазмидной ДНК необходимо, чтобы клетки были компетентными для проникновения экзогенной ДНК в клетку, для чего например используют электропорацию клеток реципиента. После успешного проникновения в клетку экзогенная ДНК начинает реплицироваться и экспрессироваться в клетке.
Трансгенные растения
Трансгенные растения — это те растения, которым «пересажены» гены других организмов.
Картофель, устойчивый к колорадскому жуку, был создан путём введения гена выделенного из генома почвенной тюрингской бациллы Bacillus thuringiensis, вырабатывающий белок Cry, представляющий собой протоксин, в кишечнике насекомых этот белок растворяется и активируется до истинного токсина, губительно действующего на личинок и имаго насекомых, у человека и других теплокровных животных подобная трансформация протоксина невозможна и соответственно этот белок для человека не токсичен и безопасен. Опрыскивание спорами Bacillus thuringiensis использовалось для защиты растений и до получения первого трансгенного растения, но с низкой эффективностью, продукция эндотоксина внутри тканей растения существенно повысило эффективность защиты, а также повысило экономическую эффективность ввиду того, что растение само начало продуцировать защитный белок. Путём трансформации растения картофеля при помощи Agrobacterium tumefaciens были получены растения, синтезирующие этот белок в мезофилле листа и других тканях растения и соответственно непоражаемые колорадским жуком. Данный подход используется и для создания других сельскохозяйственных растений, резистентных к различным видам насекомых.
Трансгенные животные
В качестве трансгенных животных чаще всего используются свиньи. Например, есть свиньи с человеческими генами — их вывели в качестве доноров человеческих органов.
Японские генные инженеры ввели в геном свиней ген шпината, который производит фермент FAD2, способный преобразовывать жирные насыщенные кислоты в линолевую — ненасыщенную жирную кислоту. У модифицированных свиней на 1/5 больше ненасыщенных жирных кислот, чем у обычных. [1]
Зелёные светящиеся свиньи — трансгенные свиньи, выведенные группой исследователей из Национального университета Тайваня путём введения в ДНК эмбриона гена зелёного флуоресцентного белка, позаимствованного у флуоресцирующей медузы Aequorea victoria. Затем эмбрион был имплантирован в матку самки свиньи. Поросята светятся зелёным цветом в темноте и имеют зеленоватый оттенок кожи и глаз при дневном свете. Основная цель выведения таких свиней, по заявлениям исследователей, — возможность визуального наблюдения за развитием тканей при пересадке стволовых клеток.
Биоинженерия
Биоинженерия или биомедицинская инженерия — это дисциплина, направленная на углубление знаний в области инженерии, биологии и медицины и укрепление здоровья человечества за счет междисциплинарных разработок, которые объединяют в себе инженерные подходы с достижениями биомедицинской науки и клинической практики. Биоинженерия/биомедицинская инженерия — это применение технических подходов для решения медицинских проблем в целях улучшения охраны здоровья. Эта инженерная дисциплина направлена на использование знаний и опыта для нахождения и решения проблем биологии и медицины. Биоинженеры работают на благо человечества, имеют дело с живыми системами и применяют передовые технологии для решения медицинских проблем. Специалисты по биомедицинской инженерии могут участвовать в создании приборов и оборудования, в разработке новых процедур на основе междисциплинарных знаний, в исследованиях, направленных на получение новой информации для решения новых задач. Среди важных достижений биоинженерии можно упомянуть разработку искусственных суставов, магниторезонансной томографии, кардиостимуляторов, артроскопии, ангиопластики, биоинженерных протезов кожи, почечного диализа, аппаратов искусственного кровообращения. Более подробную информацию о специальности «Биоинженерия» можно получить на Web-сайте Sloan Career Cornerstone Center в разделе Bioengineering.
Что такое биотехнология?
Как известно, самые интересные открытия совершаются на стыке областей знания.
Одним из наиболее перспективных направлений в естественнонаучных дисциплинах сегодня стала биотехнология, возможности которой пока что изучены довольно слабо. Этот важный раздел биологической науки вполне может стать основой для технологического рывка в ближайшем будущем, сыграв для XXI века ту же роль, какую для ХХ столетия сыграли химия и электроника.
Биотехнология – значение слова
В последние десятилетия слово «биотехнология» всё чаще встречается на страницах СМИ, в телепередачах и в интернете. Впервые о биотехнологиях заговорили в середине 70-х годов ХХ столетия в связи с новыми методиками изготовления лекарственных субстанций – сырья для препаратов, выпускаемых фармакологической промышленностью. С тех пор биотехнологии существенно расширили сферу применения.
Сегодня, говоря о биотехнологии, мы подразумеваем методы производства нужных нам материалов и продуктов с использованием живых организмов, культивируемых в искусственной среде клеток и разнообразных биологических процессов. На текущий момент объектами биотехнологии чаще всего становятся микроорганизмы, а также отдельно взятые клетки животных или растений.
Простейшим примером биотехнологии является изготовление из молока кисломолочных продуктов – кефира, творога и др. – при помощи культур кисломолочных бактерий. Можно вспомнить и о выпекании дрожжевого хлеба с использованием пекарских дрожжей. Эти биотехнологии известны человечеству на протяжении многих веков, но сегодня биологи используют намного более сложные методики, чтобы организовывать необходимые нам процессы.
Для чего нужна биотехнология?
В любой отрасли промышленности добиться нужного результата можно разными способами, но часто биотехнологическое решение поставленной перед учёными задачи оказывается наиболее эффективным, экономичным и безопасным. К примеру, для того, чтобы высечь на мраморе надпись, квалифицированный каменотёс должен трудиться несколько недель.
Однако в Древней Греции для изготовления надписей использовали один из видов улиток, слизь которых обладает повышенной кислотностью. Как известно, мрамор – это кристаллизовавшийся известняк. Проползая по поверхности камня, улитка своей слизью выжигала в нём выемку, и мастеру оставалось лишь направить моллюска в нужную сторону, чтобы быстро и без труда получить желаемую надпись.
Этот пример простейшей биотехнологии прекрасно иллюстрирует все преимущества биологических методов. Биохимические процессы не требуют высокой температуры и давления, не загрязняют окружающую среду и зачастую обходятся намного дешевле традиционных способов. Так, биотехнология сегодня активно используется для обогащения различных руд и добычи редких металлов. Функцию обогатителя выполняют микроорганизмы, которые поглощают нужный металл и накапливают его в своей ткани, а затем отмирают, образуя плотный осадок, из которого уже не составляет труда извлечь необходимый элемент.
Биотехнология позволяет перерабатывать даже очень бедные руды, извлекая из них нужные металлы с высокой точностью и без лишних затрат.
Эти же процессы используются и для эффективной очистки стоков. Если использовать фильтрацию, то очистные сооружения обойдутся очень дорого. Штаммы специально выведенных бактерий извлекают тяжёлые металлы, перерабатывают и делают безопасными нефтепродукты. Очистка стоков не требует затрат: достаточно залить сточные воды в отстойник и запустить туда нужные виды микроорганизмов, а затем подождать, пока вода не осветлится.
Но наиболее часто биотехнология используется для изготовления различных лекарственных препаратов. С её помощью производятся сотни или даже тысячи наименований и групп лекарств: антибиотики, сыворотки, различные вакцины и т.д. Отдельной группой препаратов являются кормовые добавки – аминокислоты, белки и др.
Сферы применения биотехнологии
На текущий момент наиболее активно биотехнологии работают в следующих направлениях:
– производство пищевых продуктов на качественно новой основе;
– разработка и изготовление препаратов, повышающих эффективность сельского хозяйства;
– разработка и изготовление лекарств, вакцин, биодобавок;
– биотехнологии для добывающей промышленности и бытовой сферы;
– изготовление диагностических препаратов и реактивов;
– биотехнология очистки окружающей среды от антропогенных загрязнений.
Существует ещё немало направлений, в которых использование биотехнологии возможно в ближайшей либо отдалённой перспективе.
Направления биотехнологии
Используя живые организмы в своих целях, человек уже сегодня может добывать необходимые вещества, перерабатывать отходы в полезные удобрения, лечить различные болезни и многое другое. Наиболее активно в настоящее время развиваются следующие направления биотехнологии.
– Микробиологический синтез – производство необходимых веществ и субстанций с использованием микроорганизмов. Уже сегодня этот способ используется при производстве спирта, иммобилизованных ферментов и ряда других веществ.
– Генная инженерия – своеобразное «конструирование» генома живого существа с целью получения организма с заданными свойствами. Методы генной инженерии в последние десятилетия произвели буквально революцию в сельском хозяйстве, создав новые, чрезвычайно устойчивые к неблагоприятным внешним явлениям культурные растения.
– Космическая биотехнология – направление, находящееся сегодня в стадии начального развития. Ведутся исследования по применению биотехнологии в космосе, исследуются перспективы получения кристаллических белков и других материалов.
– Биогидрометаллургия – извлечение металла из руды при помощи микроорганизмов. В результате деятельности бактерий образуются растворимые соли металла, которые переходят в раствор, а затем извлекаются и перерабатываются обычным способом.
В недалёком будущем биотехнологические процессы смогут заменить многие грязные производства, сделав окружающий нас мир более привлекательным, безопасным и удобным для жизни.