Dyscypliną badającą, w jaki sposób organizmy są wykorzystywane do rozwiązywania problemów technologicznych, jest biotechnologia. Mówiąc najprościej, jest to nauka zajmująca się badaniem organizmów żywych w poszukiwaniu nowych sposobów zaspokajania ludzkich potrzeb. Na przykład inżynieria genetyczna czy klonowanie to nowe dyscypliny, które z równą aktywnością wykorzystują zarówno organizmy, jak i najnowsze technologie komputerowe.

Biotechnologia: w skrócie

Bardzo często pojęcie „biotechnologii” mylone jest z inżynierią genetyczną, która powstała na przełomie XX i XXI wieku, przy czym biotechnologia odnosi się do szerszej specyfiki pracy. Biotechnologia specjalizuje się w modyfikowaniu roślin i zwierząt poprzez hybrydyzację i sztuczną selekcję dla potrzeb człowieka.

Dyscyplina ta dała ludzkości możliwość poprawy jakości produktów spożywczych, zwiększenia długości życia i produktywności organizmów żywych – oto czym jest biotechnologia.

Do lat 70-tych ubiegłego wieku termin ten używany był wyłącznie w przemyśle spożywczym i rolnictwie. Dopiero w latach 70. XX wieku naukowcy zaczęli używać terminu „biotechnologia” w badaniach laboratoryjnych, takich jak hodowanie żywych organizmów w probówkach czy tworzenie rekombinowanego DNA. Dyscyplina ta opiera się na naukach takich jak genetyka, biologia, biochemia, embriologia, a także robotyka, chemia i technologie informacyjne.

W oparciu o nowe podejścia naukowe i technologiczne opracowano metody biotechnologiczne, które składają się z dwóch głównych stanowisk:

• Wielkoskalowa i głęboka uprawa obiektów biologicznych w okresowym trybie ciągłym.
• Hodowla komórek i tkanek w specjalnych warunkach.

Nowe metody biotechnologiczne umożliwiają manipulowanie genami, tworzenie nowych organizmów czy zmianę właściwości istniejących żywych komórek. Umożliwia to pełniejsze wykorzystanie potencjału organizmów i ułatwia działalność gospodarczą człowieka.

Historia biotechnologii

Bez względu na to, jak dziwnie to zabrzmi, biotechnologia ma swoje korzenie w odległej przeszłości, kiedy ludzie dopiero zaczynali zajmować się produkcją wina, pieczeniem i innymi metodami gotowania. Na przykład biotechnologiczny proces fermentacji, w którym aktywnie uczestniczą mikroorganizmy, był znany już w starożytnym Babilonie, gdzie był szeroko stosowany.

Biotechnologię zaczęto uznawać za naukę dopiero na początku XX wieku. Jej założycielem był francuski naukowiec, mikrobiolog Louis Pasteur, a samo określenie po raz pierwszy wprowadził do użytku węgierski inżynier Karl Ereki (1917). Wiek XX naznaczony był szybkim rozwojem biologii molekularnej i genetyki, gdzie aktywnie wykorzystywano osiągnięcia chemii i fizyki. Jednym z kluczowych etapów badań było opracowanie metod hodowli żywych komórek. Początkowo do celów przemysłowych zaczęto hodować jedynie grzyby i bakterie, jednak po kilkudziesięciu latach naukowcy są w stanie stworzyć dowolne komórki, całkowicie kontrolując ich rozwój.

Na początku XX wieku aktywnie rozwijał się przemysł fermentacyjny i mikrobiologiczny. W tym czasie podjęto pierwsze próby założenia produkcji antybiotyków. Opracowywane są pierwsze koncentraty spożywcze, monitorowany jest poziom enzymów w produktach pochodzenia zwierzęcego i roślinnego. W 1940 roku naukowcom udało się uzyskać pierwszy antybiotyk – penicylinę. Stało się to impulsem do rozwoju przemysłowej produkcji leków, wyłoniła się cała gałąź przemysłu farmaceutycznego, będąca jedną z komórek współczesnej biotechnologii.

Obecnie biotechnologie znajdują zastosowanie w przemyśle spożywczym, medycynie, rolnictwie i wielu innych obszarach działalności człowieka. W związku z tym pojawiło się wiele nowych kierunków naukowych z przedrostkiem „bio”.

Bioinżynieria

Na pytanie, czym jest biotechnologia, większość populacji bez wątpienia odpowie, że jest to nic innego jak inżynieria genetyczna. Jest to częściowo prawdą, ale inżynieria jest tylko częścią szerokiej dyscypliny biotechnologii.

Bioinżynieria to dyscyplina, której głównym przedmiotem działalności jest poprawa zdrowia człowieka poprzez łączenie wiedzy z dziedzin inżynierii, medycyny, biologii i zastosowanie jej w praktyce. Pełna nazwa tej dyscypliny to inżynieria biomedyczna. Jej główną specjalizacją jest rozwiązywanie problemów medycznych. Zastosowanie biotechnologii w medycynie umożliwia modelowanie, opracowywanie i badanie nowych substancji, opracowywanie leków, a nawet uratowanie człowieka przed chorobami wrodzonymi przenoszonymi przez DNA. Specjaliści w tej dziedzinie mogą tworzyć urządzenia i sprzęt do przeprowadzania nowych procedur. Dzięki zastosowaniu biotechnologii w medycynie opracowano sztuczne stawy, rozruszniki serca, protezy skóry i płuco-serce. Przy pomocy nowych technologii komputerowych bioinżynierowie mogą tworzyć białka o nowych właściwościach, korzystając z symulacji komputerowych.

Biomedycyna i farmakologia

Rozwój biotechnologii umożliwił nowe spojrzenie na medycynę. Opracowując podstawy teoretyczne dotyczące organizmu człowieka, specjaliści w tej dziedzinie mają możliwość wykorzystania nanotechnologii do zmiany układów biologicznych. Rozwój biomedycyny dał impuls do pojawienia się nanomedycyny, której głównym zadaniem jest monitorowanie, korygowanie i projektowanie żywych systemów na poziomie molekularnym. Na przykład ukierunkowane dostarczanie leków. Nie jest to przesyłka kurierska z apteki do Twojego domu, ale przeniesienie leku bezpośrednio do chorej komórki organizmu.

Rozwija się także biofarmakologia. Bada wpływ, jaki substancje pochodzenia biologicznego lub biotechnologicznego wywierają na organizm. Badania w tym obszarze wiedzy skupiają się na badaniu biofarmaceutyków i opracowywaniu metod ich tworzenia. W biofarmakologii środki lecznicze uzyskuje się z żywych układów biologicznych lub tkanek organizmu.

Bioinformatyka i bionika

Ale biotechnologia to nie tylko badanie cząsteczek tkanek i komórek organizmów żywych, to także zastosowanie technologii komputerowej. W ten sposób ma miejsce bioinformatyka. Obejmuje zestaw podejść, takich jak:

• Bioinformatyka genomowa. Oznacza to metody analizy komputerowej stosowane w genomice porównawczej.
• Bioinformatyka strukturalna. Opracowanie programów komputerowych przewidywających strukturę przestrzenną białek.
• Obliczenie. Tworzenie metodologii obliczeniowych umożliwiających sterowanie systemami biologicznymi.

W tej dyscyplinie metody matematyczne, rachunkowe i informatyki stosowane są łącznie z metodami biologicznymi. Tak jak w biologii wykorzystuje się techniki informatyki i matematyki, tak w naukach ścisłych można dziś wykorzystać doktrynę organizacji organizmów żywych. Podobnie jak w bionice. Jest to nauka stosowana, w której zasady i struktury żywej przyrody są wykorzystywane w urządzeniach technicznych. Można powiedzieć, że jest to swego rodzaju symbioza biologii i technologii. Podejścia dyscyplinarne w bionice pozwalają spojrzeć na biologię i technologię z nowej perspektywy. Bionika badała podobieństwa i różnice między tymi dyscyplinami. Dyscyplina ta ma trzy podtypy - biologiczny, teoretyczny i techniczny. Bionika biologiczna bada procesy zachodzące w układach biologicznych. Bionika teoretyczna buduje modele matematyczne biosystemów. A bionika techniczna wykorzystuje osiągnięcia bioniki teoretycznej do rozwiązywania różnych problemów.

Jak widać osiągnięcia biotechnologii są powszechne we współczesnej medycynie i służbie zdrowia, ale to dopiero wierzchołek góry lodowej. Jak już wspomniano, biotechnologia zaczęła się rozwijać od momentu, gdy człowiek zaczął przygotowywać własną żywność, a następnie była szeroko stosowana w rolnictwie do uprawy nowych roślin hodowlanych i hodowli nowych ras zwierząt domowych.

Inżynieria komórkowa

Jedną z najważniejszych technik w biotechnologii jest inżynieria genetyczna i komórkowa, która koncentruje się na tworzeniu nowych komórek. Za pomocą tych narzędzi ludzkość była w stanie stworzyć żywotne komórki z zupełnie różnych elementów należących do różnych gatunków. W ten sposób powstaje nowy zestaw genów, który nie występuje w naturze. Inżynieria genetyczna umożliwia człowiekowi uzyskanie pożądanych cech ze zmodyfikowanych komórek roślinnych lub zwierzęcych.

Szczególnie cenione są osiągnięcia inżynierii genetycznej w rolnictwie. Umożliwia to hodowlę roślin (lub zwierząt) o ulepszonych właściwościach, tzw. gatunków selektywnych. Działalność hodowlana polega na selekcji zwierząt lub roślin o wyraźnych korzystnych cechach. Organizmy te następnie krzyżuje się i otrzymuje się hybrydę o wymaganej kombinacji przydatnych cech. Oczywiście wszystko brzmi prosto w słowach, ale uzyskanie pożądanej hybrydy jest dość trudne. W rzeczywistości możliwe jest uzyskanie organizmu posiadającego tylko jeden lub kilka korzystnych genów. Oznacza to, że do materiału źródłowego dodano tylko kilka dodatkowych cech, ale nawet to pozwoliło zrobić ogromny krok w rozwoju rolnictwa.

Selekcja i biotechnologia umożliwiły rolnikom zwiększenie plonów, uzyskanie owoców większych, smaczniejszych i co najważniejsze, odpornych na mróz. Selekcja nie omija sektora hodowlanego. Co roku pojawiają się nowe rasy zwierząt domowych, które mogą zapewnić więcej bydła i pożywienia.

Osiągnięcia

Naukowcy wyróżniają trzy fale w tworzeniu roślin hodowlanych:

1. Późne lata 80-te. To wtedy naukowcy po raz pierwszy zaczęli hodować rośliny odporne na wirusy. Aby tego dokonać, pobrali jeden gen z gatunku odpornego na choroby, „przeszczepili” go do struktury DNA innych roślin i sprawili, że „działał”.
2. Początek XXI wieku. W tym okresie zaczęto tworzyć rośliny o nowych właściwościach konsumenckich. Na przykład o dużej zawartości olejów, witamin itp.
3. Nasze dni. W ciągu najbliższych 10 lat naukowcy planują wprowadzić na rynek wytwórnie szczepionek, wytwórnie leków i zakłady bioodzysku, które będą produkować komponenty do tworzyw sztucznych, barwniki itp.

Nawet w hodowli zwierząt obietnice biotechnologii są ekscytujące. Od dawna stworzono zwierzęta, które mają gen transgeniczny, to znaczy posiadają jakiś funkcjonalny hormon, na przykład hormon wzrostu. Ale to były dopiero wstępne eksperymenty. W wyniku badań uzyskano transgeniczne kozy, które potrafią wytwarzać białko zatrzymujące krwawienie u pacjentów cierpiących na słabe krzepnięcie krwi.

Pod koniec lat 90. ubiegłego wieku amerykańscy naukowcy rozpoczęli ścisłą współpracę nad klonowaniem komórek zarodków zwierzęcych. Umożliwiłoby to hodowlę zwierząt w probówkach, jednak na razie metoda ta wymaga jeszcze udoskonalenia. Ale w ksenotransplantacji (przeszczepianiu narządów z jednego gatunku na drugi) naukowcy zajmujący się biotechnologią stosowaną osiągnęli znaczny postęp. Jako dawcy można wykorzystać na przykład świnie z ludzkim genomem, wówczas ryzyko odrzucenia jest minimalne.

Biotechnologia żywności

Jak już wspomniano, w produkcji żywności początkowo stosowano biotechnologiczne metody badawcze. Jogurty, zakwasy, piwo, wino, wyroby piekarnicze to produkty otrzymywane w drodze biotechnologii żywności. Ten segment badań obejmuje procesy mające na celu zmianę, ulepszenie lub stworzenie określonych cech organizmów żywych, zwłaszcza bakterii. Specjaliści z tej dziedziny wiedzy opracowują nowe techniki wytwarzania różnorodnych produktów spożywczych. Poszukują i udoskonalają mechanizmy i metody ich przygotowania.

Jedzenie, które człowiek spożywa każdego dnia powinno być bogate w witaminy, minerały i aminokwasy. Jednak na dzień dzisiejszy, zdaniem ONZ, istnieje problem zapewnienia ludziom żywności. Prawie połowa populacji nie ma wystarczającej ilości żywności, 500 milionów głoduje, a jedna czwarta światowej populacji spożywa żywność niewystarczającej jakości.

Obecnie na planecie żyje 7,5 miliarda ludzi i jeśli nie zostaną podjęte działania mające na celu poprawę jakości i ilości żywności, jeśli nie zostaną podjęte, mieszkańcy krajów rozwijających się poniosą niszczycielskie konsekwencje. A jeśli możliwe jest zastąpienie lipidów, minerałów, witamin, przeciwutleniaczy produktami biotechnologii żywności, zastąpienie białka jest prawie niemożliwe. Ponad 14 milionów ton białka rocznie nie wystarcza na zaspokojenie potrzeb ludzkości. Ale tu z pomocą przychodzi biotechnologia. Współczesna produkcja białek opiera się na sztucznym tworzeniu włókien białkowych. Zaimpregnowano je niezbędnymi substancjami, nadano im kształt, odpowiedni kolor i zapach. Takie podejście umożliwia zastąpienie niemal każdego białka. A smak i wygląd nie różnią się od produktu naturalnego.

Klonowanie

Ważnym obszarem wiedzy we współczesnej biotechnologii jest klonowanie. Od kilkudziesięciu lat naukowcy próbują stworzyć identyczne potomstwo bez uciekania się do rozmnażania płciowego. W wyniku procesu klonowania powinien powstać organizm podobny do rodzica nie tylko pod względem wyglądu, ale także informacji genetycznej.

W naturze proces klonowania jest powszechny wśród niektórych żywych organizmów. Jeśli dana osoba urodzi identyczne bliźnięta, można je uznać za naturalne klony.

Po raz pierwszy klonowanie przeprowadzono w 1997 r., kiedy sztucznie stworzono owcę Dolly. Już pod koniec XX wieku naukowcy zaczęli mówić o możliwości klonowania ludzi. Ponadto zbadano koncepcję częściowego klonowania. Oznacza to, że możliwe jest odtworzenie nie całego organizmu, ale jego poszczególnych części lub tkanek. Jeśli udoskonalisz tę metodę, możesz pozyskać „idealnego dawcę”. Ponadto klonowanie pomoże zachować rzadkie gatunki zwierząt lub przywrócić wymarłe populacje.

Aspekt moralny

Chociaż podstawy biotechnologii mogą mieć decydujący wpływ na rozwój całej ludzkości, to naukowe podejście jest źle odbierane przez społeczeństwo. Przytłaczająca większość współczesnych przywódców religijnych (i niektórzy naukowcy) próbuje ostrzec biotechnologów przed nadmiernym dawaniem się ponieść swoim badaniom. Jest to szczególnie dotkliwe, jeśli chodzi o zagadnienia inżynierii genetycznej, klonowania i sztucznego rozmnażania.

Z jednej strony biotechnologia wydaje się jasną gwiazdą, marzeniem i nadzieją, która stanie się rzeczywistością w nowym świecie. W przyszłości nauka ta da ludzkości wiele nowych możliwości. Możliwe stanie się pokonanie śmiertelnych chorób, problemy fizyczne zostaną wyeliminowane, a człowiek prędzej czy później będzie mógł osiągnąć ziemską nieśmiertelność. Chociaż z drugiej strony na pulę genową może wpływać ciągłe spożywanie produktów genetycznie modyfikowanych lub pojawienie się ludzi, którzy zostali sztucznie stworzeni. Pojawi się problem zmiany struktur społecznych i prawdopodobnie będziemy musieli stawić czoła tragedii faszyzmu medycznego.

To właśnie jest biotechnologia. Nauka, która może zapewnić ludzkości wspaniałe perspektywy poprzez tworzenie, zmianę lub udoskonalanie komórek, żywych organizmów i systemów. Będzie mogła dać człowiekowi nowe ciało, a marzenie o życiu wiecznym stanie się rzeczywistością. Ale za to trzeba będzie zapłacić znaczną cenę.

Koncepcja biotechnologii

Definicja 1

Biotechnologia jest nauką badającą możliwość wykorzystania żywych organizmów lub produktów ich metabolizmu do rozwiązywania problemów technologicznych.

Przy pomocy biotechnologii zaspokajane są określone potrzeby, takie jak rozwój leków, tworzenie nowych gatunków zwierząt i roślin czy ich modyfikacja, co pozwala na podniesienie jakości produktów spożywczych.

Jako nauka biotechnologia powstała na początku lat 70. XX wieku. Punktem wyjścia była inżynieria genetyczna, kiedy naukowcom udało się przenieść materiał genetyczny z jednego organizmu do drugiego bez procesów seksualnych, przy użyciu rekombinowanego DNA lub RNA. Metodę tę stosuje się w celu ulepszenia lub zmiany konkretnego organizmu.

Biotechnologia we współczesnej medycynie

Biotechnologie stosowane w medycynie dzielą się na dwie grupy:

• diagnostyczne, które mają charakter chemiczny i fizyczny
• leczniczy

Do procesów medycznych zalicza się także procesy produkcyjne, podczas których powstają przedmioty biologiczne lub substancje do celów medycznych. Mogą to być witaminy. Enzymy, antybiotyki, polisacharydy, aminokwasy.

W medycynie biotechnologię wykorzystuje się do produkcji insuliny, do produkcji której wykorzystuje się bakterie modyfikowane genetycznie. Biotechnologię w medycynie wykorzystuje się także do tworzenia erytropoetyny.

Notatka 1

Erytropoetyna jest hormonem stymulującym tworzenie czerwonych krwinek w szpiku kostnym.

Biotechnologia we współczesnej nauce

Zastosowanie biotechnologii we współczesnej nauce odgrywa istotną rolę i przynosi ogromne korzyści. W wyniku odkrycia inżynierii genetycznej możliwe stało się opracowanie nowych odmian roślin i ras zwierząt, które byłyby bardzo przydatne w rolnictwie.

Studia na kierunku biotechnologia nie są kojarzone wyłącznie z naukami biologicznymi. Na przykład biotechnologię wykorzystuje się w mikroelektronice, gdzie opracowano tranzystory jonoselektywne w oparciu o efekt pola. Biotechnologie wykorzystuje się także w celu zwiększenia wydobycia ropy ze złóż ropy. Szczególnie rozwiniętym obszarem zastosowań biotechnologii jest ich zastosowanie do oczyszczania wody bytowej i ścieków. Oprócz wymienionych, do rozwoju biotechnologii przyczyniły się także inne dyscypliny naukowe. Dlatego biotechnologia jest klasyfikowana jako nauka złożona.

Brak potrzeb społeczno-ekonomicznych to kolejny powód aktywnego studiowania biotechnologii. Według naukowców biotechnologia może pomóc w rozwiązaniu problemów takich jak:

• niedobory świeżej lub oczyszczonej wody w niektórych regionach
• zanieczyszczenie środowiska substancjami chemicznymi
• brak zasobów energii
• zapotrzebowanie na nowe materiały przyjazne dla środowiska
• podniesienie poziomu medycyny itp.

Nowoczesne biotechnologie: zastosowanie w praktyce, zagadnienia etyczne

Biotechnologia to nie tylko nauka, ale także dziedzina praktycznej działalności człowieka, która zajmuje się wytwarzaniem różnego rodzaju produktów z wykorzystaniem żywych komórek lub organizmów.

Genetyka jest teoretyczną podstawą biotechnologii. Praktyczną podstawą biotechnologii jest przemysł mikrobiologiczny. To z kolei otrzymało aktywny rozwój po odkryciu antybiotyków.

Przedmiotem biotechnologii są bakterie, wirusy, grzyby, a także izolowane komórki i organelle.

Głównymi obszarami współczesnej biotechnologii są inżynieria genetyczna i komórkowa w połączeniu z biochemią.

Inżynieria komórkowa to proces hodowania komórek różnych żywych organizmów w specjalnie stworzonych warunkach, a także badania nad nimi.

Najbardziej udaną dziedziną jest inżynieria komórkowa roślin, która umożliwiła przyspieszenie procesów hodowlanych, w wyniku czego czas opracowania nowej odmiany został skrócony z 11 do 3 lat.

Definicja 2

Inżynieria genetyczna to dziedzina biologii molekularnej zajmująca się badaniem genów organizmów żywych, izolowaniem genów z komórek, a także manipulowaniem nimi. Enzymy i wektory są głównymi narzędziami inżynierii genetycznej.

Klonowanie to proces uzyskiwania potomków całkowicie identycznych z prototypem. Pierwsze doświadczenia przeprowadzono na roślinach, klonowanie odbywało się wegetatywnie.

Klonowanie bakterii to kontrolowany przez człowieka proces sztucznego rozmnażania roślin.

Pod koniec XX wieku naukowcy zaczęli aktywnie dyskutować nad możliwością klonowania ludzi.

Inżynieria genetyczna zajmuje się badaniami nad mikroorganizmami i człowiekiem. Zajmuje się także chorobami związanymi z onkologią i układem odpornościowym.

Potencjał, jaki otwiera biotechnologia, jest ogromny nie tylko dla nauki, ale także dla innych obszarów działalności. Zastosowanie metod biotechnologicznych umożliwiło masową produkcję wszystkich białek.

Oczekuje się, że w przyszłości biotechnologia ulepszy rośliny i zwierzęta. Przy pomocy inżynierii genetycznej będą walczyć z chorobami dziedzicznymi.

Inżynieria genetyczna, będąca głównym kierunkiem biotechnologii, przyspiesza rozwiązanie problemu kryzysów rolnego, energetycznego i żywnościowego.

Uwaga 2

Biotechnologia ma największy wpływ na medycynę i farmaceutykę. Oczekuje się, że w przyszłości możliwe będzie leczenie chorób nieuleczalnych.

We współczesnej biotechnologii aktywnie rozwija się dziedzina mikrobiologicznej syntezy substancji cennych dla człowieka. Kolejnym ważnym obszarem współczesnej biotechnologii jest produkcja energii przyjaznej dla środowiska.

Istnieje jednak szereg problemów związanych z etyczną stroną badań biotechnologicznych. Po upublicznieniu informacji o eksperymentach na ludzkich embrionach i próbach klonowania, wśród naukowców i zwykłych ludzi rozgorzała gorąca dyskusja na ten temat. Dlatego tego typu badania podlegają ścisłym regulacjom. Przestrzeganie tego rozporządzenia jest obowiązkowe dla wszystkich naukowców i badaczy. To, czy warto klonować osobę, jest złożonym pytaniem. Z jednej strony otwiera to nowe możliwości, z drugiej jednak żaden naukowiec nie jest w stanie przewidzieć możliwych konsekwencji ze 100% pewnością.

Historia biotechnologii

Terminu „biotechnologia” po raz pierwszy użył węgierski inżynier Karl Ereky w 1917 r.

Pewne elementy biotechnologii pojawiły się dość dawno temu. Zasadniczo były to próby wykorzystania pojedynczych komórek (mikroorganizmów) i niektórych enzymów w produkcji przemysłowej do ułatwienia szeregu procesów chemicznych.

Ogromny wkład w praktyczne wykorzystanie osiągnięć biochemii wniósł akademik A. N. Bakh, który stworzył ważną gałąź biochemii stosowanej - biochemię techniczną. A. N. Bach i jego uczniowie opracowali wiele zaleceń dotyczących udoskonalania technologii przetwarzania szerokiej gamy surowców biochemicznych, doskonalenia technologii pieczenia, warzenia, winiarstwa, produkcji herbaty i tytoniu itp., a także zaleceń dotyczących zwiększania plonu roślin uprawnych poprzez zarządzanie nimi poprzez procesy biochemiczne.

Wszystkie te badania, a także postęp przemysłu chemicznego i mikrobiologicznego oraz utworzenie nowej przemysłowej produkcji biochemicznej (herbata, tytoń itp.) Były najważniejszymi przesłankami powstania nowoczesnej biotechnologii.

Pod względem produkcyjnym przemysł mikrobiologiczny stał się podstawą biotechnologii w procesie jej powstawania. W latach powojennych przemysł mikrobiologiczny nabył zasadniczo nowe cechy: mikroorganizmy zaczęto wykorzystywać nie tylko jako środek zwiększający intensywność procesów biochemicznych, ale także jako miniaturowe fabryki syntetyczne zdolne do syntezy najcenniejszych i najbardziej złożonych związków chemicznych w środku ich komórki. Punkt zwrotny związany był z odkryciem i rozpoczęciem produkcji antybiotyków.

Zastosowanie enzymów – katalizatorów biologicznych – jest rzeczą bardzo kuszącą. Przecież w wielu swoich właściwościach, przede wszystkim aktywności i selektywności działania (specyficzności), znacznie przewyższają katalizatory chemiczne. Enzymy zapewniają przebieg reakcji chemicznych bez wysokich temperatur i ciśnień oraz przyspieszają je miliony i miliardy razy. Co więcej, każdy enzym katalizuje tylko jedną konkretną reakcję.

Enzymy są stosowane w przemyśle spożywczym i cukierniczym od dawna: wiele z pierwszych patentów z początku stulecia dotyczyło produkcji enzymów specjalnie do tych celów. Jednak wymagania wobec tych leków nie były wówczas zbyt wysokie – w zasadzie do produkcji nie używano czystych enzymów, ale różne ekstrakty lub zniszczone i wysuszone komórki drożdży lub niższych grzybów. Enzymy (a właściwie preparaty je zawierające) wykorzystywano także w przemyśle tekstylnym do bielenia i obróbki przędzy i nici bawełnianych.

Możliwe metody wykorzystania masowej kultury glonów.

Katalizatory biologiczne można stosować także bez ekstrakcji ich z organizmów żywych, np. bezpośrednio w komórkach bakterii. W rzeczywistości metoda ta jest podstawą każdej produkcji mikrobiologicznej i jest stosowana od dawna.

O wiele bardziej kuszące jest stosowanie czystych preparatów enzymatycznych i tym samym pozbycie się reakcji ubocznych, które towarzyszą życiowej działalności mikroorganizmów. Stworzenie produkcji, w której jako odczynnik wykorzystuje się katalizator biologiczny w czystej postaci, obiecuje bardzo duże korzyści - zwiększa się produktywność, produktywność i czystość procesów wzrastają wiele tysięcy razy. Ale tutaj pojawia się zasadnicza trudność: wiele enzymów po usunięciu z komórki bardzo szybko ulega inaktywacji i zniszczeniu. O wielokrotnym użyciu nie można mówić.

Naukowcy znaleźli rozwiązanie problemu. W celu stabilizacji, czyli jak to się mówi, unieruchomienia enzymów, aby były stabilne, nadające się do wielokrotnego, długotrwałego stosowania przemysłowego, enzymy przyłącza się za pomocą silnych wiązań chemicznych do nierozpuszczalnych lub rozpuszczalnych nośników - polimerów jonowymiennych, poliorganosiloksanów, porowatych szkło, polisacharydy itp. itp. Dzięki temu enzymy stają się stabilne i można je wielokrotnie stosować. (Pomysł ten został następnie przeniesiony do mikrobiologii - powstał pomysł unieruchomienia żywych komórek. Czasem bardzo potrzebne jest, aby w procesie syntezy mikrobiologicznej nie zanieczyszczały środowiska, nie mieszały się z syntetyzowanymi przez nie produktami i w ogóle były bardziej jak odczynniki chemiczne.I takie unieruchomione komórki powstały, z powodzeniem wykorzystuje się je np. w syntezie hormonów steroidowych – cennych leków).

Opracowanie metody zwiększania stabilności enzymów znacznie poszerza możliwości ich zastosowania. Za pomocą enzymów można np. otrzymać cukier z odpadów roślinnych i proces ten będzie opłacalny ekonomicznie. Powstał już pilotażowy zakład ciągłej produkcji cukru z błonnika.

Immobilizowane enzymy wykorzystuje się także w medycynie. Tak więc w naszym kraju opracowano unieruchomiony lek streptokinazy do leczenia chorób sercowo-naczyniowych (lek nazywa się „streptodekazą”). Lek ten można wstrzykiwać do naczyń krwionośnych w celu rozpuszczenia powstałych w nich skrzepów krwi. Rozpuszczalna w wodzie matryca polisacharydowa (do klasy polisacharydów zalicza się, jak wiadomo, skrobię i celulozę, wybrany nośnik polimerowy był do nich zbliżony budową), do której chemicznie „przyłączona” jest streptokinaza, znacząco zwiększa stabilność enzymu, zmniejsza jego toksyczność i działanie alergiczne oraz nie wpływa na aktywność ani zdolność enzymu do rozpuszczania skrzepów krwi.

Substraty do otrzymywania białek jednokomórkowych dla różnych klas mikroorganizmów.

Tworzenie immobilizowanych enzymów, tzw. enzymologia inżynierska, to jedna z nowych dziedzin biotechnologii. Osiągnięto dopiero pierwsze sukcesy. Jednak znacząco zmieniły mikrobiologię stosowaną, biochemię techniczną i przemysł enzymatyczny. Po pierwsze, w przemyśle mikrobiologicznym istotny stał się rozwój produkcji enzymów o różnym charakterze i właściwościach. Po drugie, pojawiły się nowe obszary produkcji związane z produkcją immobilizowanych enzymów. Po trzecie, tworzenie nowych preparatów enzymatycznych otworzyło możliwość zorganizowania szeregu nowych gałęzi przemysłu w celu uzyskania niezbędnych substancji za pomocą katalizatorów biologicznych.

Plazmidy

Największe sukcesy osiągnięto w dziedzinie zmiany aparatu genetycznego bakterii. Nauczyli się wprowadzać nowe geny do genomu bakterii za pomocą małych, okrągłych cząsteczek DNA – plazmidów obecnych w komórkach bakteryjnych. Niezbędne geny „wkleja się” do plazmidów, a następnie takie hybrydowe plazmidy dodaje się do hodowli bakterii, np. Escherichia coli. Niektóre z tych bakterii całkowicie zjadają takie plazmidy. Następnie plazmid zaczyna replikować się w komórce, odtwarzając dziesiątki swoich kopii w komórce E. coli, co zapewnia syntezę nowych białek.

Inżynieria genetyczna

Teraz stworzono i powstają jeszcze bardziej pomysłowe metody wprowadzania genów do komórki prokariotów (organizmów, które nie mają utworzonego jądra i aparatu chromosomowego). Następnym w kolejce jest rozwój metod wprowadzania nowych genów do komórek eukariotycznych, przede wszystkim roślin wyższych i organizmów zwierzęcych.

Jednak to, co udało się już osiągnąć, pozwala nam wiele zdziałać w praktyce gospodarki narodowej. Możliwości produkcji mikrobiologicznej znacznie się rozwinęły. Dzięki inżynierii genetycznej dziedzina syntezy mikrobiologicznej różnych związków biologicznie aktywnych, półproduktów do syntezy, białek paszowych i dodatków oraz innych substancji stała się jedną z najbardziej dochodowych nauk: inwestowanie w obiecujące badania biotechnologiczne obiecuje wysoki efekt ekonomiczny.

Do pracy hodowlanej, niezależnie od tego, czy jest ona prowadzona z wykorzystaniem mutagenezy, czy „przemysłu DNA”, naukowcy muszą posiadać liczne kolekcje mikroorganizmów. Ale teraz nawet izolacja nowego szczepu naturalnych mikroorganizmów, nieznanego wcześniej nauce, kosztuje około 100 dolarów na światowym „rynku kultur bakteryjnych”. Aby uzyskać dobrą odmianę przemysłową przy użyciu konwencjonalnych metod hodowli, czasami trzeba wydać miliony.

Obecnie istnieją sposoby na przyspieszenie i obniżenie kosztów tych procesów. Na przykład w Ogólnounijnym Instytucie Badawczym Genetyki i Selekcji Mikroorganizmów Glavmicrobioprom uzyskano przemysłowy szczep superproducenta mikroorganizmu, który syntetyzuje treoninę, niezbędny aminokwas występujący w niewystarczających ilościach w paszy zwierząt hodowlanych. Dodatek treoniny do pasz zwiększa przyrost masy ciała zwierząt o kilogramy, co w skali kraju przekłada się na wielomilionowe zyski, a co najważniejsze, wzrost produkcji mięsa zwierzęcego.

Zespół naukowców instytutu, kierowany przez dyrektora V. G. Debabova, jako podstawę do uzyskania szczepu przemysłowego wykorzystał pospolity mikroorganizm Escherichia coli, wszechobecny. Najpierw uzyskano zmutowane komórki, które były zdolne do gromadzenia nadmiaru treoniny w pożywce. Następnie w komórce wywołano zmiany genetyczne, które doprowadziły do ​​wzmożonej biosyntezy aminokwasów. W ten sposób udało się uzyskać szczep wytwarzający treoninę, ale w ilości 10 razy mniejszej niż wymagana była ze względu na opłacalność produkcji. Następnie wprowadzono metody inżynierii genetycznej. Za ich pomocą zwiększono „dawkę genu treoniny” w cząsteczce bakteryjnego DNA. Co więcej, liczba genów odpowiedzialnych za syntezę treoniny wzrosła kilkakrotnie w cząsteczce DNA komórki: w cząsteczce DNA okazało się, że identyczne geny są nawleczone jeden po drugim. Naturalnie biosynteza treoniny wzrosła proporcjonalnie i osiągnęła poziom wystarczający do produkcji przemysłowej.

To prawda, że ​​​​po tym szczep musiał zostać ulepszony i ponownie genetycznie. Po pierwsze, w celu oczyszczenia kultury bakteryjnej z komórek, w których w procesie namnażania kultury zanikły plazmidy z „genem treoniny”. W tym celu do komórek „wszywano” gen zawierający zakodowany sygnał „samobójstwa” komórek, w których po podziale nie było plazmidów z „genem treoniny”. W ten sposób kultura komórkowa samooczyściła się z mikroorganizmów balastowych. Następnie do komórek wprowadzono gen, dzięki któremu mogła ona rozwijać się na sacharozie (a nie jak poprzednio drogiej glukozie i fruktozie) i wytwarzać rekordowe ilości treoniny.

Zasadniczo powstały mikroorganizm nie był już Escherichia coli: manipulacje przy jego aparacie genetycznym doprowadziły do ​​​​powstania zasadniczo nowego organizmu, zaprojektowanego całkiem świadomie i celowo. A ta złożona, wieloetapowa praca, mająca ogromne znaczenie praktyczne, została przeprowadzona przy użyciu nowych, oryginalnych metod inżynierii genetycznej w bardzo krótkim czasie – zaledwie w ciągu trzech lat.

Do 1981 roku w szeregu instytutów w kraju, a przede wszystkim w Instytucie Chemii Bioorganicznej im. M. M. Shemyakina z Akademii Nauk ZSRR pod przewodnictwem akademika Yu.A. Ovchinikowa wykonano jeszcze bardziej imponującą pracę. Badania te przybrały obecnie formę jasnych, długoterminowych programów, zgodnie z którymi są dalej rozwijane przez szereg instytutów akademickich i branżowych. Badania te miały na celu dokonanie prawdziwego cudu - wprowadzenie do komórki bakteryjnej genu wyizolowanego z organizmu ludzkiego.

Prace prowadzono z kilkoma genami jednocześnie: genem odpowiedzialnym za syntezę hormonu insuliny, genem zapewniającym powstawanie interferonu oraz genem kontrolującym syntezę hormonu wzrostu.

Przede wszystkim naukowcy postawili sobie za zadanie „nauczyć” bakterie syntezy najcenniejszego leku – hormonu insuliny. Insulina jest niezbędna w leczeniu cukrzycy. Hormon ten należy podawać pacjentom stale, a jego produkcja metodą tradycyjną (z trzustki bydła rzeźnego) jest trudna i kosztowna. Ponadto cząsteczki insuliny świńskiej lub bydlęcej różnią się od cząsteczek insuliny ludzkiej i naturalnie ich aktywność w organizmie człowieka jest niższa niż aktywność insuliny ludzkiej. Ponadto insulina, choć niewielkich rozmiarów, nadal jest białkiem, a przeciwciała przeciwko niej z biegiem czasu gromadzą się w organizmie człowieka: organizm walczy z obcymi białkami i odrzuca je. Dlatego wstrzyknięta insulina bydlęca lub świńska może zacząć być nieodwracalnie inaktywowana, neutralizowana przez te przeciwciała, a w rezultacie może zniknąć, zanim zdąży wywołać efekt terapeutyczny. Aby temu zapobiec, należy wprowadzić do organizmu substancje, które utrudniają ten proces, ale one same nie są dla organizmu obojętne.

Insulina ludzka może być wytwarzana w drodze syntezy chemicznej. Jednak synteza ta jest na tyle złożona i kosztowna, że ​​przeprowadzono ją wyłącznie w celach doświadczalnych, a uzyskane ilości insuliny nie wystarczały nawet na jeden zastrzyk. Była to raczej synteza symboliczna, dowód na to, że chemicy potrafią zsyntetyzować prawdziwe białko w probówce.

Biorąc to wszystko pod uwagę, naukowcy postawili sobie tak złożone i bardzo ważne zadanie - ustalenie biochemicznej produkcji insuliny ludzkiej. Uzyskano gen zapewniający syntezę insuliny. Metodami inżynierii genetycznej gen ten wprowadzono do komórki bakteryjnej, która w efekcie nabyła zdolność do syntezy ludzkiego hormonu.

Równie duże zainteresowanie i nie mniejsze (a może większe) znaczenie miały prace prowadzone w tym samym instytucie nad wprowadzeniem do komórki bakteryjnej genu odpowiedzialnego za syntezę ludzkiego interferonu za pomocą metod inżynierii genetycznej. (Interferon jest białkiem, które odgrywa niezwykle ważną rolę w walce organizmu z infekcjami wirusowymi.) Gen interferonu został także wprowadzony do komórki E. coli. Powstałe szczepy wyróżniały się dużą wydajnością interferonu, który wykazuje silne działanie przeciwwirusowe. Uzyskano już pierwsze przemysłowe partie ludzkiego interferonu. Przemysłowa produkcja interferonu jest bardzo ważnym osiągnięciem, ponieważ zakłada się, że interferon ma również działanie przeciwnowotworowe.

W Instytucie Akademii Nauk ZSRR prowadzono prace nad stworzeniem komórek bakteryjnych wytwarzających somatotropinę – ludzki hormon wzrostu. Gen tego hormonu wyizolowano z przysadki mózgowej i metodami inżynierii genetycznej wbudowano w bardziej złożoną cząsteczkę DNA, którą następnie wprowadzono do aparatu genetycznego bakterii. W rezultacie bakteria nabyła zdolność do syntezy ludzkich hormonów. Ta kultura bakteryjna, a także kultura bakteryjna z wprowadzonym genem insuliny, jest testowana pod kątem przemysłowej produkcji hormonów ludzkich w produkcji mikrobiologicznej.

To tylko kilka przykładów prac nad wprowadzaniem genów z organizmów wyższych do komórek bakteryjnych. Podobnych ciekawych i obiecujących dzieł jest znacznie więcej.

Oto kolejny przykład. Angielscy biochemicy wyizolowali dość duże białko (około 200 reszt aminokwasowych) – taumatynę – z owoców afrykańskiego krzewu. Białko to okazało się 100 tysięcy razy słodsze od sacharozy. Teraz na całym świecie myśli się o stworzeniu zamienników cukru, które spożywane w dużych ilościach wcale nie są nieszkodliwe dla organizmu. Dlatego też szczególną uwagę przyciągnęła taumatyna, produkt naturalny, który nie wymaga specjalnych badań toksykologicznych: wszak jej nieznaczny dodatek do wyrobów cukierniczych może po prostu wyeliminować użycie cukru. Naukowcy uznali, że łatwiej i bardziej opłacalnie będzie pozyskać taumatynę nie z naturalnego źródła, ale poprzez syntezę mikrobiologiczną z wykorzystaniem bakterii, do których wprowadzono gen taumatyny. Pracy tej dokonano poprzez wprowadzenie tego genu do tej samej bakterii E. coli. Na razie substytut cukru, taumatyna (tzw. talin), jest wytwarzany z naturalnego źródła, ale jego produkcja mikrobiologiczna nie jest odległa.

Do tej pory mówiliśmy o wprowadzaniu genów do komórek bakteryjnych. Nie oznacza to jednak, że nie prowadzi się prac nad wprowadzeniem sztucznych genów do organizmów wyższych – roślin i zwierząt. Pomysłów jest tu nie mniej, ale znacznie atrakcyjniejszych. Praktyczna realizacja niektórych z nich będzie miała dla ludzkości wyjątkowe znaczenie. Wiadomo zatem, że rośliny wyższe nie są w stanie pobierać azotu atmosferycznego: pozyskują go z gleby w postaci soli nieorganicznych lub w wyniku symbiozy z bakteriami brodawkowymi. Realizacja pomysłu – wprowadzenie genów tych bakterii do roślin – mogłaby doprowadzić do radykalnych, rewolucyjnych zmian w rolnictwie.

Jak wygląda sytuacja z wprowadzeniem genów do aparatu genetycznego eukariontów? Główną trudnością jest to, że nie można zmienić genotypu wszystkich komórek organizmu wielokomórkowego. Dlatego nadzieje pokłada się w stworzeniu metod inżynierii genetycznej zaprojektowanych do pracy z kulturami komórek roślinnych i roślinami jednokomórkowymi.

Wprowadzenie syntetycznych genów do sztucznie hodowanych komórek może prowadzić do wytworzenia zmodyfikowanej rośliny: w pewnych warunkach izolowane komórki mogą przekształcić się w całe rośliny. A w takiej roślinie geny sztucznie wprowadzone do pierwotnej komórki muszą działać i zostać odziedziczone.

Tutaj, oprócz perspektyw skutecznego zastosowania metod inżynierii genetycznej, wyłania się kolejna zaleta biotechnologii - stosując metodę biotechnologii komórkowej, z jednej rośliny można uzyskać miliony identycznych roślin, a nie dziesiątki, jak przy użyciu nasion. Technologia komórkowa nie wymaga dużych powierzchni, nie jest uzależniona od warunków atmosferycznych i charakteryzuje się ogromną wydajnością.

Radzieccy naukowcy badają obecnie inny sposób wprowadzania genów do komórek roślinnych - tworzenie społeczności symbiotycznej, w ramach której próbują wprowadzić cyjanobakterie zdolne zarówno do fotosyntezy, jak i wiązania azotu, do protoplastów roślin (pozbawione są błony celulozowej).

Pewne perspektywy istnieją także w zakresie wykorzystania metod inżynierii genetycznej w pracy ze zwierzętami, w każdym razie istnieje zasadnicza możliwość przeniesienia materiału genetycznego do komórek zwierzęcych. Jest to szczególnie przekonująco pokazane w przypadku hybrydom. Hybrydoma to komórka utworzona z limfocytu wytwarzającego przeciwciała i komórkę nowotworową zdolną do nieograniczonej reprodukcji i łącząca obie te właściwości. Stosując hybrydomy można uzyskać wysoce specyficzne przeciwciała. Metoda hybrydomy to kolejna biotechnologiczna metoda otrzymywania wartościowych białek.

Biotechnologia kosmiczna Podczas realizacji programów lotów załogowych na terenie byłego ZSRR rozwinięto potencjał naukowo-techniczny w dziedzinie biotechnologii kosmicznej przy udziale organizacji macierzystych Rosaviakosmos, Ministerstwa Przemysłu Medycznego, Rosyjskiej Akademii Nauk i Akademii Rosyjskiej Nauk Medycznych, która stworzyła bazę sprzętową i metodyczną niezbędną do prowadzenia eksperymentów biotechnologicznych w warunkach lotu orbitalnego.W ciągu 15 lat zrealizowano szereg programów eksperymentów biotechnologicznych, a ich wyniki wprowadzono do technologii produkcji różnych substancji biologicznie czynnych (antybiotyki, środki immunostymulujące itp.). Wykorzystując metody biotechnologii kosmicznej stworzono szereg nowych leków terapeutycznych i diagnostycznych. Zgromadzone doświadczenia pozwoliły na wyznaczenie najbardziej obiecujących kierunków rozwoju biotechnologii kosmicznej: · otrzymywanie wysokiej jakości kryształów substancji biologicznie istotnych w celu określenia ich struktury przestrzennej i tworzenia nowych leków dla medycyny, farmakologii, weterynarii, innych sektory gospodarki narodowej i różne dziedziny nauki, · otrzymywanie i selekcja w warunkach mikrograwitacji ulepszonych, a także rekombinowanych szczepów przemysłowych mikroorganizmów, producentów substancji biologicznie czynnych dla medycyny, farmakologii, rolnictwa i ekologii; elektroforetyczna separacja substancji biologicznych, w szczególności dokładne, wysokowydajne oczyszczanie białek genetycznie modyfikowanych i wirusowych, głównie do celów medycznych, a także izolacja specyficznych komórek charakteryzujących się wymaganymi funkcjami wydzielniczymi, · badanie wpływu czynników lotów kosmicznych o obiektach biologicznych i właściwościach fizykochemicznych procesów biotechnologicznych w celu poszerzenia podstawowej wiedzy z zakresu biologii i biotechnologii. W 1989 roku RSC Energia nazwany imieniem. SP Korolev i RAO Biopreparat, łącząc siły w badaniach w jednym z obiecujących obszarów działalności kosmicznej, stworzyli laboratoria biotechnologii kosmicznej. Naukowe kierownictwo pracami w dziedzinie biotechnologii w ramach rosyjskiego programu narodowego na stacji orbitalnej Mir i rosyjskim segmencie międzynarodowej stacji kosmicznej sprawuje Przewodniczący Sekcji Biotechnologii Kosmicznej KNTS Rosaviakosmos oraz Rosyjska Akademia Nauk, Czczony Naukowiec Federacji Rosyjskiej, profesor Jurij Tichonowicz Kalinin. Koordynacja prac, zapewnienie tworzenia i przygotowania przed lotem pokładowego sprzętu naukowego, materiałów biologicznych podczas realizacji projektów biotechnologicznych, a także przetwarzanie i analiza uzyskanych wyników, realizowane są przez wyspecjalizowane laboratoria biotechnologii kosmicznej w RAO Biopreparat (na podstawie JSC Biokhimmash) oraz w RSC Energia.im. SP Królowa. W celu bezpośredniej realizacji eksperymentów na pokładach stacji orbitalnych opracowano zestaw środków służących ich organizacji, wsparciu i wsparciu na wszystkich etapach realizacji: · przygotowanie eksperymentów naukowych i sprzętu, szkolenie załóg wspólnie z Rosyjskim Państwowym Instytutem Badań i Testowania Centrum Szkolenia Kosmonautów im. Yu.A. Gagarin · dostawa aparatury naukowej do kompleksu orbitalnego; wsparcie logistyczne eksperymentów na pokładzie kompleksu orbitalnego; planowanie, przygotowanie i wsparcie eksperymentów w Centrum Kontroli Misji, zwrot wyników eksperymentów z orbity i ich dostarczenie z miejsca lądowania do laboratorium. Wyżej wymienione laboratoria biotechnologii kosmicznej opracowały pakiety dokumentów niezbędnych do realizacji eksperymentów kosmicznych, w tym metody przygotowania przed lotem, paszporty i certyfikaty oraz inną dokumentację zezwalającą.Jesteśmy gotowi, na życzenie klienta, dostarczyć niezbędną dokumentację naukową doradzamy w tym zakresie, a także przygotowujemy i przeprowadzamy eksperymenty kosmiczne z dowolnymi obiektami biologicznymi.Perspektywy uzyskania wysokiej jakości kryształów substancji biologicznych w warunkach mikrograwitacji, co wielokrotnie potwierdziliśmy w projektach komercyjnych z firmami zagranicznymi, są oczywiste. Umożliwiły one badanie z dużą dokładnością struktury przestrzennej różnych biopolimerów i wykorzystanie wyników do tworzenia jakościowo nowych leków terapeutycznych, profilaktycznych i diagnostycznych.Nasze doświadczenie w pracy z kulturami mikrobiologicznymi biodegradantów ropy i produktów naftowych, a także ze szczepami stosowane w środkach ochrony roślin kultury roślin komórek wyższych, umożliwiły otrzymanie odmian roślin uprawnych po ekspozycji w przestrzeni kosmicznej, które są znacznie bardziej aktywne od odmian pierwotnych. Doświadczenia nad rekombinacją mikroorganizmów w warunkach lotu orbitalnego wykazały realną możliwość 100% przeniesienia materiału genetycznego pomiędzy odległymi gatunkami, co pozwala na otrzymanie unikalnych hybryd o nowych określonych właściwościach.Liczne wyniki eksperymentów prowadzonych w warunkach mikrograwitacji dotyczących oczyszczania elektroforetycznego i separacja obiektów biologii białkowej i komórkowej potwierdziła możliwość i efektywność wykorzystania metod elektroforetycznych do wytwarzania partii eksperymentalnych i pilotażowo-przemysłowych wysoce czystych i wysoce homogenicznych, wartościowych ekonomicznie substancji biologicznie aktywnych. Jesteśmy gotowi na Państwa zlecenie, wykorzystując nasz lub inny sprzęt, przeprowadzić badania nad krystalizacją obiektów biologicznych w przestrzeni kosmicznej, uzyskaniem szczepów ulepszonych lub rekombinowanych, a także elektroforezą i innymi obszarami badań, zarówno na Państwa zlecenie, jak i we współpracy Naszym zdaniem jest to bardzo perspektywiczny obszar zarówno naukowo jak i komercyjnie, służyć może projekt stworzenia uniwersalnej instalacji do hodowli i otrzymywania białek krystalicznych w warunkach lotów kosmicznych. W załączeniu opis projektu. Rozważymy również wszelkie propozycje od zainteresowanych stron dotyczące przygotowania i przeprowadzenia kosmicznych eksperymentów biotechnologicznych, a my przeprowadzimy ich badanie wykonalności i zapewnimy realizację zaproponowanych projektów na zasadach komercyjnych CELE I ZADANIA PROJEKTU Projekt realizowany jest dzięki staraniom RAO Biopreparat oraz potencjalni uczestnicy zainteresowani rozwojem zaawansowanej biotechnologicznej aparatury naukowej oraz wytwarzaniem konkurencyjnych bioproduktów w warunkach lotów kosmicznych.Głównym celem projektu jest krystalizacja produktów biologicznych w warunkach lotu orbitalnego, czyli utworzenie i eksploatacja na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) nowej generacji sprzętu do biokrystalizacji zdolnego do otrzymywania dużych, jednorodnych kryształów szerokiej gamy obiektów biologicznych, a także szybkiego otrzymywania na Ziemię informacji wideo i telemetrycznych o głównych parametrach procesu i uzyskanych wynikach. Przy organizacji pracy w projekcie Postawiono następujące zadania: · opracowanie mechanizmów współdziałania stron projektu w kwestiach organizacyjnych, metodologicznych, technicznych, naukowych i ekonomicznych, · w oparciu o rosyjskie biokrystalizatory oraz obcy sprzęt elektroniczny i wideo, wytwarzać prototypy i próbki w locie sprzętu do biokrystalizacji o parametrach przewyższających znane światowe analogi pod względem wydajności i niezawodności, · eksploatować stworzony sprzęt na ISS; zarówno dla indywidualnych programów krajowych uczestniczących stron, jak i dla wspólnych projektów naukowych lub komercyjnych, · poszukiwanie sposobów i środków wdrażania wyników naukowych uzyskanych podczas eksperymentów lotniczych w oparciu o wspólne interesy uczestników projektu. KRÓTKA CHARAKTERYSTYKA TECHNICZNA URZĄDZENIA Poniżej przedstawiono krótką charakterystykę techniczną sprzętu do krystalizacji obiektów biologicznych, stworzonego na podstawie osiągnięć rosyjskich Biokrystalizator uniwersalny Funkcjonalnie sprzęt jest zestawem uniwersalnych kaset krystalizacyjnych, które umożliwiają krystalizację białek (lub innych obiektów biologicznych) różnymi metodami. Urządzenie zapewnia: wielopoziomowe i wysoce niezawodne uszczelnianie komór roztworami roboczymi, szybkie wykonanie operacji oddzielnego napełniania komór kaset krystalizacyjnych roztworami białka (lub innego biopolimeru) i środka strącającego, realizację kilku metody krystalizacji w jednej kasecie, wysoka powtarzalność charakterystyki procesu w różnych komorach krystalizacyjnych kasety uniwersalnej, wysoki stopień wymienności głównych elementów funkcjonalnych biokrystalizatora, · wygodne i szybkie wykonanie operacji sterylizacji, montażu, badania szczelności i napełniania roztworami roboczymi, · wygodna i nieniszcząca ekstrakcja powstałych kryształów, · wysoka niezawodność i łatwość konserwacji, · ręczna i automatyczna aktywacja/dezaktywacja procesu krystalizacji; · pomiar i rejestracja temperatury kaset krystalizacyjnych na wszystkich etapach transportu i eksploatacji, wysoki stopień wykorzystania masy ładunku na etapach wprowadzenia na orbitę i powrotu na Ziemię, niskie wymagania wobec pojazdów dostawczych i powrotnych, elastyczność w budowie i użytkowaniu program naukowy przy minimalnym zużyciu zasobów ISS, możliwość modułowej rozbudowy ogniw krystalizacyjnych w zależności od wymagań klienta. Dostawa na pokład ISS i powrót na Ziemię uniwersalnych kaset biokrystalizatora odbywa się w termoizolacyjnym pojemniku zwrotnym (TRC) z autonomicznym rejestratorem temperatury SKŁAD WYPOSAŻENIA Kompletna konfiguracja sprzętu składa się z następującego składu: · zestaw uniwersalnego biokrystalizatora kasety - 12 szt. (konfigurację kaset ustala kierownik doświadczenia); · termoizolacyjny pojemnik zwrotny (TRC) z autonomicznym rejestratorem temperatury; · ręczny napęd kaset; · biotechnologiczny termostat uniwersalny (TBU) do aktywnego termostatowania kaset w tryb półautomatyczny; · elektryczna jednostka napędowa do załączania/wyłączania kaset w TCU; · elektryczna jednostka sterująca napędem; · system monitoringu wizyjnego ogniw krystalizacyjnych w TBU; · jednostka monitorująco-sterująca systemu monitoringu wizyjnego i interfejsu ( VIS) z systemem ISS TV, · komplet kabli połączeniowych. Każda z uniwersalnych kaset krystalizacyjnych jest konstrukcyjnie wykonana jako monoblok. Kaseta zawiera 4 autonomiczne kuwety krystalizacyjne. Z kolei każda komora krystalizacyjna ma od jednej do trzech komór krystalizacyjnych (białkowych) i jedną lub więcej komór na roztwór strącający.

Biohydrometalurgia

Kierunek ten był wcześniej znany jako mikrobiologiczne ługowanie metali z rud. Zajmuje się ekstrakcją metali z ich rud przy użyciu mikroorganizmów. W latach 50. i 60. stało się jasne, że istnieją mikroorganizmy zdolne do przenoszenia metali z minerałów rudnych do roztworu. Mechanizmy takiego tłumaczenia są różne. Na przykład niektóre mikroorganizmy wymywające bezpośrednio utleniają piryt: 4FmiS 2 + 15O 2 + 2H 2 O = 2Fmi 2 (SO 4) 3 + 2H 2 SO 4

A jon żelaza służy jako silny środek utleniający, zdolny do przenoszenia miedzi z chalkocynitu do roztworu: Cty 2 S + 2Fmi 2 (SO 4) 3 = 2CtySO 4 + 4FmiSO 4 + S lub uran z uraninitu: UO 2 + Fmi 2 (SO 4) 3 = UO 2 SO 4 + 2FmiSO 4

Reakcje utleniania są egzotermiczne, gdy do nich dochodzi, uwalniana jest energia, która jest wykorzystywana przez mikroorganizmy w trakcie ich życia.

Jaka jest zatem struktura biotechnologii? Biorąc pod uwagę, że biotechnologia aktywnie się rozwija i nie została ostatecznie ustalona jej struktura, możemy mówić tylko o tych rodzajach biotechnologii, które obecnie istnieją. Jest to biotechnologia komórkowa - mikrobiologia stosowana, hodowle komórek roślinnych i zwierzęcych (było to omawiane, gdy rozmawialiśmy o przemyśle mikrobiologicznym, możliwościach kultur komórkowych i mutagenezie chemicznej). Są to biotechnologia genetyczna i biotechnologia molekularna (zapewniają „przemysł DNA”). I wreszcie jest to modelowanie złożonych procesów i układów biologicznych, w tym inżynieria enzymologiczna (mówiliśmy o tym, gdy rozmawialiśmy o unieruchomionych enzymach).

Oczywiste jest, że biotechnologia ma ogromną przyszłość. A jego dalszy rozwój jest ściśle związany z jednoczesnym rozwojem wszystkich najważniejszych gałęzi nauk biologicznych, zajmujących się badaniem organizmów żywych na różnych poziomach ich organizacji. Przecież bez względu na to, jak biologia się różnicuje, bez względu na to, jakie pojawią się nowe kierunki naukowe, przedmiotem jej badań zawsze będą żywe organizmy, które są zbiorem struktur materialnych i różnorodnych procesów tworzących jedność fizyczną, chemiczną i biologiczną. I to - sama natura żywych istot - z góry determinuje potrzebę kompleksowego badania organizmów żywych. Dlatego jest rzeczą naturalną i naturalną, że biotechnologia powstała w wyniku postępu złożonego kierunku - biologii fizycznej i chemicznej i rozwija się jednocześnie i równolegle z tym kierunkiem.

Jednym z głównych praktycznych zadań inżynierii komórkowej i tkankowej zawsze było tworzenie kultur in vitro komórki żywych odpowiedników tkanek i narządów w celu ich wykorzystania w terapii zastępczej w celu odbudowy uszkodzonych struktur i funkcji organizmu. Największe sukcesy w tym kierunku osiągnięto stosując uprawy in vitro keratynocyty do leczenia uszkodzeń skóry, a przede wszystkim do leczenia ran oparzeniowych.

Podsumowując, należy zwrócić uwagę na jeszcze jedną istotną okoliczność, która odróżnia biotechnologię od innych dziedzin nauki i produkcji. Początkowo skupia się na problemach nurtujących współczesną ludzkość: produkcji żywności (przede wszystkim białka), utrzymaniu bilansu energetycznego w przyrodzie (odejście od nacisku na wykorzystanie zasobów niezastąpionych na rzecz zasobów odnawialnych), ochronie środowiska (biotechnologia – „czysta” produkcja, która jednak wymaga dużych ilości wody).

Biotechnologia jest zatem naturalnym rezultatem rozwoju ludzkości, oznaką osiągnięcia przez nią ważnego, można by rzec, punktu zwrotnego, etapu rozwoju.

Przemysł biotechnologiczny

Przemysł biotechnologiczny czasami dzieli się na cztery obszary:

• "« Czerwona „biotechnologia” - produkcja biofarmaceutyków (białek, enzymów, przeciwciał) dla ludzi oraz korekta kodu genetycznego.
• "« Zielona biotechnologia - opracowywanie i wprowadzanie do upraw roślin genetycznie modyfikowanych.
• "« Biała „biotechnologia” - produkcja biopaliw, enzymów i biomateriałów dla różnych gałęzi przemysłu.
• Badania akademickie i rządowe – na przykład rozszyfrowanie genomu ryżu.

"Przemysł mikrobiologiczny” produkuje 150 rodzajów produktów niezwykle niezbędnych dla gospodarki narodowej. Jej dumą jest białko paszowe pozyskiwane z hodowli drożdży. Rocznie produkuje się ponad 1 milion ton. Kolejnym ważnym osiągnięciem jest uwolnienie najcenniejszego dodatku paszowego – niezbędnego (czyli nie powstającego w organizmie zwierzęcia) aminokwasu lizyny. Strawność substancji białkowych zawartych w produktach syntezy mikrobiologicznej jest taka, że ​​na 1 tonę białka paszowego oszczędza się 5-8 ton ziarna. Dodanie 1 tony biomasy drożdżowej np. do diety drobiu pozwala uzyskać dodatkowe 1,5-2 tony mięsa lub 25-35 tys. jaj, a w hodowli trzody chlewnej uwalnia się 5-7 ton zboża paszowego. Drożdże nie są jedynym możliwym źródłem białka. Można go uzyskać hodując mikroskopijne zielone algi, różne pierwotniaki i inne mikroorganizmy. Opracowano już technologie ich wykorzystania, projektuje się i buduje gigantyczne przedsiębiorstwa o wydajności od 50 do 300 tysięcy ton produktów rocznie. Ich działanie umożliwi wniesienie znaczącego wkładu w rozwiązywanie krajowych problemów gospodarczych.

Jeśli do komórek mikroorganizmu przeszczepi się ludzki gen odpowiedzialny za syntezę enzymu lub innej ważnej dla organizmu substancji, wówczas w odpowiednich warunkach mikroorganizmy wyprodukują obcy im związek na skalę przemysłową. Naukowcy opracowali i wdrożyli do produkcji metodę wytwarzania ludzkiego interferonu, skuteczną w leczeniu wielu chorób wirusowych. Z 1 litra płynu hodowlanego ekstrahuje się taką samą ilość interferonu, jaką uzyskano wcześniej z wielu ton krwi dawcy. Oszczędności wynikające z wprowadzenia nowej metody wynoszą 200 milionów rubli rocznie.

Innym przykładem jest produkcja ludzkiego hormonu wzrostu przy użyciu mikroorganizmów. Wspólne osiągnięcia naukowców z Instytutu Biologii Molekularnej, Instytutu Biologii Molekularnej, Instytutu Biochemii i Fizjologii Mikroorganizmów Rosji oraz rosyjskich instytutów umożliwiają produkcję gramów hormonu, podczas gdy wcześniej lek ten otrzymywano w miligramach. Lek jest obecnie testowany. Metody inżynierii genetycznej stworzyły możliwość otrzymania szczepionek przeciwko tak groźnym infekcjom jak wirusowe zapalenie wątroby typu B, pryszczyca u bydła, a także opracowanie metod wczesnej diagnostyki szeregu chorób dziedzicznych i różnorodnych infekcji wirusowych.

Inżynieria genetyczna zaczyna aktywnie wpływać na rozwój nie tylko medycyny, ale także innych dziedzin gospodarki narodowej. Pomyślny rozwój metod inżynierii genetycznej otwiera szerokie możliwości rozwiązania szeregu problemów stojących przed rolnictwem. Obejmuje to tworzenie nowych, wartościowych odmian roślin rolniczych, odpornych na różne choroby i niekorzystne czynniki środowiskowe oraz przyspieszenie procesu selekcji przy hodowli wysokoproduktywnych ras zwierząt, a także stworzenie wysoce skutecznych narzędzi diagnostycznych i szczepionek dla medycyny weterynaryjnej, oraz rozwój metod biologicznego wiązania azotu. Rozwiązanie tych problemów przyczyni się do postępu naukowo-technicznego rolnictwa, a kluczową rolę w tym odegrają metody inżynierii genetycznej, a także oczywiście inżynierii komórkowej.

Inżynieria komórkowa - niezwykle obiecujący kierunek współczesnej biotechnologii. Naukowcy opracowali metody hodowli zwierzęcych, a nawet ludzkich komórek roślinnych w sztucznych warunkach (hodowla). Hodowla komórkowa umożliwia uzyskanie różnych cennych produktów, które dotychczas uzyskiwano w bardzo ograniczonych ilościach ze względu na brak źródeł surowców. Szczególnie pomyślnie rozwija się inżynieria komórek roślinnych. Metodami genetycznymi można wyselekcjonować linie takich komórek roślinnych - producentów praktycznie ważnych substancji, które są w stanie rosnąć na prostych pożywkach i jednocześnie gromadzić wartościowe produkty kilkukrotnie więcej niż sama roślina. Hodowla mas komórek roślinnych jest już stosowana na skalę przemysłową do produkcji związków fizjologicznie aktywnych. Przykładowo, na potrzeby przemysłu perfumeryjnego i medycznego uruchomiono produkcję biomasy żeń-szenia. Tworzone są podwaliny pod produkcję biomasy z roślin leczniczych – Dioscorea i Rauwolfia. Opracowywane są metody hodowli masy komórkowej innych rzadkich roślin wytwarzających cenne substancje (Rhodiola Rosea itp.). Kolejnym ważnym obszarem inżynierii komórkowej jest klonalna mikropropagacja roślin w oparciu o hodowlę tkankową. Metoda ta opiera się na niesamowitej właściwości roślin: z pojedynczej komórki lub kawałka tkanki, pod pewnymi warunkami, może wyrosnąć cała roślina, zdolna do normalnego wzrostu i rozmnażania. Metodą tą można uzyskać do 1 miliona roślin rocznie z niewielkiej części rośliny. Mikrorozmnażanie klonalne służy udoskonalaniu i szybkiemu rozmnażaniu rzadkich, cennych ekonomicznie lub nowo powstałych odmian roślin uprawnych. W ten sposób z komórek niezakażonych wirusami uzyskuje się zdrowe rośliny ziemniaków, winogron, buraków cukrowych, truskawek, malin i wielu innych upraw. Obecnie opracowano metody mikrorozmnażania obiektów bardziej złożonych - roślin drzewiastych (jabłonie, świerki, sosny). W oparciu o te metody powstaną technologie przemysłowej produkcji wstępnego materiału do sadzenia cennych gatunków drzew. Metody inżynierii komórkowej znacznie przyspieszą proces selekcji przy opracowywaniu nowych odmian zbóż i innych ważnych roślin rolniczych: okres ich uzyskania skrócony zostanie do 3-4 lat (zamiast 10-12 lat wymaganych przy stosowaniu konwencjonalnych metod hodowli). Całkowicie nowa metoda fuzji komórek, opracowana przez naukowców, jest także obiecującym sposobem na opracowanie nowych odmian cennych roślin rolniczych. Metoda ta pozwala na uzyskanie mieszańców, których nie da się stworzyć metodą konwencjonalnego krzyżowania ze względu na barierę niezgodności międzygatunkowej. Metodą fuzji komórek uzyskano m.in. hybrydy różnych rodzajów ziemniaków, pomidorów i tytoniu; tytoń i ziemniaki, rzepak i rzepa, tytoń i wilcza jagoda. Powstają nowe odmiany na bazie hybrydy ziemniaków uprawnych i dzikich, odpornej na wirusy i inne choroby. W podobny sposób pozyskuje się cenny materiał hodowlany na pomidory i inne rośliny uprawne. W przyszłości zintegrowane wykorzystanie metod inżynierii genetycznej i komórkowej do tworzenia nowych odmian roślin o określonych właściwościach, np. z systemami przeznaczonymi do wiązania azotu atmosferycznego. Poczyniono ogromne postępy w inżynierii komórkowej w dziedzinie immunologii: opracowano metody wytwarzania specjalnych komórek hybrydowych, które wytwarzają indywidualne lub monoklonalne przeciwciała. Umożliwiło to stworzenie bardzo czułych narzędzi diagnostycznych w przypadku szeregu poważnych chorób ludzi, zwierząt i roślin. Nowoczesna biotechnologia wnosi znaczący wkład w rozwiązanie tak ważnego problemu, jakim jest walka z chorobami wirusowymi upraw rolnych, które powodują ogromne szkody dla gospodarki narodowej. Naukowcy opracowali wysoce specyficzne surowice do wykrywania ponad 20 wirusów powodujących choroby w różnych uprawach. Opracowano i wykonano system przyrządów i urządzeń do masowej automatycznej, ekspresowej diagnostyki wirusowych chorób roślin w warunkach produkcji rolniczej. Nowe metody diagnostyczne pozwalają na selekcję wolnego od wirusów materiału wyjściowego (nasiona, bulwy itp.) do sadzenia, co przyczynia się do znacznego wzrostu plonów. Prace nad inżynierią enzymologiczną mają ogromne znaczenie praktyczne. Pierwszym ważnym sukcesem było unieruchomienie enzymów – utrwalenie cząsteczek enzymów za pomocą silnych wiązań chemicznych na syntetycznych polimerach, polisacharydach i innych nośnikach matrix. Stałe enzymy są bardziej stabilne i można ich używać wielokrotnie. Immobilizacja pozwala na prowadzenie ciągłych procesów katalitycznych, uzyskanie produktów niezanieczyszczonych enzymami (co jest szczególnie istotne w wielu gałęziach przemysłu spożywczego i farmaceutycznego) oraz znaczne obniżenie ich kosztów. Metodę tę wykorzystuje się na przykład do otrzymywania antybiotyków. W ten sposób naukowcy opracowali i wprowadzili do produkcji przemysłowej technologię wytwarzania antybiotyków opartą na unieruchomionym enzymie amidazie penicyliny. W wyniku zastosowania tej technologii zużycie surowców spadło pięciokrotnie, koszt produktu końcowego spadł prawie o połowę, wielkość produkcji wzrosła siedmiokrotnie, a całkowity efekt ekonomiczny wyniósł około 100 milionów rubli. Kolejnym krokiem w enzymologii inżynieryjnej było opracowanie metod immobilizacji komórek drobnoustrojów, a następnie komórek roślinnych i zwierzęcych. Komórki immobilizowane są najbardziej ekonomicznymi biokatalizatorami, ponieważ charakteryzują się dużą aktywnością i stabilnością, a co najważniejsze, ich zastosowanie całkowicie eliminuje koszty izolacji i oczyszczania enzymów. Obecnie w oparciu o unieruchomione komórki opracowano metody produkcji kwasów organicznych, aminokwasów, antybiotyków, steroidów, alkoholi i innych cennych produktów. Immobilizowane komórki mikroorganizmów wykorzystuje się także do oczyszczania ścieków, przetwarzania odpadów rolniczych i przemysłowych. Biotechnologię coraz częściej wykorzystuje się w wielu gałęziach produkcji przemysłowej: opracowano metody wykorzystania mikroorganizmów do ekstrakcji metali nieżelaznych z rud i odpadów przemysłowych, zwiększenia odzysku ropy naftowej i zwalczania metanu w kopalniach węgla. Dlatego, aby uwolnić kopalnie od metanu, naukowcy zaproponowali wiercenie studni w pokładach węgla i podawanie do nich zawiesiny bakterii utleniających metan. W ten sposób możliwe jest usunięcie około 60% metanu jeszcze przed rozpoczęciem eksploatacji złoża. Niedawno znaleźli prostszą i skuteczniejszą metodę: zawiesiną bakterii rozpyla się skały zrobów, skąd najsilniej uwalnia się gaz. Natryskiwanie zawiesiny można wykonać za pomocą specjalnych dysz zainstalowanych na wspornikach. Testy przeprowadzone w kopalniach Donbasu wykazały, że mikroskopijni „robotnicy” szybko niszczą od 50 do 80% niebezpiecznego gazu w wyrobiskach. Jednak przy pomocy innych bakterii, które same uwalniają metan, możliwe jest zwiększenie ciśnienia w złożach ropy i zapewnienie pełniejszego wydobycia ropy. Biotechnologia będzie musiała także wnieść znaczący wkład w rozwiązanie problemu energetycznego. Ograniczone zasoby ropy i gazu zmuszają do poszukiwania sposobów wykorzystania niekonwencjonalnych źródeł energii. Jednym z takich sposobów jest biokonwersja surowców roślinnych, czyli inaczej enzymatyczne przetwarzanie odpadów przemysłowych i rolniczych zawierających celulozę. W wyniku biokonwersji można otrzymać glukozę, a z niej alkohol, który posłuży jako paliwo. Coraz intensywniej rozwijane są badania nad produkcją biogazu (głównie metanu) poprzez przetwarzanie odpadów zwierzęcych, przemysłowych i komunalnych przy pomocy mikroorganizmów. Jednocześnie pozostałości po przetworzeniu to wysoce skuteczne nawozy organiczne. W ten sposób rozwiązuje się kilka problemów: ochronę środowiska przed zanieczyszczeniami, pozyskiwanie energii i produkcję nawozów. W różnych krajach działają już zakłady produkujące biogaz. Możliwości biotechnologii są niemal nieograniczone. Odważnie wkracza w różne sfery gospodarki narodowej. A w najbliższej przyszłości niewątpliwie praktyczne znaczenie biotechnologii w rozwiązywaniu najważniejszych problemów hodowli, medycyny, energetyki i ochrony środowiska przed zanieczyszczeniami jeszcze bardziej wzrośnie.

Rośliny transgeniczne

Rośliny transgeniczne to rośliny, którym przeszczepiono geny.

• 1. Ziemniaki odporne na stonki ziemniaczanej uzyskano poprzez wprowadzenie genu wyizolowanego z DNA komórki glebowej Bacillus Turyngii, który wytwarza białko trujące dla stonki ziemniaczanej (trucizna powstaje w żołądku stonki ziemniaczanej , ale nie u ludzi). Użyli pośrednika – komórek Escherichia coli. Liście ziemniaków zaczęły wytwarzać białko trujące dla chrząszczy.
• 2. Wykorzystuje produkty z transgenicznej soi, kukurydzy, ziemniaków i słonecznika.
• 3. W Ameryce postanowiono wyhodować pomidora odpornego na mróz. Pobrali gen flądry odpowiedzialny za termoregulację i przeszczepili go do komórek pomidora. Ale pomidor zrozumiał tę informację na swój sposób, nie przestał bać się mrozu, ale przestał się psuć podczas przechowywania. Może leżeć w pokoju przez sześć miesięcy i nie gnić.

Zwierzęta transgeniczne

Zwierzęta transgeniczne, eksperymentalnie uzyskane zwierzęta zawierające we wszystkich komórkach swojego ciała dodatkowo zintegrowane z chromosomami i wyrażające obcy DNA (transgen), który jest dziedziczony zgodnie z prawami Mendla.

Rzadko transgen może replikować się i być dziedziczony jako pozachromosomalny, autonomicznie replikujący fragment DNA. Termin „transgenoza” został zaproponowany w 1973 roku na oznaczenie przeniesienia genów z jednego organizmu do komórek organizmów innych gatunków, w tym także odległych ewolucyjnie. Zwierzęta transgeniczne powstają poprzez przeniesienie sklonowanych genów (DNA) do jąder zapłodnionych komórek jajowych (zygot) lub embrionalnych komórek macierzystych (pluripotencjalnych). Następnie zmodyfikowane zygoty lub komórki jajowe, w których własne jądro zastąpiono zmodyfikowanym jądrem embrionalnych komórek macierzystych, lub blastocysty (zarodki) zawierające obcy DNA embrionalnych komórek macierzystych, przeszczepia się do narządów rozrodczych samicy biorcy. Istnieją pojedyncze doniesienia o wykorzystaniu nasienia do tworzenia zwierząt transgenicznych, jednak technika ta nie stała się jeszcze powszechna.

Pierwsze zwierzęta transgeniczne uzyskano w 1974 roku w Cambridge (USA) przez Rudolfa Jaenischa w wyniku wstrzyknięcia DNA małpiego wirusa SV40 do zarodka myszy. W 1980 roku amerykański naukowiec Georges Gordon i współautorzy zaproponowali zastosowanie mikroiniekcji DNA do przedjądrza zygoty w celu stworzenia zwierząt transgenicznych. To właśnie takie podejście położyło podwaliny pod powszechne wykorzystanie technologii produkcji zwierząt transgenicznych. Pierwsze zwierzęta transgeniczne pojawiły się w Rosji w 1982 r. Za pomocą mikroiniekcji w przedjądro zygoty uzyskano pierwsze transgeniczne zwierzęta hodowlane (królik, owca, świnia) w USA w 1985 r. Obecnie do tworzenia zwierząt transgenicznych, oprócz mikroiniekcji, stosuje się inne techniki eksperymentalne: infekowanie komórek rekombinowanymi wirusami, elektroporację, „namierzanie” komórek cząsteczkami metalu z osadzonym na ich powierzchni rekombinowanym DNA.

W ostatnich latach pojawienie się technologii klonowania zwierząt stworzyło dodatkowe możliwości tworzenia zwierząt transgenicznych. Istnieją już zwierzęta transgeniczne uzyskiwane poprzez mikroiniekcję genów do jąder zróżnicowanych komórek.

Wszystkie dostępne metody transferu genów nie są jeszcze zbyt skuteczne. Aby uzyskać jedno zwierzę transgeniczne, wymagane są średnio mikroiniekcje DNA do 40 zygot myszy, 90 zygot kóz, 100 zygot świń, 110 zygot owiec i 1600 zygot krów. Mechanizmy integracji egzogennego DNA czy tworzenia autonomicznych replikonów (jednostek replikacyjnych innych niż chromosomy) podczas transgenozy nie są znane. Integracja transgenów w każdym nowo uzyskanym zwierzęciu transgenicznym zachodzi w przypadkowych odcinkach chromosomów i może nastąpić integracja pojedynczej kopii transgenu lub wielu kopii, zwykle zlokalizowanych tandemowo w jednym locus jednego z chromosomów. Z reguły nie ma homologii pomiędzy miejscem (lokalizacją) integracji transgenu a samym transgenem. W przypadku wykorzystania do transgenozy embrionalnych komórek macierzystych możliwa jest wstępna selekcja, która pozwala na otrzymanie zwierząt transgenicznych z transgenem zintegrowanym w wyniku rekombinacji homologicznej z określonym regionem genomu gospodarza. W szczególności przy użyciu tego podejścia przeprowadza się ukierunkowane zakończenie ekspresji określonego genu (nazywa się to „nokautem genu”).

Technologia tworzenia zwierząt transgenicznych jest jedną z najszybciej rozwijających się biotechnologii w ciągu ostatnich 10 lat. Zwierzęta transgeniczne są szeroko stosowane zarówno do rozwiązywania wielu problemów teoretycznych, jak i do celów praktycznych w biomedycynie i rolnictwie. Niektórych problemów naukowych nie dałoby się rozwiązać bez stworzenia zwierząt transgenicznych. Wykorzystując transgeniczne modele zwierząt laboratoryjnych, prowadzi się szeroko zakrojone badania w celu zbadania funkcji różnych genów, regulacji ich ekspresji, fenotypowej manifestacji genów, mutagenezy insercyjnej itp. Zwierzęta transgeniczne są ważne dla różnych badań biomedycznych. Istnieje wiele zwierząt transgenicznych, które modelują różne choroby człowieka (rak, miażdżyca, otyłość itp.). Zatem produkcja transgenicznych świń ze zmienioną ekspresją genów warunkujących odrzucenie narządu umożliwi wykorzystanie tych zwierząt do ksenotransplantacji (przeszczepiania narządów świni ludziom). Ze względów praktycznych zwierzęta transgeniczne wykorzystywane są przez różne zagraniczne firmy jako komercyjne bioreaktory zapewniające produkcję różnorodnych produktów medycznych (antybiotyki, czynniki krzepnięcia krwi itp.). Ponadto transfer nowych genów umożliwia uzyskanie zwierząt transgenicznych, które charakteryzują się zwiększonymi właściwościami produkcyjnymi (np. zwiększonym przyrostem wełny u owiec, zmniejszoną zawartością tłuszczu u świń, zmianami właściwości mleka) lub odpornością na różne choroby spowodowane przez wirusy i inne patogeny. Obecnie ludzkość wykorzystuje już wiele produktów uzyskanych przy pomocy zwierząt transgenicznych: leki, narządy, żywność.

Termin ten ma inne znaczenia, patrz wektor. Państwowe Centrum Naukowe Wirusologii i Biotechnologii „Wektor” (SSC VB „Wektor”) Nazwa międzynarodowa w języku angielskim. Państwowe Centrum Badawcze Wirusologii i Biotechnologii WEKTOR… Wikipedia

Państwowe Centrum Badawcze Wirusologii i Biotechnologii „Wektor” to jeden z największych naukowych ośrodków wirusologicznych i biotechnologicznych w Rosji, zlokalizowany w naukowym mieście Kolcowo w obwodzie nowosybirskim, kilka kilometrów od Nowosybirska. Pełna nazwa centrum to Federal... ... Wikipedia

- (IBBR) Dawna nazwa Instytut Fizjologii, Genetyki i Bioinżynierii Roślin Dyrektor Zhambakin, Kabyl Zhaparovich Pracownicy 128 ... Wikipedia

- (MGAVMiB) Nazwa międzynarodowa Moskiewska Państwowa Akademia Medycyny Weterynaryjnej i Biotechnologii im. K.I. Skriabin Rok założenia 1919 Typ... Wikipedia

Moskiewska Państwowa Akademia Medycyny Weterynaryjnej i Biotechnologii im. K. I. Skryabina (MGAVMiB) Nazwa międzynarodowa Moskiewska Państwowa Akademia Medycyny Weterynaryjnej i Biotechnologii im. K.I. Skriabin Rok założenia… Wikipedia

zawór powietrza (w biotechnologii)- wlot (w biotechnologii) - Tematyka biotechnologii Synonimy wlot (w biotechnologii) EN odpowietrznik ...

powalenie (w biotechnologii)- W biotechnologii odnosi się do genów lub organizmów, w których aktywność poszczególnych genów zmienia się metodami molekularnymi.Tematy biotechnologii EN knockdown ... Przewodnik tłumacza technicznego

Przekształcony w 1995 roku z Moskiewskiej Akademii Weterynaryjnej. K. I. Skriabin (założona w 1919 r.). Kształcenie w specjalnościach weterynaryjnych, hodowlanych, biologicznych i innych. W 1998 roku studiowało tam ponad 3 tysiące studentów. * * * AKADEMIA MOSKWA... ... słownik encyklopedyczny

Federalna budżetowa instytucja nauki Państwowe Centrum Naukowe Mikrobiologii Stosowanej i Biotechnologii (FBUN SSC PMB) jest ośrodkiem naukowym prowadzącym badania w takich dziedzinach jak epidemiologia, bakteriologia i biotechnologia na potrzeby... ... Wikipedia

Biotechnologia- dyscyplina badająca możliwości wykorzystania organizmów żywych, ich układów lub produktów ich życiowej działalności do rozwiązywania problemów technologicznych, a także możliwość tworzenia organizmów żywych o niezbędnych właściwościach za pomocą inżynierii genetycznej.

Biotechnologia jest często określana jako zastosowanie inżynierii genetycznej w XXI wieku, ale termin ten odnosi się również do szerszego zestawu procesów modyfikacji organizmów biologicznych w celu zaspokojenia potrzeb człowieka, począwszy od modyfikacji roślin i zwierząt poprzez sztuczną selekcję i hybrydyzację. Przy pomocy nowoczesnych metod tradycyjna produkcja biotechnologiczna ma szansę poprawić jakość produktów spożywczych i zwiększyć produktywność organizmów żywych.

Przed 1971 rokiem termin „biotechnologia” był używany głównie w przemyśle spożywczym i rolniczym. Od lat 70. XX wieku naukowcy używają tego terminu w odniesieniu do technik laboratoryjnych, takich jak stosowanie rekombinowanego DNA i hodowanie kultur komórkowych in vitro.

Biotechnologia opiera się na genetyce, biologii molekularnej, biochemii, embriologii i biologii komórki, a także dyscyplinach stosowanych - technologiach chemicznych i informacyjnych oraz robotyce.

Encyklopedyczny YouTube

1 / 5

✪ Biotechnologie: genowe, chromosomalne, komórkowe

✪ Alexander Panchin - Możliwości inżynierii genetycznej

✪ Biotechnologia. Podstawowe metody biotechnologii

✪ 10 OSIĄGNIĘĆ INŻYNIERII GENETYCZNEJ 2017 i początek 2018

✪ Inżynieria genetyczna. Biotechnologia. Broń biologiczna, cechy uderzenia

Napisy na filmie obcojęzycznym

Historia biotechnologii

Terminu „biotechnologia” po raz pierwszy użył węgierski inżynier Karl Ereky w 1917 r.

Stosowanie mikroorganizmów lub ich enzymów w produkcji przemysłowej, zapewniających przebieg procesu technologicznego, było znane od czasów starożytnych, jednak systematyczne badania naukowe znacznie poszerzyły arsenał metod i środków biotechnologii.

Nanomedycyna

Monitorowanie, korygowanie, inżynieria i kontrola systemów biologicznych człowieka na poziomie molekularnym z wykorzystaniem nanourządzeń i nanostruktur. Na świecie powstało już wiele technologii dla przemysłu nanomedycyny. Należą do nich ukierunkowane dostarczanie leków do chorych komórek, laboratoria na chipie i nowe środki bakteriobójcze.

Biofarmakologia

Bionika

Sztuczna selekcja

Biotechnologia Edukacyjna

Główny artykuł: Biotechnologia pomarańczowa

Do upowszechniania biotechnologii i szkoleń w tym zakresie wykorzystywana jest biotechnologia pomarańczowa lub biotechnologia edukacyjna. Opracowuje interdyscyplinarne materiały i strategie edukacyjne związane z biotechnologią (np. produkcją białek rekombinowanych) dostępne dla całej społeczności, w tym dla osób ze specjalnymi potrzebami, takimi jak niepełnosprawność słuchu i/lub niepełnosprawność wzroku.

Hybrydyzacja

Proces tworzenia lub wytwarzania hybryd, który opiera się na połączeniu materiału genetycznego z różnych komórek w jednej komórce. Można ją przeprowadzić w obrębie jednego gatunku (hybrydyzacja wewnątrzgatunkowa) i pomiędzy różnymi grupami systematycznymi (hybrydyzacja odległa, w której łączone są różne genomy). Mieszańce pierwszej generacji charakteryzują się często heterozją, która wyraża się w lepszych zdolnościach adaptacyjnych, większej płodności i żywotności organizmów. W przypadku hybrydyzacji odległej hybrydy są często sterylne.

Inżynieria genetyczna

Zielone świecące świnie to transgeniczne świnie wyhodowane przez grupę badaczy z Narodowego Uniwersytetu Tajwańskiego poprzez wprowadzenie genu białka zielonej fluorescencji do DNA zarodka, zapożyczonego od fluorescencyjnej meduzy. Aequorea Wiktoria. Następnie zarodek wszczepiono do macicy samicy świni. Prosięta świecą na zielono w ciemności, a w świetle dziennym mają zielonkawy odcień skóry i oczu. Zdaniem naukowców głównym celem hodowli takich świń jest możliwość wizualnego monitorowania rozwoju tkanek podczas przeszczepiania komórek macierzystych.

Biotechnologia – medycyna przyszłości

Nowy numer czasopisma „NAUKA z pierwszej ręki” ukazał się „po piętach” ogólnorosyjskiej konferencji z międzynarodowym udziałem „Biotechnologia – Medycyna Przyszłości”, która odbyła się w Nowosybirsku Akademgorodok w lipcu 2017 r. Wśród organizatorów konferencji forum naukowym są Instytut Biologii Chemicznej i Medycyny Podstawowej oraz Instytut Cytologii i Genetyki SB RAS, a także Nowosybirski Państwowy Uniwersytet Badawczy, gdzie prowadzone są badania biomedyczne w ramach strategicznej jednostki akademickiej „Biologia Syntetyczna ”, który zrzesza wielu uczestników rosyjskich i zagranicznych, przede wszystkim instytuty SB RAS o profilu biologicznym. W pierwszym, wprowadzającym artykule do numeru autorzy dokonali przeglądu najbardziej aktualnych kierunków i obiecujących wyników badań związanych z rozwojem i wdrażaniem nowych technologii inżynierii genetycznej, komórkowej, tkankowej, immunobiologicznej i cyfrowej w medycynie praktycznej, niektóre z nich które szczegółowo zaprezentowano w innych artykułach numeru

Szybki rozwój nauk biologicznych, w związku z pojawieniem się urządzeń o dużej wydajności i stworzeniem metod manipulacji informacyjnymi biopolimerami i komórkami, przygotował podwaliny pod rozwój medycyny przyszłości. W wyniku ostatnich badań opracowano skuteczne metody diagnostyczne, a także pojawiły się możliwości racjonalnego projektowania leków przeciwwirusowych, przeciwbakteryjnych i przeciwnowotworowych, terapii genowej i edycji genomu. Nowoczesne technologie biomedyczne w coraz większym stopniu zaczynają wpływać na gospodarkę i decydować o jakości życia ludzi.

Dotychczas szczegółowo zbadano budowę i funkcje podstawowych cząsteczek biologicznych oraz opracowano metody syntezy białek i kwasów nukleinowych. Te biopolimery ze swej natury są materiałami „inteligentnymi”, ponieważ są w stanie wysoce specyficznie „rozpoznawać” określone cele biologiczne i działać na nie. Dzięki ukierunkowanemu „programowaniu” takich makrocząsteczek możliwe jest tworzenie konstruktów molekularnych receptorów dla układów analitycznych, a także leków selektywnie wpływających na określone programy genetyczne lub białka.

„Inteligentne leki” tworzone przy użyciu metod biologii syntetycznej otwierają możliwości ukierunkowane(ukierunkowana) terapia chorób autoimmunologicznych, onkologicznych, dziedzicznych i zakaźnych. Daje to podstawy do mówienia o wprowadzeniu do praktyki lekarskiej podejścia medycyny personalizowanej, skupionej na leczeniu konkretnego człowieka.

Dzięki nowoczesnym technologiom medycznym i farmaceutykom możliwe jest dziś wyleczenie wielu chorób, które w przeszłości stanowiły ogromny problem medyczny. Jednak wraz z rozwojem medycyny praktycznej i wzrostem średniej długości życia zadania opieki zdrowotnej w dosłownym tego słowa znaczeniu stają się coraz pilniejsze: nie tylko zwalczanie chorób, ale utrzymanie istniejącego zdrowia, aby człowiek mógł prowadzić aktywny tryb życia i pozostać pełnoprawnym członkiem społeczeństwa aż do starości.

Problem ten można rozwiązać zapewniając stałą, skuteczną kontrolę nad stanem organizmu, co pozwoli uniknąć działania niekorzystnych czynników i zapobiec rozwojowi choroby, identyfikując proces patologiczny na bardzo wczesnym etapie i eliminując bardzo przyczyna choroby.

W tym sensie główne zadanie medycyny przyszłości można sformułować jako „zarządzanie zdrowiem”. Jest to całkiem możliwe, jeśli masz pełne informacje na temat dziedziczności danej osoby i monitorujesz kluczowe wskaźniki stanu organizmu.

„Inteligentna” diagnostyka

Aby zarządzać zdrowiem, konieczne jest posiadanie skutecznych i prostych, małoinwazyjnych metod wczesnego diagnozowania chorób i określania indywidualnej wrażliwości na leki lecznicze, a także czynniki środowiskowe. Rozwiązania wymagają (i są już rozwiązywane) np. problemy takie jak stworzenie systemów diagnostyki genowej i identyfikacji patogenów chorób zakaźnych człowieka oraz opracowanie metod ilościowego oznaczania białek i kwasów nukleinowych – markerów chorób. .

Osobno warto podkreślić stworzenie metod wczesnej diagnostyki nieinwazyjnej ( płynna biopsja) choroby nowotworowe na podstawie analizy zewnątrzkomórkowego DNA i RNA. Źródłem takich kwasów nukleinowych są zarówno komórki martwe, jak i żywe. Zwykle ich stężenie jest stosunkowo niskie, ale zwykle wzrasta wraz ze stresem i rozwojem procesów patologicznych. Kiedy pojawia się nowotwór złośliwy, kwasy nukleinowe wydzielane przez komórki nowotworowe dostają się do krwioobiegu, a tak charakterystyczne krążące RNA i DNA mogą służyć jako markery choroby.

Obecnie w oparciu o takie markery opracowywane są podejścia do wczesnej diagnostyki nowotworu, metody przewidywania ryzyka jego rozwoju, a także oceny ciężkości choroby i skuteczności terapii. Przykładowo w Instytucie Biologii Chemicznej i Medycyny Podstawowej SB RAS wykazano, że w raku prostaty stopień metylacja pewne odcinki DNA. Opracowano metodę izolowania krążącego DNA z próbek krwi i analizowania jego wzorców metylacji. Metoda ta mogłaby stać się podstawą dokładnej, nieinwazyjnej diagnostyki raka prostaty, która dziś nie istnieje.

Ważnym źródłem informacji o stanie zdrowia może być tzw niekodujące RNA, czyli te RNA, które nie są matrycą do syntezy białek. W ostatnich latach ustalono, że w komórkach powstaje wiele różnych niekodujących RNA, które biorą udział w regulacji różnorodnych procesów na poziomie komórek i całego organizmu. Badanie widma mikroRNA i długich niekodujących RNA w różnych warunkach otwiera szerokie możliwości szybkiej i skutecznej diagnozy. W Instytucie Biologii Molekularnej i Komórkowej SB RAS (IMBB SB RAS, Nowosybirsk) i ICBFM SB RAS zidentyfikowano szereg mikroRNA jako obiecujące markery chorób nowotworowych.

Wykorzystując nowoczesne technologie sekwencjonowania RNA i DNA można stworzyć platformę diagnostyki i prognozowania nowotworów u człowieka w oparciu o analizę zawartości mikroRNA oraz genotypowanie, czyli identyfikację konkretnych wariantów genetycznych konkretnego genu, a także określenie profili wyrażenie(aktywność) genów. Podejście to zakłada możliwość szybkiego i jednoczesnego przeprowadzenia wielu analiz przy użyciu nowoczesnych urządzeń – mikrochipy biologiczne.

Biochipy to miniaturowe urządzenia do równoległej analizy określonych makrocząsteczek biologicznych. Pomysł stworzenia takich urządzeń narodził się w Instytucie Biologii Molekularnej im. V. A. Engelhardt z Rosyjskiej Akademii Nauk (Moskwa) pod koniec lat 80. W krótkim czasie technologie biochipów wyłoniły się jako niezależna dziedzina analiz o ogromnym zakresie zastosowań praktycznych, od badania podstawowych problemów biologii molekularnej i ewolucji molekularnej po identyfikację lekoopornych szczepów bakterii.

Dziś IMB RAS produkuje i wykorzystuje w praktyce lekarskiej autorskie systemy badawcze służące do identyfikacji patogenów szeregu istotnych społecznie infekcji, w tym gruźlicy, przy jednoczesnej identyfikacji ich oporności na leki przeciwdrobnoustrojowe; systemy testowe do oceny indywidualnej tolerancji leków cytostatycznych i wiele więcej.

Rozwój bioanalitycznych metod diagnostycznych wymaga ciągłego doskonalenia wrażliwość– ​możliwość zapewnienia wiarygodnego sygnału przy rejestracji małych ilości wykrytej substancji. Bioczujniki– ​to nowa generacja urządzeń, które pozwalają na specyficzną analizę zawartości różnych markerów chorobowych w próbkach o złożonym składzie, co jest szczególnie istotne przy diagnozowaniu chorób.

IBFM SB RAS we współpracy z Nowosybirskim Instytutem Fizyki Półprzewodników SB RAS opracowuje mikrobiosensory oparte na tranzystory polowe, które należą do najczulszych urządzeń analitycznych. Taki biosensor umożliwia monitorowanie w czasie rzeczywistym interakcji biomolekuł. Jego częścią składową jest jedna z tych oddziałujących cząsteczek, która pełni rolę sondy molekularnej. Sonda wychwytuje z analizowanego roztworu cel molekularny, którego obecność można wykorzystać do oceny specyficznych cech stanu zdrowia pacjenta.

"Medycyna komplementarna

Odkodowanie genomów człowieka i patogenów różnych infekcji otworzyło drogę do opracowania radykalnych podejść do leczenia chorób poprzez ukierunkowanie na ich pierwotną przyczynę – programy genetyczne odpowiedzialne za rozwój procesów patologicznych. Głębokie zrozumienie mechanizmu choroby, w którą zaangażowane są kwasy nukleinowe, umożliwia zaprojektowanie terapeutycznych kwasów nukleinowych, które przywracają utraconą funkcję lub blokują powstałą patologię.

Taki efekt można przeprowadzić stosując fragmenty kwasów nukleinowych – ​syntetyczne oligonukleotydy, zdolne do selektywnego oddziaływania z pewnymi sekwencjami nukleotydowymi w genach docelowych zgodnie z zasadą komplementarność. Sam pomysł wykorzystania oligonukleotydów do ukierunkowanego działania na geny zrodził się po raz pierwszy w laboratorium polimerów naturalnych (później Zakład Biochemii) Nowosybirskiego Instytutu Chemii Bioorganicznej SB RAS (obecnie Instytut Biologii Chemicznej i Medycyny Podstawowej SB RAS). Pierwsze leki powstały w Nowosybirsku ukierunkowane na geny do selektywnej inaktywacji wirusowych i niektórych komórkowych RNA.

Obecnie trwają prace nad podobnymi lekami terapeutycznymi, ukierunkowanymi genowo, w oparciu o kwasy nukleinowe, ich analogi i koniugaty (antysensowne oligonukleotydy, interferujący RNA, aptamery, systemy edycji genomu). Badania ostatnich lat wykazały, że na podstawie oligonukleotydy antysensowne możliwe jest uzyskanie szerokiej gamy substancji biologicznie czynnych, które oddziałują na różne struktury genetyczne i uruchamiają procesy prowadzące do czasowego „wyłączenia” genów lub zmian w programach genetycznych – ​pojawienie się mutacje. Udowodniono, że za pomocą takich związków można zahamować funkcjonowanie niektórych informacyjny RNAżywych komórek, wpływając na syntezę białek, a także chronią komórki przed infekcją wirusową.

Obecnie antysensowne oligonukleotydy i RNA, które tłumią funkcje mRNA i wirusowych RNA, znajdują zastosowanie nie tylko w badaniach biologicznych. Trwają badania nad szeregiem leków przeciwwirusowych i przeciwzapalnych stworzonych na bazie sztucznych analogów oligonukleotydów, a część z nich zaczyna się już wprowadzać do praktyki klinicznej.

Pracownia Chemii Biomedycznej Instytutu Medycyny Biomedycznej SB RAS działająca w tym kierunku powstała w 2013 roku dzięki megagrantowi naukowemu Rządu Federacji Rosyjskiej. Jej organizatorem był profesor Uniwersytetu Yale, laureat Nagrody Nobla S. Altman. Laboratorium prowadzi badania właściwości fizykochemicznych i biologicznych nowych obiecujących sztucznych oligonukleotydów, na bazie których opracowywane są leki przeciwbakteryjne i przeciwwirusowe nakierowane na RNA.

W ramach projektu kierowanego przez S. Altmana przeprowadzono na dużą skalę systematyczne badania wpływu różnych sztucznych analogów oligonukleotydów na mikroorganizmy chorobotwórcze: Pseudomonas aeruginosa, Salmonella, Staphylococcus aureus i wirus grypy. Zidentyfikowano geny docelowe, które mogą najskuteczniej tłumić te patogeny; Oceniane są właściwości technologiczne i terapeutyczne najaktywniejszych analogów oligonukleotydów, w tym wykazujących działanie przeciwbakteryjne i przeciwwirusowe.

W ICBFM SB RAS po raz pierwszy na świecie dokonano syntezy fosforyloguanidyna pochodne oligonukleotydów. Te nowe związki są elektrycznie obojętne, stabilne w środowiskach biologicznych i silnie wiążą się z docelowymi RNA i DNA w szerokim zakresie warunków. Ze względu na szereg unikalnych właściwości są one obiecujące do zastosowania jako środki lecznicze, a także mogą zostać wykorzystane do poprawy efektywności narzędzi diagnostycznych opartych na technologiach biochipów.

Działanie antysensowne na informacyjne RNA nie ogranicza się do prostego blokowania łączenie(proces „dojrzewania” RNA) lub syntezę białek. Bardziej skuteczne jest enzymatyczne cięcie mRNA, wywołane związaniem terapeutycznego oligonukleotydu z celem. W tym przypadku oligonukleotyd, induktor rozszczepienia, może następnie zetknąć się z inną cząsteczką RNA i powtórzyć swoje działanie. W projekcie ICBFM SB RAS badano wpływ oligonukleotydów, które po związaniu z mRNA tworzą kompleksy, które mogą służyć jako substraty dla enzymu RNazy P. Enzym ten sam w sobie jest RNA o właściwościach katalitycznych ( rybozym).

Nie tylko antysensowne nukleotydy, ale także dwuniciowy RNA, działający zgodnie z mechanizmem, okazały się niezwykle potężnym środkiem tłumienia aktywności genów Interferencja RNA. Istota tego zjawiska polega na tym, że po wejściu do komórki długie dsRNA są cięte na krótkie fragmenty (tzw. mały interferujący RNA, siRNA), komplementarny do pewnego regionu informacyjnego RNA. Wiążąc się z takim mRNA, siRNA wyzwalają działanie mechanizmu enzymatycznego, który niszczy cząsteczkę docelową.

Zastosowanie tego mechanizmu otwiera nowe możliwości stworzenia szerokiej gamy wysoce skutecznych, nietoksycznych leków tłumiących ekspresję niemal każdego genu, w tym wirusowego. W ICBFM SB RAS opracowano obiecujące leki przeciwnowotworowe oparte na małych interferujących RNA, które wykazały dobre wyniki w doświadczeniach na zwierzętach. Jednym z ciekawych odkryć jest dwuniciowy RNA o oryginalnej strukturze, który stymuluje produkcję interferon, skutecznie hamując proces przerzutów nowotworowych. Dobrą penetrację leku do wnętrza komórek zapewniają nowe nośniki kationowe. liposomy(pęcherzyki lipidowe), opracowany wspólnie ze specjalistami z Moskiewskiego Państwowego Uniwersytetu Technologii Chemicznych im. M.V. Łomonosowa.

Nowe role kwasów nukleinowych

Rozwój metody reakcji łańcuchowej polimerazy, która umożliwia reprodukcję kwasów nukleinowych – DNA i RNA – w nieograniczonych ilościach oraz pojawienie się technologii selekcji molekularnej kwasów nukleinowych umożliwiło stworzenie sztucznego RNA i DNA o określonych właściwościach . Nazywa się cząsteczki kwasu nukleinowego, które selektywnie wiążą określone substancje aptamery. Na ich podstawie można otrzymać leki blokujące funkcje dowolnych białek: enzymów, receptorów czy regulatorów aktywności genów. Obecnie uzyskano tysiące różnych aptamerów, które znajdują szerokie zastosowanie w medycynie i technologii.

Jednym ze światowych liderów w tej dziedzinie jest amerykańska firma Soma Logic Inc. – ​tworzy tzw przybysze, które są selektywnie wybrane z bibliotek chemicznie modyfikowanych kwasów nukleinowych w oparciu o poziom powinowactwa do określonych celów. Modyfikacje zasady azotowej nadają takim aptamerom dodatkową funkcjonalność „białkową”, co zapewnia wysoką stabilność ich kompleksów z obiektami docelowymi. Ponadto zwiększa to prawdopodobieństwo pomyślnego doboru koamerów dla tych związków, dla których nie można było wybrać konwencjonalnych aptamerów.

Wśród aptamerów wykazujących powinowactwo do celów istotnych klinicznie znajdują się obecnie kandydaci na leki terapeutyczne, które osiągnęły trzecią, kluczową fazę badań klinicznych. Jeden z nich jest Macugena– ​wykorzystywany już w praktyce klinicznej w leczeniu chorób siatkówki; lek stosowany w leczeniu zwyrodnienia plamki siatkówki związanego z wiekiem Fovista pomyślnie przechodzi testy. W przygotowaniu jest wiele podobnych leków.

Ale terapia nie jest jedynym celem aptamerów: cieszą się one dużym zainteresowaniem bioanalityków jako cząsteczki rozpoznające podczas tworzenia biosensory aptamerowe.

W IKhBFM wspólnie z Instytutem Biofizyki SB RAS (Krasnojarsk) opracowywane są bioluminescencyjne aptasensory o przełączalnej strukturze. Otrzymano aptamery pełniące rolę bloku reporterowego czujnika dla fotoproteiny aktywowanej Ca 2+ wybielić, który jest wygodnym znacznikiem bioluminescencyjnym. Czujnik ten jest w stanie „wyłapać” cząsteczki tylko niektórych białek, które wymagają wykrycia w próbce. Obecnie w oparciu o ten schemat projektowane są przełączalne bioczujniki zmodyfikowanych białek krwi, które służą jako markery cukrzycy.

Nowym obiektem wśród terapeutycznych kwasów nukleinowych jest sam informacyjny RNA. Firma Nowoczesna Terapeutyka(USA) prowadzi obecnie zakrojone na szeroką skalę badania kliniczne mRNA. Kiedy mRNA dostaje się do komórki, zachowuje się jak własne. Dzięki temu komórka jest w stanie wytwarzać białka, które mogą zapobiec lub zatrzymać rozwój choroby. Większość z tych potencjalnych leków terapeutycznych jest ukierunkowana na choroby zakaźne (wirus grypy, wirus Zika, wirus cytomegalii itp.) i choroby onkologiczne.

Białka jako lekarstwo

Ogromne sukcesy biologii syntetycznej ostatnich lat znalazły odzwierciedlenie w rozwoju technologii wytwarzania białek terapeutycznych, które są już szeroko stosowane w klinice. Przede wszystkim dotyczy to przeciwciał przeciwnowotworowych, dzięki którym możliwa stała się skuteczna terapia wielu chorób onkologicznych.

Obecnie pojawia się coraz więcej nowych przeciwnowotworowych leków białkowych. Przykładem może być narkotyk laktaptyna, stworzony w ICBFM SB RAS w oparciu o fragment jednego z głównych białek mleka ludzkiego. Naukowcy odkryli, że peptyd ten indukuje apoptoza(„samobójstwo”) komórek ze standardowej hodowli komórek nowotworowych – ludzkiego gruczolakoraka piersi. Stosując metody inżynierii genetycznej uzyskano szereg strukturalnych analogów laktaptyny, spośród których wybrano najskuteczniejszy.

Badania na zwierzętach laboratoryjnych potwierdziły bezpieczeństwo leku oraz jego działanie przeciwnowotworowe i przeciwprzerzutowe wobec szeregu nowotworów ludzkich. Opracowano już technologię wytwarzania laktaptyny w substancji i postaci dawkowania oraz wyprodukowano pierwsze partie eksperymentalne leku.

W leczeniu infekcji wirusowych coraz częściej stosuje się przeciwciała terapeutyczne. Specjalistom z ICBFM SB RAS udało się stworzyć humanizowane przeciwciało przeciwko wirusowi kleszczowego zapalenia mózgu, wykorzystując metody inżynierii genetycznej. Lek przeszedł wszystkie badania przedkliniczne, potwierdzając jego wysoką skuteczność. Okazało się, że właściwości ochronne sztucznego przeciwciała są stukrotnie wyższe niż komercyjnego preparatu przeciwciał otrzymywanego z surowicy dawcy.

Inwazja dziedziczności

Odkrycia ostatnich lat poszerzyły możliwości terapii genowej, co do niedawna wydawało się science fiction. Technologie edycja genomu, bazując na wykorzystaniu układu RNA-białko CRISPR/Cas, są w stanie rozpoznać określone sekwencje DNA i wprowadzić w nich pęknięcia. Podczas „naprawy” ( remont) zaburzenia takie można skorygować poprzez mutacje odpowiedzialne za choroby lub wprowadzić nowe elementy genetyczne w celach terapeutycznych.

Edycja genów otwiera perspektywę radykalnego rozwiązania problemu chorób genetycznych poprzez modyfikację genomu za pomocą metod zapłodnienie in vitro. Zasadnicza możliwość celowych zmian w genach ludzkiego zarodka została już udowodniona eksperymentalnie, a stworzenie technologii zapewniającej narodziny dzieci wolnych od chorób dziedzicznych jest zadaniem na najbliższą przyszłość.

Dzięki edycji genomu można nie tylko „naprawić” geny: podejście to można zastosować do zwalczania infekcji wirusowych opornych na konwencjonalne leczenie. Mówimy o wirusach, które integrują swój genom ze strukturami komórkowymi organizmu, gdzie jest to niedostępne dla nowoczesnych leków przeciwwirusowych. Wirusy te obejmują wirusy HIV-1, wirusy zapalenia wątroby typu B, wirusy brodawczaka, poliomawirusy i wiele innych. Systemy edycji genomu mogą inaktywować wirusowe DNA wewnątrz komórki, pocinając je na nieszkodliwe fragmenty lub wprowadzając do niego inaktywujące mutacje.

Jest oczywiste, że zastosowanie systemu CRISPR/Cas jako środka korygującego mutacje u ludzi stanie się możliwe dopiero po jego udoskonaleniu, zapewniającym wysoki poziom swoistości i przeprowadzeniu szerokiego zakresu testów. Ponadto, aby skutecznie zwalczać niebezpieczne infekcje wirusowe, konieczne jest rozwiązanie problemu skutecznego dostarczania środków terapeutycznych do komórek docelowych.

Najpierw była komórka macierzysta

Jedną z najszybciej rozwijających się dziedzin medycyny jest terapia komórkowa. Wiodące kraje prowadzą już badania kliniczne technologii komórkowych opracowanych do leczenia chorób autoimmunologicznych, alergicznych, onkologicznych i przewlekłych wirusowych.

W Rosji pionierskie prace nad stworzeniem środków terapeutycznych na bazie komórki macierzyste a szczepionki komórkowe przeprowadzono w Instytucie Immunologii Podstawowej i Klinicznej Oddziału Syberyjskiego Rosyjskiej Akademii Nauk (Nowosybirsk). W wyniku badań opracowano metody leczenia nowotworów, wirusowego zapalenia wątroby typu B i chorób autoimmunologicznych, które zaczęto już eksperymentalnie stosować w klinice.

Projekty tworzenia banków hodowli komórkowych od pacjentów z chorobami dziedzicznymi i onkologicznymi do testowania leków farmakologicznych stały się obecnie niezwykle istotne. W Nowosybirskim Centrum Naukowym taki projekt jest już realizowany przez międzyinstytucjonalny zespół pod przewodnictwem prof. SM Zakiyan. Nowosybirscy specjaliści opracowali technologie wprowadzania mutacji do hodowanych komórek ludzkich, w wyniku czego powstają modele komórkowe takich chorób, jak stwardnienie zanikowe boczne, choroba Alzheimera, rdzeniowy zanik mięśni, zespół długiego QT i kardiomiopatia przerostowa.

Opracowanie metod produkcji z konwencjonalnych komórek somatycznych pluripotencjalny rdzeń, zdolny do przekształcenia się w dowolną komórkę dorosłego organizmu, doprowadził do pojawienia się inżynierii komórkowej, która umożliwia przywrócenie uszkodzonych struktur organizmu. Technologie wytwarzania trójwymiarowych struktur dla inżynierii komórkowej i tkankowej na bazie biodegradowalnych polimerów rozwijają się zaskakująco szybko: protezy naczyniowe, trójwymiarowe matryce do hodowli tkanki chrzęstnej i budowy sztucznych narządów.

Tak więc specjaliści z ICBFM SB RAS i Narodowego Centrum Badań Medycznych im. E. N. Meshalkina (Nowosybirsk) opracowała technologię tworzenia protez naczyń krwionośnych i zastawek serca przy użyciu elektroprzędzenie. Dzięki tej technologii z roztworu polimeru można otrzymać włókna o grubości od kilkudziesięciu nanometrów do kilku mikronów. W wyniku serii eksperymentów udało się wybrać produkty o wyjątkowych właściwościach fizycznych, które obecnie z sukcesem przechodzą badania przedkliniczne. Ze względu na wysoką bio- i hemokompatybilność, takie protezy są ostatecznie zastępowane przez własne tkanki organizmu.

Mikrobiom jako przedmiot i przedmiot terapii

Do chwili obecnej genomy wielu mikroorganizmów zakażających ludzi zostały dobrze zbadane i rozszyfrowane. Prowadzone są także badania nad złożonymi zbiorowiskami mikrobiologicznymi, które są stale kojarzone z człowiekiem mikrobiomy.

Znaczący wkład w tę dziedzinę badań wnieśli także krajowi naukowcy. Tym samym specjaliści z Państwowego Centrum Naukowego Wirusologii i Biochemii „Wektor” (Kołcowo, obwód nowosybirski) jako pierwsi na świecie rozszyfrowali genomy wirusów Marburga i ospy prawdziwej, a naukowcy z Instytutu Biologii Chemicznej i Mikrobiologii Uniwersytetu Syberyjski Oddział Rosyjskiej Akademii Nauk rozszyfrował genomy wirusa kleszczowego zapalenia mózgu, czynnika wywołującego boreliozę przenoszoną przez kleszcze, powszechnie występującą w Federacji Rosyjskiej. Badano także zbiorowiska drobnoustrojów powiązane z różnymi rodzajami kleszczy niebezpiecznych dla człowieka.

Obecnie w krajach rozwiniętych aktywnie trwają prace mające na celu stworzenie środków regulujących mikrobiom organizmu człowieka, a przede wszystkim jego przewodu pokarmowego. Jak się okazało, stan zdrowia w dużej mierze zależy od składu mikrobiomu jelitowego. Istnieją już metody oddziaływania na mikrobiom: np. wzbogacanie go o nowe bakterie lecznicze, stosowanie probiotyki, które sprzyjają namnażaniu się pożytecznych bakterii, a także przyjmowaniem bakteriofagów (wirusów bakteryjnych), które selektywnie zabijają „szkodliwe” mikroorganizmy.

W ostatnim czasie na całym świecie nasiliły się prace nad stworzeniem terapii opartych na bakteriofagach ze względu na problem rozprzestrzeniania się bakterii lekoopornych. Rosja jest jednym z niewielu krajów, w których dozwolone jest stosowanie bakteriofagów w medycynie. W Federacji Rosyjskiej istnieje przemysłowa produkcja leków opracowanych jeszcze w czasach sowieckich i aby uzyskać skuteczniejsze bakteriofagi, konieczne jest ich udoskonalenie, a problem ten można rozwiązać metodami biologii syntetycznej.

Jest on rozwiązywany w wielu organizacjach badawczych Federacji Rosyjskiej, w tym w ICBFM SB RAS. Instytut scharakteryzował preparaty fagowe produkowane na skalę przemysłową w Federacji Rosyjskiej, rozszyfrował genomy szeregu bakteriofagów i stworzył ich kolekcję, obejmującą unikalne wirusy, które mogą znaleźć zastosowanie w medycynie. Klinika Instytutu pracuje nad mechanizmami zapewniającymi spersonalizowaną opiekę pacjentom cierpiącym na infekcje bakteryjne wywołane przez drobnoustroje lekooporne. Te ostatnie powstają w trakcie leczenia stopy cukrzycowej, a także na skutek odleżyn czy powikłań pooperacyjnych. Trwają także prace nad metodami korygowania zaburzeń w składzie mikrobiomu człowieka.

Zupełnie nowe możliwości wykorzystania wirusów otwierają się w związku z tworzeniem technologii otrzymywania inteligentnych systemów o wysoce selektywnym działaniu na określone komórki. Rozmawiamy o wirusy onkolityczne, zdolny do infekowania tylko komórek nowotworowych. Kilka takich wirusów jest już wykorzystywanych eksperymentalnie w Chinach i Stanach Zjednoczonych. Prace w tym obszarze prowadzone są także w Rosji, przy udziale specjalistów z moskiewskich i nowosybirskich organizacji badawczych: IMB RAS, SSC VB „Vector”, Nowosybirskiego Uniwersytetu Państwowego oraz ICBFM SB RAS.

Szybki rozwój biologii syntetycznej daje podstawy do oczekiwania w nadchodzących latach ważnych odkryć i pojawienia się nowych technologii biomedycznych, które uchronią ludzkość od wielu problemów i pozwolą faktycznie zarządzać zdrowiem, a nie tylko leczyć choroby dziedziczne i „nabyte”.

Zakres badań w tym obszarze jest niezwykle szeroki. Dostępne już gadżety to nie tylko zabawki, ale naprawdę przydatne urządzenia, które na co dzień dostarczają człowiekowi informacji niezbędnych do kontrolowania i utrzymania zdrowia. Nowe technologie szybkiego, dogłębnego badania pozwalają przewidzieć lub wykryć w odpowiednim czasie rozwój choroby, a spersonalizowane leki oparte na „inteligentnych” biopolimerach informacyjnych radykalnie rozwiążą w najbliższej przyszłości problemy zwalczania chorób zakaźnych i genetycznych.

Literatura

Bryzgunova O. E., Laktionov P. P. Zewnątrzkomórkowe kwasy nukleinowe w moczu: źródła, skład, zastosowanie w diagnostyce // Acta Naturae. 2015. T. 7. Nr 3(26). s. 54-60.

Własow V.V., jeszcze dwa nazwiska itp. Uzupełniające zdrowie. Przeszłość, teraźniejszość i przyszłość technologii antysensownych // NAUKA z pierwszej ręki. 2014. T. 55. nr 1. s. 38-49.

Vlasov V.V., Vorobiev P.E., Pyshny D.V. i wsp. Prawda o terapii fagowej, czyli przypomnienie dla lekarza i pacjenta // NAUKA z pierwszej ręki. 2016. T. 70. nr 4. s. 58-65.

Własow V.V., Zakiyan S.M., Miedwiediew S.P. „Edytorzy genomu”. Od „palców cynkowych” do CRISPR // NAUKA z pierwszej ręki. 2014. T. 56. nr 2. s. 44-53.

Lifshits G.I., Slepukhina A.A., Subbotovskaya A.I. i wsp. Pomiar parametrów hemostazy: oprzyrządowanie i perspektywy rozwoju // Technologia medyczna. 2016. T. 298. nr 4. s. 48-52.

Richter V. A. Ludzkie mleko jest źródłem potencjalnego leku na raka // NAUKA z pierwszej ręki. 2013. T. 52. nr 4. s. 26-31.

Kupryushkin M. S., Pyshnyi D. V., Stetsenko D. A. Guanidyny fosforylowe: nowy typ analogów kwasów nukleinowych // Acta Naturae. 2014. V. 6. Nr 4(23). Str. 116-118.

Nasedkina T. V., Guseva N. A., Gra O. A. i in. Mikromacierze diagnostyczne w onkologii hematologicznej: zastosowania macierzy o dużej i małej gęstości // Mol Diagn Ther. 2009. V. 13. N. 2. s. 91-102.

Ponomaryova A. A., Morozkin E. S., Rykova E. Y. i in. Dynamiczne zmiany w poziomach krążącego miRNA w odpowiedzi na terapię przeciwnowotworową raka płuc // Eksperymentalne badania płuc. 2016. V. 42 N. 2. S. 95-102.

Vorobyeva M., Vorobjev P. i Venyaminova A. Wielowartościowe aptamery: wszechstronne narzędzia do zastosowań diagnostycznych i terapeutycznych // Cząsteczki. 2016. V. 21 N. 12. S. 1612-1633.