Биотехнология

Також життєдіяльність мікроорганізмів  використовується ще в деяких галузях

людського буття. Так, наприклад в  кондитерській промисловості широко

використовують лимонну кислоту, яку дістають в результаті життєдіяльності

спеціально виведених мікроорганізмів. Зараз в світі виробляється близько 400

тис. тонн цього продукту. Такої  кількості лимонної кислоти не забезпечили  б

жодні цитрусові плантації.

Все ширше стає асортимент ферментів  — протеази, нуклеази, амілази,

глюкоамілази, каталази – які продукують мікроорганізми; деякі з них,

наприклад, нуклеази, використовують в генній інженерії.

Крім того, мікроорганізми використовують для отримання вакцин.

Перспективним є використання мікроорганізмів  у гідрометалургії для

вилужування металів із бідних руд  з метою підвищення їхнього добутку.

    

3 ПЕРСПЕКТИВНІ  НАПРЯМКИ НОВОЇ БІОТЕХНОЛОГІЇ

 

Коли кажуть про нову біотехнологію, то мають на увазі генетичну і  клітинну

інженерію, які створили можливість переробки спадкового апарату організмів.

     3.1 Клітинна інженерія

Рослини мають ряд переваг перед  тваринами, бо майже у всіх рослин можна

одержати з однієї соматичної клітини  цілу рослину, яка має здатність  до

запліднення і утворення насіння. На цьому етапі діє клітинна інженерія,

розвиток якої пов’язаний з технікою культивування клітин і тканин вищих

організмів, яка вже пробила  собі дорогу в промисловість.

Під час культивування клітини  вищих рослин можуть розглядатись як типовий

мікрооб’єкт, що дозволяє застосовувати  до них не лише технологію і апаратуру,

але і логіку експериментів, які  прийняті в мікробіології. Культивовані

клітини в ряді випадків зберігають тотипотентність, тобто здатність  перейти

до виконання програми розвитку, в результаті якого із культивованої

соматичної клітини виникне  ціла рослина, яка здатна до нормального  розвитку і

розмноження.

Крім того, потрібно підкреслити, що техніка культури соматичної клітини  зараз

стає винятково важливим інструментом в генетичній інженерії і біотехнології.

Для культивування можуть використовуватись  клітини пухлинних тканин, клітини

різноманітних органів, лімфоцити, фібропласти, ембріони і т.д. Дуже часто

використовуються для наукових цілей перевиваїмі лінії, які  можна культивувати

як завгодно довго. Це клітини нирок  людини і тварин, ракові клітини  людини

(Hela) т.ін.

Клітини тварин і людини вирощують  в спеціальних середовищах в  вигляді

монослою на склі. Для вирощування  суспензійних культур використовують

найрізноманітніші судини-хемостати, ферментери, флакони.

Щоб клітини гарно росли, необхідне  їхнє постійне переміщення. Для цього

розроблені способи культивування  клітин за принципом безперервної зміни

середовища (хемостати). Культивування  клітин проводять при визначеній

температурі (37^оС) і РН середовища (6,8.7,5). Основними компонентами

середовищ для культури є: мінеральні солі, амінокислоти, вітаміни, антибіотики.

Зараз технологія культивування деяких типів клітин тварин настільки гарно

відпрацьована, що може широко використовуватись  в виробничих умовах для

отримання різних продуктів.

Застосування культури клітин людини і тварин для практичних цілей  почалось

вперше з робіт, в яких була продемонстрована можливість вирощування вірусів  в

культивуючих клітинах. Для цього  були (1949 р.) використані клітини  нирок

людського зародку, нирок дорослих мавп, клітини кур’ячого ембріону, а також

клітини перевиваїмих ліній – Hela, BHK-21 (клітини нирки ембріонів  хом’яка)

т. ін. Застосування методу клітинних  культур дозволило налагодити нарощування

вірусів в необхідній кількості  і в досить чистому вигляді, що сприяло

розвитку діагностики вірусних захворювань і отриманню необхідних для медицини

вакцин.

Важливе значення для розвитку клітинної  біотехнології мали праці по

гібридизації соматичних клітин. В 1960 р. французький вчений Ж.Барський

вперше виявив, що соматичні клітини  тварин здатні зливатись і об’єднувати

генетичну інформацію двох батьківських клітин. Але утворення гібридних  клітин

в звичайних умовах відбувається дуже рідко.

Тому була розроблена техніка гібридизації соматичних клітин з використанням

інактивованих вірусів парагрипу  типу Сендай, здатного “склеювати”  і зливати

клітини між собою. При отриманні  вірусу Сендай вдалось добути гібриди  клітин

абсолютно різних видів організмів. Відомі міжвидові гібридні клітини,

наприклад людини і миші, курчатка і людини, москита і людини, корови та норки

та інші. Виявилось можливим також  гібридизувати клітини з різних тканин,

наприклад лімфоцити і фібропласти, нормальні та пухлинні клітини.

Метод гібридизації соматичних клітин тварин і людини зараз знайшов  виключно

важливе застосування для отримання  моноклональних антитіл.

Відомо, що антитіла, що утворюються  в організмі в відповідь на введення

антигена (бактерії, вірусу і т. ін.), є білками, що називаються

імуноглобулінами і захищають  організм від хвороб. Але будь-яке  чужерідне

тіло, яке вводиться в організм, це суміш різних антигенів, що будуть

збуджувати продукцію різних антитіл. До того ж в сиворотці крові  імунизованих

тварин антитіло завжди є сумішшю, що складається з антитіл, які  продукуються

різними лімфоїдними клітинами. Та для практичних цілей необхідні  антитіла

одного типу, тобто моноспецифічні сиворотки з одним типом антитіл. Очистка

одного типу антитіл від сумішей  – справа дуже складна і трудомістка. І ось в

1975 р. Келером і Мільдштеймом  був розроблений спосіб отримання  гібридів між

лімфоцитами мишей, імунизованих перед  цим якимось антигеном і культивуюмими

пухлинними клітинами кісткового мозку (мієломними клітинами).

Ці гібридні клітини отримали назву  гібридоми. Вони об’єднали в собі здатність

лімфоциту утворювати необхідні антитіла (одного типу) і здатність пухлинних

безкінечно довго розмножуватись на штучних середовищах. Культивуючи

гібридоми, а потім імізуючи ними тварин, можна отримати антитіла необхідного

типу і в необмежених кількостях. Показано, наприклад, що з 50.100 мишей  можна

отримати грами моноклональних антитіл. Моноклональні антитіла, отримані

вказаним, зараз використовуються в різних областях медицини і біології.

Виробництво моноклональних антитіл  займає зараз одне з провідних  місць в

біотехнології. Крім широкого використання в фундаментальних дослідженнях вони

застосовуються для отримання  препаратів біологічно активних речовин  високої

чистоти, широко використовуються як діагностичні реагенти, наприклад для

визначення груп крові. Моноклональні  антитіла виявились перспективними для

лікування ряду захворювань, і в  особливості для лікування хворих злоякісними

пухлинами.

Можна назвати 3 напрямки створення  нових технологій на основі культивування

клітин і тканин рослин:

     Перше – отримання промисловим шляхом цінних біологічно-активних

речовин рослинного походження. Так  отримані мутантні клітинні лінії раувольфії

змінної – продуценту індольних  алкалоїдів, які містять в 10 разів  більше

цінного для медицини антиритмічного алкалоїду – аймаліну; дискореї дельтовидної

– продуценту диогеніну, який використовується для синтезу гормональних

препаратів; отриманий штам рути пахучої, який містить в 220 разів більше

алкалоїду рутакридона, ніж в самій  рослині; із суспензійної культури

наперстянки шорсткої, яка містить  серцевий глікозид – дигитоксин, отримали

більш якісну форму – дигоксин – для використання в медицині; із суспензійної

культури м’яти отримали ментол для трансформації пулегона і  ментола.

Дослідження, які були проведені  в наукових лабораторіях світу, вже

реалізуються в промисловому отриманні  клітинних біомас (жень-шень – в  СНД,

воробейник – продуцент шиконігу, тютуну – продуцент убіхінола-10 – в Японії).

     Друге – використання тканинних і клітинних культур для швидкого

клонального мікророзмноження та оздоровлення рослини. Можливість використання

методів клонального розмноження  в стерильній культурі виявлена зараз  для 440

видів рослин, які належать до 82 родин. В порівнянні з традиційними методами

розмноження, які використовуються в сільськогосподарській практиці, клональне

розмноження в культурі дає ряд  переваг:

1) коефіцієнт розмноження вище, ніж при звичайних методах  розмноження. Так, з

однієї рослини гербери методом  традиційної селекції за рік можна  одержати 50-

100 рослин, а при розмноженні  через культуру – до 1 млн.; з  однієї верхівки

яблуні за 8 місяців культури можна  одержати 60 тисяч рослин;

2) можна підтримувати ріст цілий  рік;

3)   тисячі рослин можуть  рости на невеликій лабораторній  площі;

4) разом із розмноженням часто  відбувається оздоровлення рослин  від вірусів

та патогенів;

5) цим методом можна отримувати  рослини, які важко або зовсім  не

розмножуються вегетативно, наприклад, пальма.

Мікроклональне розмноження добре  ведеться з картоплею, капустою, часником,

томатами, цукровим буряком; серед  ягідних культур – найбільші  успіхи

досягнуті у суниці; серед декоративних культур – у іриса, гіацинта, фрезії,

гладіолуса, лілії, орхідних, гвоздики, нарцизів, тюльпанів, гербери.

В останній час широкого використання отримала безвірусна розсада полуниці та

картоплі. Фірма “Кева хакко” розробила  технологію масового вирощування

розсади лілій культурою в ємкості. Ведуться дослідження отримання  штучного

насіння, в особливості гібридів рису першого покоління. Так звану  бляшкову

розсаду квітів і овочів вирощують  методом культури клітин (тканини) і

доставляють фермерам в розсадних  горщиках в лотках.

Техніку зливання клітин вже зараз  застосовується в рослинництві. Так, методом

асиметричного зливання в Японії, наприклад, добуті стійкі до нематодів

кабачки.

Ще в 1988 р. фірма “Кірін біру”  сумісно з американською фірмою розробила

штучне насіння і техніку  масового виробництва клонів салату латука і

сельдереї. Ці ж фірми створили таку саму техніку масового використання

зародків рису. Право застосовувати  ці відкриття на праці отримала корпорація

“Технологія розсади”.

Біотехнологічні дослідження по рису найбільш активно проводять японські фірми

“Міцуї таацу когаку”, “Хокко кагако”, “Ніпон секію”.

     Третю групу складають технології, які пов’язані з генетичними

маніпуляціями на тканинах, клітинах, ізольованих протопластів. Мова про  ці

технології піде в наступному розділі.

     3.2 Генна інженерія

Суть генної інженерії полягає  в штучному створенні (хімічний синтез,

перекомбінації відомих структур) генів з конкретними необхідними  для людини

властивостями і введення його у  відповідну клітину (на сьогодні це частіше

всього бактеріальні клітини, наприклад, кишкова паличка) – створення

“штучної” бактерії – лабораторії  по виготовленню необхідного для  людини

продукту.

     3.2.1 Генна інженерія в тваринництві

Багато спеціалістів, що працюють в області нових методів розведення

сільськогосподарських тварин, вважають, що вже в найближчий час генна

інженерія, пов’язана з пересадкою генів, стане наймогутнішим методом

отримання тварин з необхідними  властивостями. Так, ще в 1986 році

австралійські вчені вперше в світі  створили трансгенну вівцю шляхом введення

в ембріон гену, відповідального  за синтез гормону росту овець. Були

експерименти по передачі гену людського  гормону росту в генетичний апарат

(ДНК) свині. В 1999 році вчені  з Гарвардського університету (США)  виділили

ген, присутній в кур’ячих ніжках і відповідальний за їхній ріст. Ген

пересадили в крила курчат, і  через кілька місяців були створені перші в світі

чотириногі кури. Вчені вважають, що ці тварини будуть мати велике значення в

тваринництві майбутнього.

Великі можливості відкриваються  для біотехнології при використанні методу

клонування ссавців. Цей метод  вже застосовується, наприклад, в  ембріології

корів і овець. Ембріони, що складаються  з     60-80 клітин, роздрібнюють в

спеціальних посудинах їх підрощують до утворення ембріонів, а потім

трансплантують самицям. Таким  чином, в принципі, з одного ембріону можна

отримати кілька десятків тварин.

Найбільш розвинутий в наш час  напрям в біотехнології тварин –  це

трансплантація ембріонів. Цей  метод дозволяє перш за все пришвидшити

розведення тварин з високими спадковими якостями, а також зберегти цінний

генофонд, так як отримані ембріони можна консервувати замороженням і

зберігати скільки завгодно. З допомогою  цього методу вже отримують до 80

нащадків з однієї корови за два  роки. В США таким способом було отримано ще

1980 році 23 тисячі телят, а в  Канаді – 7 тис.

     3.2.2 Генна інженерія в рослинництві

Важливе значення для генетичної інженерії  і біотехнології має розроблений  в

останні 220-25 років метод ізольованих  протопластів. Він дозволяє з допомогою

ферментативного гідролізу руйнувати  клітинні стінки і виділяти в великій