Современные достижения биотехнологий

Современные достижения биотехнологий 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                                                              Выполнил:

                             Проверил:  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2011г.

Биотехнология – это область человеческой деятельности, которая характеризуется широким  использованием биологических систем всех уровней в самых разнообразных  отраслях науки, промышленного производства, медицины, сельского хозяйства и  других сферах.  

Революционизирующим этапом в развитии биотехнологии  стало использование генных и  клеточных биотехнологий, которые  бурно развивались в последние  десятилетия и уже существенно  повлияли на разные аспекты жизни  человека: здоровье, медицину, питание, демографию, экологию. 

Первыми продуктами генных биотехнологий стали биологически активные белки, широко используемые сегодня  в медицине в качестве лекарственных  средств. Раньше с помощью традиционной биотехнологии различные биологические  соединения получали путём переработки  больших количеств микробного, животного  или растительного материала, используя  природную способность организмов синтезировать эти соединения. Так, для лечения диабета ранее  использовали инсулин, который выделяли из поджелудочных желез свиней. Такой  инсулин был дорогим и, кроме  того, малоэффективным. Ситуация сильно изменилась с момента получения  в 1982 году в США первого генно-инженерного  инсулина человека, синтезируемого клетками кишечной палочки. 

В настоящее  время в практической медицине используются многие биофармацевтические препараты, полученные с помощью генно-клеточной биотехнологии. Наряду с инсулином уже производят разные интерфероны, интерлейкины, лекарства от гемофилии, противораковые и обезболивающие средства, незаменимые аминокислоты, гормон роста, моноклональные антитела и многое другое. И этот список ежегодно пополняется десятками наименований. В лабораториях и клиниках всего мира постоянно идет интенсивный поиск и испытание новых препаратов, в том числе от таких опаснейших болезней, как сердечные заболевания, различные формы рака, СПИД и разнообразные вирусные инфекции.  По оценкам специалистов, сегодня с помощью генных биотехнологий выпускается около 25% всех лекарственных средств в мире. 

Важным этапом развития современной генно-клеточной биотехнологии стало разработка методов получения трансгенных животных и растений (их также называют генетически модифицированными организмами, сокращенно ГМО).  Трансгенный организм – это организм во всех отношениях подобный нетрансгенному, обычному, но содержащий во всех клетках среди десятков тысяч своих собственных генов 1 (редко 2) дополнительный ген (его называют трансген), несвойственный ему в природе. 

Технология создания трансгенных растений привела к революции в области растениеводства. Она позволила получать растения, устойчивые к ряду высоко патогенных вирусов, грибковым и бактериальным инфекциям, насекомым-вредителям, созданию растений с высоким содержанием витамина А, устойчивых к холоду, засоленности почв, засухе, растений с улучшенным содержанием и составом белков и т.д. Так, вмешиваясь в генетические программы растений, можно придавать им функции устойчивости к различным неблагоприятным стрессовым факторам окружающей среды. Использование ГМО существенно повысило эффективность сельского хозяйства, и потому эта технология оказалась востребованной рынком, где другие возможности повышения продуктивности (удобрения, ядохимикаты и т. п.) во многом уже исчерпали себя. 

         В 1994 г. после тщательных всесторонних  полевых испытаний в США была  разрешена коммерческая продажа  первого трансгенного пищевого растения – помидора с уникальным свойством: он может месяцами лежать в недоспелом виде при температуре 12 °С, но как только попадет в тепло, он дозревает буквально за несколько часов. С тех пор на рынок было выпущено много других трансгенных растений; уже удалось получить множество различных форм сои, картофеля, томатов, табака, рапса, устойчивых к разнообразным сельскохозяйственным вредителям. Например, получен трансгенный картофель недоступный для пожирания колорадским жуком. В этом картофеле происходит синтез одного из белков  почвенных бактерий, который токсичен для жука, но совершенно безвреден для человека. Имеются трансгенные растения, способные самостоятельно, без помощи микроорганизмов, фиксировать азот, соддан «золотой» рис с повышенным содержанием витамина А и др. 

В мире уже существуют стада трансгенных коз и коров, у которых в молочной железе синтезируются полезные с медицинской точки зрения вещества, которые потом выделяются с молоком этих животных. Сегодня лекарством служит молоко трансгенных животных, которое содержит такие белки, как инсулин, гормон роста человека, антитромбин, интерферон. В России, например, генными технологами создана порода овец, вырабатывающих вместе с молоком и фермент, необходимый в производстве сыра; российские ученые совместно с коллегами из Бразилии успешно работают над созданием трансгенных коз, молоко которых будет содержать фармацевтический продукт под названием гранулоцит-колониестимулирующий фактор, необходимый для лечения различных заболеваний крови, потребности в котором в мире огромны. 

Во многих научных  центрах ведутся работы по созданию трансгенных животных, используемых в качестве моделей разнообразных наследственных заболеваний человека. Уже получены трансгенные лабораторные животные с повышенной частотой возникновения опухолей, выведены линии животных, в организме которых воспроизводятся такие заболевания человека, как серповидно-клеточная анемия, диабет, нейрологические заболевания, артрит, желтуха, сердечно-сосудистые и ряд наследственных болезней. Такие животные-модели позволяют глубже понять природу различных патологий человека и осуществить на их основе поиск эффективных лекарственных средств. 

Технология трансгеноза в перспективе может быть применена также для создания трансгенных животных, которые могут быть использованы в качестве источников органов и тканей для трансплантологии (у них, в частности, инактивированы антигены, ответственные за тканесовместимость). Уже начаты исследования в этой области на свиньях, которые рассматриваются в качестве возможных кандидатов для трансплантации их органов человеку. Трансгенные растения также планируются использовать в медицинских целях. Например, на их основе разрабатываются вакцины, которые получили название «съедобных». Для этого в растение вводят тот или иной вирусный ген, который обеспечивает синтез соответствующего белка, обладающего свойством антигена. Употребление этого растения в пищу позволяет человеку постепенно приобретать иммунитет к тому или иному вирусу. Другой пример: в Японии создан сорт риса, который позволит больным сахарным диабетом обходиться без лекарств, так как его употребление стимулирует синтез поджелудочной железой собственного инсулина.

Вероятно, именно заметные успехи в области создания ГМО послужили толчком для  возникновения в 1990 году еще одного важного направления генно-клеточной биотехнологии – генной терапии. С помощью генной терапии в клетки, которые страдают от нарушения работы гена, можно доставить «хороший» ген, способный компенсировать работу «плохого». Правда, иногда болезнь вызывается избыточной работой отдельных генов, несвойственных нормальной клетке (например, при вирусной инфекции). В таких случаях следует наоборот подавить  работу «вредного» гена. Один из наиболее перспективных подходов к этому – РНК-интерференция – процесс подавления работы гена с помощью фрагментов молекул РНК, механизм которого раскрыт А. Файром и К. Мелло (и снова Нобелевская премия по физиологии и медицине за 2006 год). Все это и пытаются делать сегодня с помощью генной терапии. Мишенью для генной терапии могут быть как клетки тела (соматические клетки), так и зародышевые клетки (яйцеклетки, сперма). В случае наследственных заболеваний более подходящими для генной терапии могли бы стать зародышевые клетки, исправление которых должно сохраняться и у потомства. Однако в практическом плане сейчас больший интерес представляет соматическая терапия, а генная терапия зародышевых клеток - это проблема отдаленного будущего, хотя в действительности наследственные болезни можно было бы вылечить раз и навсегда, воздействуя именно на половые клетки или клетки эмбрионов на ранних стадиях развития. Введенный ген, попадая в результате искусственного переноса во множество интенсивно делящихся клеток эмбриона, способен предотвратить развитие заболевания. Но этот вид генной терапии связан с целым рядом проблем как технических, так и, главным образом, этических. В частности, высказываются опасения, что такой подход можно будет использовать для производства нового поколения «детей на заказ». 

              Реальностью в настоящее время  представляется только генная  терапия, направленная на соматические  клетки взрослого организма. Из  общего числа известных заболеваний  человека около 30-40% составляют  так называемые генетические  или наследственные болезни. Многие  из этих патологий связаны  с нарушением работы одного  единственного гена. Генная терапия  применима в первую очередь  к таким заболеваниям, поскольку  в этих случаях процесс лечения  существенно облегчается. В настоящее  время, используя информацию о  структуре генома человека и  его отдельных генов, ученые  осуществляют широкомасштабный  поиск средств лечения многих  традиционно считавшихся фатальными  для человека наследственных  и приобретенных болезней, для  которых известен «плохой» ген  и/или его продукт. В первую  очередь это такие заболевания  как гемофилия, муковисцидоз, дефицит аденозиндезаминазы, миодистрофия Дюшенна, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, различные кардио-васкулярные патологии и др. Так, в США и Великобритании были проведены испытания на пациентах с дефектом гена, который кодирует белок, необходимый для нормальной работы сетчатки. В ходе операций этим пациентам вводили «здоровые» копии поврежденного гена в заднюю часть одного глаза. Через полгода пациенты, которые до генной терапии могли различать лишь движения рук, стали способны видеть все линии на таблице проверки зрения. Имеются определенные успехи и при использовании генной терапии для лечения ряда ненаследственных патологий (отдельные формы рака, ишемия) и инфекционных заболеваний (СПИД, гепатит). В настоящее время в разных странах мира уже одобрено свыше 600 протоколов клинических испытаний с использование генной и генно-клеточной терапии. 

Технология генной терапии претерпела за прошедшие  годы значительные изменения. На первых этапах для перенесения генов  в организм полагались в основном на природную способность вирусов, несущих терапевтический ген, проникать  и размножаться в клетках.  Сейчас пришла пора принять в этом участие  нанобиотехнологии. Уже начаты разработки подходов к направленному переносу генов в определенные виды клеток с помощью наночастиц, содержащих на своей поверхности антитела к специфическим антигенам этих клеток. Такие «нагруженные» генами и антителами наночастицы целенаправленно движутся в организме к пораженным местам и оказывают целевой терапевтический эффект. Однако при всех положительных результатах, полученных с помощью генной терапии, она пока остается малоэффективной. Остаются нерешенными такие ключевые проблемы, как целевая доставка генов, длительное и эффективное их функционирование в пораженных тканях. Будущее генной терапии во многом зависит от решения этих проблем.      

Успеху генных биотехнологий в значительной мере способствовало параллельное развитие с ними клеточных биотехнологий. Одним из важных достижений стало  получение и культивирование  стволовых клеток. В конце 70-х  прошлого века были получены убедительные данные о возможности применения трансплантации стволовых клеток костного мозга при лечении острых лейкозов. С этого времени началась новая  эра в медицине. Сначала из эмбрионов  мышей, а потом из эмбрионов человека были получены так называемые эмбриональные  стволовые клетки. Последнее событие  было признано одним из трех наиболее значимых достижений в биологии за XX век (наряду с открытием двойной  спирали ДНК и полной расшифровкой генома человека). 

Существенный  прогресс в современной биотехнология  произошел в связи с разработкой  технологии репродуктивного клонирования животных организмов, т.е. получения  искусственным путем идентичных копий таких организмов. Около 10 лет назад был поднят неимоверный  шум вокруг рождения овцы Долли, о  которой теперь знают все. 

С помощью биотехнологии  получено множество продуктов для  здравоохранения, сельского хозяйства, продовольственной и химической промышленности. Причем важно то, что  многие из них не могли быть получены без применения биотехнологических способов. Особенно большие надежды связываются с попытками использования микроорганизмов и культур клеток для уменьшения загрязнения среды и производства энергии.