Біотехнологія щодо питань екології

Закони, на яких базується перенесення генетичних рис, були загадкою ще 150 років тому, коли Грегор Мендель вперше почав вивчати спадковість культурних рослин. Досліджуючи ретельно підготовлені експерименти та математичні обрахунки, Мендель прийшов до висновку, що певні невидимі частинки зберігають спадкові риси, та що ці риси переходять з покоління у покоління. Вчений світ виявив неспроможним усвідомити дивовижність мендельського відкриття ще деякий час після смерті великого вченого, але його праці лягли в основу біотехнології.

У 1950-х рр. біологи  здобули великих успіхів у вивченні спадковості. Завдяки з опису структури ДНК Джеймсом Вотсоном і Френсісом Кріком, вчені прийшли до висновку, як генетична інформація зберігається у живих клітинах, як ця інформація залишає відбиток і як вона передається з покоління до покоління.

До 1980-х рр. вчені  вже спробували (і дуже вдало) переміщати частинки генетичної інформації, які  отримали назву гени, від одного організму до іншого. Ця можливість переміщати генетичну інформацію відома як генна інженерія, єдиний процес, який використовували у біотехнології. Залишаючись все ще відносно молодою наукою, біотехнологія подає великі надії. Вона надає дослідникам можливість покращувати якісні та кількісні показники сільськогосподарських культур, які захищені природним шляхом від хвороб та комах. Біотехнологія також забезпечує нові шляхи лікування хронічних захворювань людини, виробництва хімічних речовин та переробки відходів.

[ред.]Біотехнологія в медицині

У медицині біотехнологічні  прийоми і методи грають головну  роль при створенні нових біологічно активних речовин і лікарських препаратів, призначених для ранньої діагностики  і лікування різноманітних захворювань. Антибіотики — найбільший клас фармацевтичних сполук, одержання яких здійснюється за допомогою мікробіологічного синтезу. Створено геноінженерні штами кишкової палички, дріжджів, що культивуються клітин ссавців та комах, використовувані для одержання ростового гормону, інсуліну й інтерферону людини, різноманітних ферментів і противірусних вакцин. Змінюючи нуклеотидну послідовність у генах, що кодують відповідні білки, оптимізують структуру ферментів, гормонів і антигенів (так звана білкова інженерія). Найважливішим відкриттям стала розроблена в 1975 Р. Келером і С. Мільштейном техніка використання гібридом для одержання моноклональних антитіл бажаної специфічності. Моноклональні антитіла використовують як унікальні реагенти, для діагностики і лікування різноманітних захворювань.

[ред.]Біотехнологія в сільському господарстві

Внесок біотехнології  в сільськогосподарське виробництво  полягає в полегшенні традиційних  методів селекції рослин і тварин і розробці нових технологій, що дозволяють підвищити ефективність сільського господарства. У багатьох країнах методами генетичної і клітинної інженерії створені високопродуктивні і стійкі до шкідників, хворобам, гербіцидам сорту сільськогосподарських рослин. Розроблена техніка оздоровлення рослин від накопичених інфекцій, що особливо важливо для вегетативно що розмножуються культур (картопля й ін.). Як одна з найважливіших проблем біотехнології у усьому світі широко досліджується можливість керування процесом азотфіксації, у тому числі можливість уведення генів азотфіксації в геном корисних рослин, а також процесом фотосинтезу. Ведуться дослідження з поліпшення амінокислотного складу рослинних білків. Розробляються нові регулятори росту рослин, мікробіологічні засоби захисту рослин від хвороб і шкідників, бактеріальні добрива. Геноінженерні вакцини, сироватки, моноклональні антитіла використовують для профілактики, діагностики і терапії основних хвороб сільськогосподарських тварин. У створенні ефективніших технологій племінної справи застосовують геноінженерний гормон росту, а також техніку трансплантації і мікроманіпуляцій на ембріонах домашніх тварин. Для підвищення продуктивності тварин використовують кормовий білок, отриманий мікробіологічним синтезом.

[ред.]Біотехнологія у виробництві

Біотехнологічні процеси з використанням мікроорганізмів  і ферментів уже на сучасному  технічному рівні широко застосовуються у харчовій промисловості. Промислове вирощування мікроорганізмів, рослинних і тваринних клітин використовують для одержання багатьох цінних сполук — ферментів, гормонів, амінокислот, вітамінів, антибіотиків, метанолу, органічних кислот (оцтової, лимонної, молочної) і т. д. За допомогою мікроорганізмів проводять біотрансформацію одних органічних сполук в інші (наприклад, сорбіта у фруктозу). Широке застосування в різноманітних виробництвах одержали іммобілізовані ферменти. Для виділення біологічно активних речовин зі складних сумішей використовують моноклональні антитіла. А. С. Спіріним у 1985–1988 розроблені принципи безклітинного синтезу білка, коли замість клітин застосовуються спеціальні біореактори, що містять необхідний набір очищених клітинних компонентів. Цей метод дозволяє одержувати різні типи білків і може бути ефективним у виробництві. Багато промислових технологій заміняються технологіями, що використовують ферменти і мікроорганізми. Такі біотехнологічні методи переробки сільськогосподарських, промислових і побутових відходів, очищення і використання стічних вод для одержання біогазу і добрив. У ряді країн за допомогою мікроорганізмів одержують етиловий спирт, що використовують як пальне для автомобілів (у Бразилії, де паливний спирт широко застосовується, його одержують із цукрового очерету й інших рослин). На спроможності різноманітних бактерій перекладати метали в розчинні сполуки або накопичувати їх у собі заснований витяг багатьох металів із бідних руд або стічних вод.

[ред.]Див. також

• Цитотехнологія
• Хронологія біотехнологій

[ред.]Посилання

• http://www.monsanto.kiev.ua
• http://www.undpsust.kiev.ua
• http://www.consumer.kiev.ua/dialog/monsanto.htm
• http://home.density.com
• Цитология и генетика науковий журнал (ISSN 0564-3783) друкує статті українською, російською та англійською мовами на вибір автора, перекладається на англійську мову (ISSN 0095-4527)

[ред.]Джерела

• ВАК України. Паспорт спеціальності
• Сасон А. Біотехнологія: Здійснення і надії: Пер. з англ. М., 1987.
• Єгоров Н. С., Олескін А. В., Самуїлов В. Д. Біотехнологія: Проблеми і перспективи. М., 1987.
• Bains W. Biotechnology from A to Z. Oxford, 1993.

Практичні досягнення біотехнології  
За допомогою біотехнології отримано безліч продуктів для охорони здоров'я, сільського господарства, продовольчої та хімічної промисловості.  
Причому важливо те, що багато хто з них не могли бути отримані без застосування біотехнологічних способів.  
Особливо великі надії пов'язуються зі спробами використання мікроорганізмів і культур клітин для зменшення забруднення середовища і виробництва енергії.  
У молекулярній біології використання біотехнологічних методів дозволяє визначити структуру геному, зрозуміти механізм експресії генів, змоделювати клітинні мембрани з метою вивчення їх функцій і т.д.  
Конструювання потрібних генів методами генної та клітинної інженерії дозволяє керувати спадковістю і життєдіяльністю тварин, рослин і мікроорганізмів і створювати організми з новими корисними для людини властивостями, раніше не спостерігалися в природі.  
Мікробіологічна промисловість в даний час використовує тисячі штамів різних мікроорганізмів. У більшості випадків вони поліпшені шляхом індукованого мутагенезу і подальшої селекції. Це дозволяє вести широкомасштабний синтез різних речовин.  
Деякі білки і вторинні метаболіти можуть бути отримані тільки шляхом культивування клітин еукаріот. Рослинні клітини можуть служити джерелом ряду сполук - атропін, нікотин, алкалоїди, сапоніни та ін  
У біохімії, мікробіології, цитології безсумнівний інтерес викликають методи іммобілізації як ферментів, так і цілих клітин мікроорганізмів, рослин і тварин.  
У ветеринарії широко використовуються такі біотехнологічні методи, як культура клітин і зародків, овогенез in vitro, штучне запліднення.  
Все це свідчить про те, що біотехнологія стане джерелом не тільки нових продуктів харчування і медичних препаратів, але і отримання енергії і нових хімічних речовин, а також організмів із заданими властивостями.  
 
Біологізація і екологізація  
В даний час все більше набувають популярності ідеї екологізації і в більш широкому сенсі біологізації всієї господарської і виробничої діяльності.  
Під екологізації, як початковим етапом біологізації, можна розуміти скорочення шкідливих викидів виробництва в навколишнє середовище, створення маловідходних і безвідходних промислових комплексів із замкнутим циклом і т. п.  
Біологізацію ж слід розуміти більш широко, як радикальне перетворення виробничої діяльності на основі біологічних законів біотичного кругообігу біосфери.  
Метою подібного перетворення повинно бути вбудовування всієї господарсько-виробничої діяльності в біотичний кругообіг.  
Особливо наочно ця необхідність видно на феномені стратегічної безпорадності хімічного захисту рослин:  
Справа в тому, що в даний час немає в світі жодного пестициду, до якого б не пристосувалися шкідники рослин.  
Більше того, тепер чітко виявилася закономірність подібного пристосування: якщо у 1917р. з'явився один вид комах, що пристосувалися до ДДТ, то в 1980р. таких видів стало 432.  
Застосовувані пестициди і гербіциди вкрай шкідливі не тільки для всього тваринного світу, але і для людини.  
Точно так само в даний час стає зрозумілою і стратегічна безперспективність застосування хімічних добрив. У цих умовах абсолютно природний перехід до біологічного захисту рослин та біоорганічної технології з мінімумом хімічних добрив.  
Вирішальну роль у процесі біологізації сільського господарства може зіграти біотехнологія.  
Можна й потрібно говорити про біологізації техніки, промислового виробництва та енергетики.  
Активно розвивається біоенергетика обіцяє революційні перетворення, оскільки вона орієнтована на поновлювані джерела енергії та сировини.  
Перспективи розвитку біотехнології  
Центральна проблема біотехнології - інтенсифікація біопроцесів як за рахунок підвищення потенціалу біологічних агентів і їх систем, так і за рахунок удосконалення обладнання, застосування біокаталізаторів (іммобілізованих ферментів і клітин) у промисловості, аналітичної хімії, медицині.  
В основі промислового використання досягнень біології лежить техніка створення рекомбінантних молекул ДНК.  
Конструювання потрібних генів дозволяє керувати спадковістю і життєдіяльністю тварин, рослин і мікроорганізмів і створювати організми з новими властивостями.  
Зокрема, можливе управління процесом фіксації атмосферного азоту і перенесення відповідних генів із клітин мікроорганізмів в геном рослинної клітини.  
В якості джерел сировини для біотехнології все більшого значення набуватимуть відтворювані ресурси не харчових рослинних матеріалів, відходів сільського господарства, які служать додатковим джерелом як кормових речовин, так і вторинного палива (біогазу) і органічних добрив.  
Однією з бурхливо розвиваються галузей біотехнології вважається технологія мікробного синтезу цінних для людини речовин. За прогнозами, подальший розвиток цієї галузі спричинить за собою перерозподіл ролей у формуванні продовольчої бази людства рослинництва і тваринництва з одного боку, і мікробного синтезу - з іншого.  
Не менш важливим аспектом сучасної мікробіологічної технології є вивчення участі мікроорганізмів в біосферних процесах і спрямована регуляція їх життєдіяльності з метою вирішення проблеми охорони навколишнього середовища від техногенних, сільськогосподарських і побутових забруднень.  
З цією проблемою тісно пов'язані дослідження з виявлення ролі мікроорганізмів у родючості грунтів (гумусообразованія і поповнення запасів біологічного азоту), боротьбі зі шкідниками та хворобами сільськогосподарських культур, утилізації пестицидів та інших хімічних сполук у грунті.  
Наявні в цій галузі знання свідчать про те, що зміна стратегії господарської діяльності людини від хімізації до біологізації землеробства виправдовується як з економічної, так і з екологічної точок зору.  
У даному напрямку перед біотехнологією може бути поставлена ​​мета регенерації ландшафтів.  
Ведуться роботи по створенню біополімерів, які будуть здатні замінити сучасні пластмаси. Ці біополімери мають істотну перевагу перед традиційними матеріалами, так як нетоксичні і схильні до біодеградації, тобто легко розкладаються після їх використання, не забруднюючи навколишнє середовище.  
Біотехнології, засновані на досягненнях мікробіології, найбільш економічно ефективні при комплексному їх застосуванні і створенні безвідходних виробництв, що не порушують екологічної рівноваги. 

Їх розвиток дозволить замінити багато величезні заводи хімічної промисловості екологічно чистими компактними виробництвами.  
Важливим і перспективним напрямком біотехнології є розробка способів одержання екологічно чистої енергії.  
Отримання біогазу і етанолу були розглянуті вище, але є і принципово нові експериментальні підходи в цьому напрямку.  
Одним з них є отримання фотоводорода:  
«Якщо з хлоропластів виділити мембрани, що містять фотосистему 2, то на світлі відбувається фотоліз води - розкладання її на кисень і водень. Моделювання процесівфотосинтезу, що відбуваються в хлоропластах, дозволило б запасати енергію Сонця у коштовному паливі - водні ».  
Переваги такого способу отримання енергії очевидні:  
· Наявність надлишку субстрату, води;  
· Нелімітіруемий джерело енергії - Сонце;  
· Продукт (водень) можна зберігати, не забруднюючи атмосферу;  
· Водень має високу теплотворну здатність (29 ккал / г) в порівнянні з вуглеводнями (3.5 ккал / г);  
· Процес йде при нормальній температурі без утворення токсичних проміжних продуктів;  
· Процес циклічний, тому що при споживанні водню регенерується субстрат - вода. 

Сьогодні біотехнологія  стрімко висувається на передній край науково-технічного прогресу. Цьому сприяють дві обставини. З одного боку бурхливий розвиток сучасної молекулярної біології і генетики, які спираються на досягненнях хімії і фізики, дозволив використовувати потенціал живих організмів в інтересах господарської діяльності людини. З другого боку ми спостерігаємо гостру критичну потребу в нових технологіях, призваних ліквідувати недостачу продовольства, енергії, мінеральних ресурсів, покращити стан охорони здоров’я та охорони навколишнього середовища. Як наука біотехнологія молода, розвиток її стрімкий. Потік інформації, який торкається біотехнологічних проблем, суперечливий або доступний лише вузькому колу спеціалістів. Ще не закріпились правові та етичні норми, зв’язані з біотехнологією.

Сьогоднішні досягнення в розвитку біотехнології порівняно скромні з її грандіозними перспективами на майбутнє. Але й те, що вона встигла зробити має величезне значення. Біотехнологія, що розвивається носить не якісний, а кількісний характер порівняно з природними процесами. Вчені працюють над проблемою надати злаковим та іншим культурам якість поглинати азот із повітря, а такими якостями азотофікації наділені зернобобові рослини. Ставиться задача широкого обміну генів між різними організмами за допомогою переносу генів і злиття клітин. Вдалось покращити існуючі рослини, надати їм нові якості.

Однак, ще в липні 1974 року одинадцять видатних американських спеціалістів з молекулярної біології і генної інженерії (в тому числі лауреат  Нобелівської премії Джеймс Уотсон) звернулися до вчених всього світу із закликом тимчасово зупинити досліди деяких біотехнологій, щоб всебічно оцінити і вивчити їх можливі негативні наслідки. Подібна ситуація вже мала місце в історії науки, коли в 1940 році спеціалісти з ядерної фізики з різних країн по спільній умові перестали публікувати свої данні, щоб фашистська Германія не змогла використати їх для створення атомної бомби. Правда, тоді розмова йшла тільки про заборону публікації, а зараз – про відмову від самих експериментів. Чим же було визване звернення одинадцяти видатних вчених?

В дослідах часто використовується кишкова паличка. В наш час  це безпечна бактерія. Але вчені  перетворюють її в новий мікроорганізм, який може стати небезпечним для  людини. Розмножується кишкова паличка  дуже швидко(одна клітина за 15 год дає 10 млрд. нащадків), вона широко розповсюджується в навколишньому середовищі. Легко передається від однієї людини до другої через воду, харчі. Якщо хоч одна кишкова паличка, яна володіє новими властивостями випадково з’явиться за межами лабораторії, яка її утворила, станеться страшна епідемія, зупинити яку медицина буде не в силі. Проти мікробу, який виготовлено в пробірці, у нас немає ні природних методів захисту, ні лікарських препаратів. Цей мікроб наділений синтетичними плазмідами, які придають стійкість до різного роду антибіотиків. Ці плазміди легко можуть перейти від однієї кишкової палички до інших – хвороботворних бактерій. Серйозні побоювання визиває і та обставина, що в деякі плазміди була включена ДНКвірусів, які мають властивості пухлинотворних. Важко навіть уявити собі, що буде коли бактерія, штучно виготовлена, для розщеплення нафти випадково з’явиться у нафтопроводі або мактерія, яка з’їдає вуглеводи, випадково попаде в організм людини. У зверненні вчених говорилось:”…не виключено, що нові елементи ДНК, які введено в кишкові палични, отримають широке використання тварин, рослин, бактерій і людей, але наслідки цього непередбачені.”

Категорично заборонено проводити  досліди по введенню в плазмади кишкової палички генів від бактерії яка являється носієм смертельного яду – бутолотоксину, томущо вони ведуть до створення бактеріальної зброї і можуть бути використані у військових цілях.

Визначне місце в біотехнології  займає генна інженарія – технологія перетрорення живих організмів зміною генетичного апарату клітини. Генна інженарія – це новий спосіб управління спадковості живих організмів. Методами геннної інженерії створено більш 50 біологічно активних речовин. Серед них інсулін, гормон росту, ентерферони, мієлопептиди, ферменти. Практично єдиним є генноінженерний шлях утворення вакцин які неможливо або технологічно важко отримати. Таким способом були утворені вакцини для боротьби з вірусами гепатита А і Б, герпеса, ящура, віруса грипу, везикулярного стоматиту. За допомогою генної інженерії зараз вирощені рослини з такими властивостями як несприйняття до паразитів, як морозо- і засухостійкість, підвищний вміст незамінних амінокислот в їх білках. Зараз обговорюються можливості створення водоростей, які будуть опріснювати морську воду, виведення спеціальних мікроорганізмів для очищення стічних вод. Збільшення продуктивності домашніх тварин, збільшення жирності молока у корів, підвищення якості шерсті або пуху у овець, кіз, кроликів, виведення порід, які будуть мати різнобічну продуктивність, теж може бути досягнуто при застосуванні нових біотехнологій.