что такое биотехнология в биологии

Биотехнология. Генная инженерия

Молекулярный биолог Пробирочка расскажет про биотехнологию и все ее аспекты — от становления до прогресса

Автор

Редакторы

Комикс на конкурс «био/мол/текст»: Генная инженерия и биотехнология, будучи одними из главных направлений научно-технического прогресса, способствуют решению разнообразных задач. За счет генной инженерии совершен огромный шаг навстречу новым технологиям. В этой статье будет рассказано об истории открытия, становления и успехов биотехнологии, а также о тех вопросах, над которыми сейчас работают молекулярные биологи и биотехнологи.

Конкурс «био/мол/текст»-2018

Эта работа опубликована в номинации «Наглядно о ненаглядном» конкурса «био/мол/текст»-2018.

Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Спонсором приза зрительских симпатий выступил медико-генетический центр Genotek.

Генная инженерия и биотехнология, будучи одними из главных направлений научно-технического прогресса, хорошо способствуют решению разнообразных задач.

В настоящее время биотехнология способна решить множество проблем медицины и создания пищевых продуктов. Также особая роль биотехнологии отводится в сельском хозяйстве. Ученые занимаются созданием и дальнейшим культивированием трансгенных растений и синтезом средств их защиты.

За счет генной инженерии был совершен огромный шаг навстречу новым технологиям. Однако ее развитие породило множество споров, в том числе и о ГМО. Несмотря на все слухи, польза ГМО явно видна. ГМ-растениям не страшен холод, пестициды или засуха. Помимо этого, использование генномодифицированных организмов может улучшить качество жизни населения стран третьего мира.

Самая главная молекула. Открытие ДНК

Несомненно, молекула ДНК занимает особое место в биологической науке. Ведь ДНК является носителем всей наследственной информации, сохраняет ее и передает следующему поколению. Именно с открытия знаменитой двойной спирали учеными Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном (1953 г.) начался новый виток в истории человеческой культуры — эпоха генетики, молекулярной биологии, биотехнологии и биомедицины.

Значение ДНК колоссально, поскольку во всех живых организмах генетическая информация существует в виде особой структуры — двойной спирали. Рассмотрим ДНК с химической точки зрения. Молекула представляет собой достаточно длинную цепь из строительных блоков — нуклеотидов. А каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, дезоксирибозы (особого сахара) и фосфатной группы.

Язык науки. Генетический алфавит

Двухцепочечная молекула ДНК хранит генетическую информацию, а генетическим кодом называют систему записи последовательности кодируемого белка нуклеотидами в гене.

Между языком генетики и любым другим языком можно для наглядности провести параллель. Как самый обычный текст, написанный, к примеру, на русском или английском языках, описывающий последовательность действий, так и запись информации в гене о последовательности аминокислот белка состоит из логически упорядоченных букв. То есть вся генетическая информация в молекуле записана набором из четырех букв — так называемым «алфавитом». Нуклеотиды обозначаются буквами А (аденин), Т (тимин), Ц (цитозин) и Г (гуанин). Они одинаковы у всех — от бактерий до человека. Различной будет лишь последовательность этих букв.

Свойства генетического кода:

Кольцо и спираль. Разнообразие форм

После открытия структуры ДНК началось активное развитие молекулярной биологии. Тем не менее, понимая строение ДНК на уровне химической структуры, никто не мог представить, что эта молекула может быть кольцевой. Как теперь известно, кольцевую ДНК имеют бактерии. Но кольцевая молекула есть и у человека, она находится в митохондриях.

Кольцевое строение ДНК наиболее эффективно для ее удвоения, то есть репликации. Репликация кольцевого типа — относительно простой процесс удвоения молекулы. Происходит разделение цепочек исходной молекулы и наращивание по принципу комплементарности новых цепочек по существующим. В результате получаются дочерние ДНК, которые окажутся идентичными копиями исходной. При кольцевом строении молекулы процесс удвоения протекает более точно.

Роль биотехнологии. Правда о ГМО

Переход биологии на молекулярный уровень дал начало развитию биотехнологии. Ее суть состоит в использовании методов генной инженерии для рыночного производства значимых биологических продуктов: новейших лекарств, реагентов для научных исследований и продуктов питания.

Для создания всего вышеперечисленного используют рекомбинантные белки. Это такие искусственно созданные и обладающие новыми свойствами белки, синтез которых контролируют новые гены, внедренные в клетки.

Рекомбинантные ДНК

ДНК — главный материал, с которым работает генный инженер. Но проверять результаты работы и производить рекомбинантный продукт придется с помощью живых организмов. Так, при создании рекомбинантных ДНК нельзя обойтись без кишечной палочки, которая подходит для производства некоторых биотехнологических продуктов. А при работе с эукариотическими генами и белками часто используют пекарские дрожжи. Главная особенность дрожжей — отличная способность к гомологичной рекомбинации. Дрожжи также удобно использовать при производстве рекомбинантных белков, так как они умеют редактировать матричную РНК, их продукты лишены токсичности, а у некоторых видов достаточно высокий выход продукта.

Вышеуказанные микроорганизмы стали моделями для изучения молекулярной организации и отработки генетических техник у прокариот и эукариот. Для обеспечения техники безопасности и удобства работы с рекомбинантными ДНК были созданы различные мутанты кишечной палочки. К примеру, следующие:

Для генных инженеров эта бактерия особо значима, так как:

Однако у кишечной палочки есть и ряд недостатков:

Постепенно увеличивалось влияние биологии на быт и жизнь человека в целом. Это привлекло к ней всеобщее внимание. Рост возможностей современной биотехнологии породило множество споров, в том числе и о ГМО.

Интересный факт

Человечество тысячи лет вмешивается в эволюционные процессы, проводя искусственный отбор организмов с полезными, значимыми для человека спонтанно возникшими мутациями — селекцию. К примеру, когда-то всем известной кукурузы (в современном понимании) и вовсе не существовало. Древние люди занимались скрещиваниями дикого родственника нынешней кукурузы — теосинте. И как выяснилось в результате исследований, геномы теосинте и кукурузы оказались уж очень схожими. Разницу между двумя видами определили несколько десятков генетических мутаций.

Многих пугает даже сама аббревиатура «ГМО», ведь каждый вкладывает в нее какой-то свой смысл, а у многих она ассоциируется с чем-то злым, опасным и даже смертоносным. Вероятнее всего, ГМО нагоняет страх на людей из-за непонимания, что же это такое.

ГМО — это организмы, геном которых был изменен при помощи генетической инженерии. Тем не менее факт остается фактом: за счет эволюционных процессов гены изменяются сами по себе у всех живых организмов. Отличие лишь одно: в процессе эволюции мы не можем контролировать процесс изменения генома, а в лаборатории, используя современные знания и технологии, способны изменять и улучшать гены.

Кстати говоря, у ученых-генетиков нет ни стимулов, ни целей создавать что-либо угрожающее здоровью всего человечества. Специалисты стремятся продвигать научный прогресс и производить те продукты, которые будут нужны людям.

Современная биотехнология. Генная инженерия сегодня

На данный момент перед учеными стоит ряд технологических задач. Можно изменить биологические организмы с помощью генноинженерных и клеточных методов для удовлетворения потребностей человека. К примеру, улучшить качество продуктов, получить новые виды растений и животных, придать различным живым организмам улучшенные свойства и создать необходимые лекарственные препараты за счет методов генетической инженерии.

Несомненно, в биотехнологии важное место занимает генная инженерия, позволяющая «кроить и шить» геномы подопытных организмов. Роль биотехнологии очень велика, поскольку ее способами производят генноинженерные белки (интерфероны, вакцины против серьезных заболеваний), вещества для фармакологии (лекарства, антибиотики, гормоны, антитела). А различные ферментные препараты применяют в производстве стиральных порошков, спирта. Особая роль биотехнологии — синтез средств для защиты растений и создание трансгенных растений

Трансгенные растения: вред или польза?

Люди могли изменять ДНК растений на протяжении многих лет. Скрещивая друг с другом растения с самыми лучшими свойствами, специалисты замечали, что эти свойства будут сохранены в потомстве. Так зародилась селекция.

Работа специалистов-селекционеров упростилась, когда в науке стали применять генетические законы Грегора Менделя. Позже было обнаружено, что возможно улучшить необходимые свойства растений при помощи мутаций. Число этих мутаций можно увеличивать за счет химикатов и рентгеновских лучей. В результате таких экспериментов было получено огромное количество разнообразных сортов растений. Важно знать, что такой метод может дать непредсказуемые результаты, поскольку, как известно, мутации спонтанны.

Конечно, из различных источников информации можно узнать о предполагаемом вреде трансгенных растений. И на второй план уходит одна из главных задач трансгенных организмов — спасение от нехватки важных питательных веществ и голода населения Земли. Существуют такие трансгенные растения, за счет которых удалось спасти человеческие жизни. Хорошим примером послужит золотой рис.

Золотой рис — генетически модифицированный сорт посевного риса, в зернах которого содержится огромное количество бета-каротина. Эти зерна имеют золотисто-желтый цвет. Считается, что это первая сельскохозяйственная культура, которая целенаправленно генетически модифицирована для улучшения пищевой ценности.

Вообще, при обширном выращивании, золотой рис может в несколько раз улучшить качество питания во многих странах (в том числе и в ряде стран третьего мира), где наблюдается нехватка витамина A. В организме человека витамин A производится из бета-каротина, который поступает преимущественно с растительной пищей. Для модификации риса использовали два гена: ген цветка нарцисса и ген бактерии Erwinia uredovora.

Разумеется, сегодня человечество нуждается в развитии новых технологий, а также ресурсов для жизни, удовлетворяющих потребности организма. Инновации вызывают опасения: сейчас некоторые люди не доверяют современным достижениям генетической инженерии.

Все же важно понимать, что новое — не обязательно плохое, всего лишь нужно попытаться разглядеть и положительные стороны, узнать больше о новых достижениях, открытиях, сделать последующие выводы исключительно на основе достоверных фактов. Именно тогда человечество может отграничиться от ряда споров, заблуждений, встать на путь новейших биологических открытий, сделать огромный рывок вперед.

Источник

Медицина будущего: отвечает BIOCAD

Разговор с генеральным директором биотехнологической компании о том, какими будут лекарства и врачи будущего и правда ли, что нас всех скоро зачипируют.

Сегодня перед биотехнологом стоит много нерешённых технологических задач. Можно изменять биологические организмы для обеспечения потребностей людей с помощью клеточных и генно-инженерных методов. Например, улучшать качество продуктов, получать новые виды растений и модифицировать животных, придавать живым организмам необходимые свойства и создавать новые лекарственные препараты методами генной инженерии, искусственного отбора, гибридизации.

Однако, чтобы работать биотехнологом, нужно знать не только генетику, молекулярную биологию, биохимию, клеточную биологию, но также ботанику, химию, математику, информационные технологии, физику и другое. Грубо говоря, биотехнологи — это инженеры в области естественных и точных наук. Генеральный директор инновационной биотехнологической Biocad Дмитрий Морозов рассказал об этой интересной профессии и будущем биотехнологий.

Biocad — это международная инновационная биотехнологическая компания. В ней есть научно-исследовательский центр, проводятся доклинические и клинические исследования собственных фармацевтических препаратов. Департамент перспективных исследований Biocad занимается разработкой лекарственных препаратов передовой генной и клеточной терапии, а, кроме того, поиском и анализом сигнальных путей, закономерностей и мишеней, которые позволяют разрабатывать препараты превентивной медицины.

Что такое биотехнология?

Читайте также :

Биотехнология — это использование живых систем, клеток, организмов для практических нужд человека. То есть использование современной науки для манипуляции с живыми объектами, чтобы получить некую выгоду и улучшить жизнь человека.

Биотехнология отталкивается от потребностей. Например, не зря люди ездят на север и изучают гейзеры. Они понимают, что 10 лет могут искать и ничего не найти. Но они всё равно это делают, потому что рано или поздно найдут какую-нибудь бактерию, которая позволит делать дешёвое биотопливо, используя один ген этой бактерии. Так или иначе каждый человек, когда занимается наукой, надеется её применить (кроме теоретических физиков, хотя, наверное, они тоже захотели бы в космос полететь). В компании Biocad мы используем микроорганизмы для создания лекарств.

Говорят, все открытия происходят на стыке разных специальностей: математика, биология — биоинформатика; биология, химия — биохимия; медицина, информатика, биология — биомедицинская информатика. Это всё отдельные блоки, которыми занимаются разные люди. Биотехнология сегодня, наверное, более всего уделяет внимание созданию лекарств разных типов. Кроме фармацевтического направления биотехнологии интересно сельское хозяйство (улучшение свойств еды), экология, энергетика (получение биотоплива) и прочее. И, конечно, в будущем можно думать о коррекции человека.

Генная инженерия и биотехнология

Читайте также :

Биотехнология — это манипуляции со знаниями, которые есть о данном объекте. Генная инженерия просто расширяет круг возможностей, разных комбинаций, даёт возможность совершать манипуляции на уровне молекул, поэтому более точна.

Биотехнология на самом деле существует столько, сколько сельское хозяйство. В сельском хозяйстве часто есть конкретная практическая цель — например, вывести породу быстрых лошадей или устойчивое к холоду растение. Этим люди занимаются уже сотни лет с помощью селекции, которая на самом деле является генетическим методом отбора.

Биотехнологическая этика: как общество относится к биотеху?

Люди по-разному воспринимают нововведения в биотехнологии. Есть негативные и позитивные примеры восприятия.

Негативные — это, например, мнение, что внедрение нового приведёт к появлению вирусов, которые будут распространяться по всему миру и от которых нет ни вакцины, ни лечения, и что периодические эпидемии именно с этим и связаны.

Из позитивных — например, можно создать вирус, который на время меняет цвет глаз. Постепенно они становятся своего цвета, и каплями антибиотиков можно снова сделать их голубыми. Это мало связано со здравоохранением в привычном смысле, но всё равно здорово. Подобные манипуляции уже в теории можно делать, и к таким технологиям общество относится позитивно и с улыбкой. Однако в целом люди боятся внедрения новых технологий. Да и чтобы внедрить новое, нужно на высшем уровне обсудить этические вопросы того или иного воздействия препарата, и обычно это происходит долго.

Биотехнология в Biocad: лечение нуклеиновой кислотой

Два года назад в Biocad мы открыли Департамент перспективных исследований, основная цель которого — создание лекарственных продуктов передовой генной терапии. Этот термин объединяет три группы лекарственных препаратов, которые не похожи на все остальные лекарства, к которым мы привыкли.

Во-первых, это препараты для генной терапии, во-вторых, это препараты, в основе которых лежит манипуляция с соматическими и стволовыми клетками человека, в-третьих, это препараты тканевой инженерии.

В основе действия классических лекарств лежит либо малая молекула химической природы, либо какой-то белок, например, антитело, который можно легко получить с помощью биотехнологических методов. В нашей разработке лекарственным веществом, то есть действующим фактором, является нуклеиновая кислота РНК или ДНК.

Это новый способ воздействия на организм человека. Это направление не так давно стало бурно развиваться, поэтому к нему пока что относятся с осторожностью.

Как работают препараты для генной терапии

Читайте также :

Наше лекарство — это рекомбинантный вирус, наночастица на базе вируса, внутри которой находится ген, которого недостаёт больному человеку. Направлены эти продукты, как правило, на заболевания, которые плохо поддаются лечению (наследственные заболевания с тяжёлыми проявлениями вплоть до летального исхода в раннем возрасте: дистрофия, нарушение зрения, световосприятия, иммунодефициты). Это в основном моногенные заболевания, в которых проявление болезни обусловлено дефектом одного гена. В таких случаях они очень хорошо лечатся. В лаборатории мы создаем терапевтические вирусные частицы, а биоинформатики помогают нам моделировать их работу.

В случае полигенных заболеваний, например, рака, можно использовать методы генной терапии для модификаций клеток иммунной системы человека, чтобы получать иммунные клетки с высокой специфичностью к опухолевым клеткам. В лабораториях наши учёные осуществляют полный цикл разработки этих двух типов продуктов (от идеи до создания прототипов, готовых для тестирования на животных). Такого в России нет, наверное, нигде.

Перспективные исследования в биотехнологии

медицина будущего: Развитие новых типов лекарств

Возможно, в ближайшие 5-10 лет благодаря взаимосвязи кибернетики и биотехнологии действительно будут созданы умные лекарства. Например, создание очень маленьких чипов: это капсула или робот с частицами лекарственного средства, циркулирующие в крови, из которых в зависимости от состояния человека нужное вещество будет впрыскиваться в кровь. Подобным занимаются, например, в MIT. Уже есть успешные примеры: в зависимости от уровня глюкозы в организм вбрасывается инсулин, что минимизирует степень инвазивности лечебной процедуры. Человек один раз внедрил чип, сделал инъекцию и на очень длительное время забыл, что нужно принимать лекарство.

Даже известный футуролог Рэй Курцвелл говорит, что люди начнут жить дольше с помощью нанороботов к 2025 году. Скорее всего, он имеет ввиду препараты, которые будут бороться с онкологическими заболеваниями.

Нанороботы — новый формат препаратов, потому что с точки зрения веществ, из которых состоят лекарства, люди уже всё сделали. Мы ничего больше предложить не можем — типов химических соединений, которые можно использовать для терапии немного. Это либо белки, либо малые молекулы, либо нуклеиновые кислоты, которые теперь тоже применяются.

Вариантов и тех, и других, и третьих, конечно, можно сделать безграничное количество, но они имеют ограниченный потенциал применения, так как работают по общим химическим принципам. По-другому воздействовать на клетку уже никак невозможно.

Конечно, большинство хочет просто принять таблетку, но не все лекарственные вещества можно в неё «вложить». Более простой вариант — капсула. Более эффективный — инъекция и суппозитории. И если был бы какой-то универсальный способ лечения, например, закалывать какой-то чип с концентратом лекарственного средства под кожу, но раз в год, думаю, многие бы на это пошли.

Диагностика заболеваний

Развитие малоинвазивных методов диагностики будет нужно человеку, чтобы, грубо говоря, по капле крови можно было быстро определять состояние человека: есть ли у него онкологическое заболевание и, если да, то есть ли метастазы, что за рак и прочее.

Сейчас это можно делать по определённому количеству миллилитров крови с помощью высокопроизводительных методов, но пока это довольно дорого. Мы идём к индивидуальному профилированию человека, чтобы знать про себя всё до уровня молекулы. Человек будет понимать, что конкретно с ним происходит в данный момент.

Может возникнуть нечто вроде социальной сети профайлов, где будут храниться все данные — например, по экспрессии генов за последний месяц. Кажется, что здесь всё легко, но на самом деле это миллиарды последовательностей, сотни генов с разными мутациями, разной степени значимости. Поэтому нужен будет новый класс врачей-теоретиков, которые будут уметь интерпретировать это огромное количество данных.

Регенерация, искусственный интеллект

Читайте также :

Наверное, в будущем мы научимся регенерировать ткани и органы. Уже сейчас выращивают органы с нуля до реального размера из клетки благодаря 3D-печати. Также пытаются восстанавливать спинной мозг после травмы — печатать нейроны в месте повреждения. Иными словами, прививать человеку его же клетки, размноженные в лабораторных условиях.

Также учёные будут больше использовать искусственный интеллект и нейросети, чтобы создавать новые лекарственные препараты. Самообучающийся ИИ должен будет сам накапливать достаточное количество знаний, которые позволят ему давать правильные ответы. Если это не контролировать, может, наверное, произойти катастрофа, но, с другой стороны, он сможет значительно развязать руки исследователям и дать возможность генерировать новые идеи, ведь ИИ будет брать на себя все рутинные процедуры.

Источник

БИОТЕХНОЛОГИЯ

Полезное

Смотреть что такое «БИОТЕХНОЛОГИЯ» в других словарях:

биотехнология — биотехнология … Орфографический словарь-справочник

БИОТЕХНОЛОГИЯ — БИОТЕХНОЛОГИЯ, использование живых организмов в производстве и переработке различных продуктов. Некоторые биотехнологические процессы с древних времен использовались в хлебопечении, в приготовлении вина и пива, уксуса, сыра, при различных… … Современная энциклопедия

Биотехнология — в широком смысле пограничная между биологией и техникой научная дисциплина и сфера практики, изучающая пути и методы изменения окружающей человека природной среды в соответствии с его потребностями. Биотехнология в узком смысле совокупность… … Финансовый словарь

Биотехнология — БИОТЕХНОЛОГИЯ, использование живых организмов в производстве и переработке различных продуктов. Некоторые биотехнологические процессы с древних времен использовались в хлебопечении, в приготовлении вина и пива, уксуса, сыра, при различных… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

БИОТЕХНОЛОГИЯ — БИОТЕХНОЛОГИЯ, использование биологических процессов для целей медицины, промышленности или производства. Люди с давних пор использовали дрожжи для сбраживания пищевых продуктов и бактерии для производства сыров и кисломолочных напитков. В… … Научно-технический энциклопедический словарь

биотехнология — совокупность пром. методов, использующих живые организмы (преимущественно одноклеточные) и биол. процессы для производства пищи, лекарственных средств и других полезных продуктов, а также для решения проблем охраны природы, связанных с очисткой… … Словарь микробиологии

Биотехнология — (технология живых систем) 1) дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами … Официальная терминология

БИОТЕХНОЛОГИЯ — использование живых организмов и биологических процессов в промышленном производстве. Развивается микробиологический синтез ферментов, витаминов, аминокислот, антибиотиков и т. п. Перспективно промышленное получение других биологически активных… … Большой Энциклопедический словарь

биотехнология — сущ., кол во синонимов: 1 • технология (34) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

Источник