Frage 1. Was ist Biotechnologie?

Unter Biotechnologie versteht man die Nutzung von Organismen, biologischen Systemen oder biologischen Prozessen in der industriellen Produktion. Zu den Zweigen der Biotechnologie gehören Gen-, Chromosomen- und Zelltechnik, das Klonen landwirtschaftlicher Pflanzen und Tiere, die Verwendung von Mikroorganismen beim Backen, bei der Weinherstellung, bei der Herstellung von Medikamenten usw.

Frage 2. Welche Probleme löst die Gentechnik? Welche Herausforderungen sind mit der Forschung in diesem Bereich verbunden?

Gentechnische Methoden ermöglichen es, die Gene anderer Organismen (z. B. des Menschen) in das Genotyp einiger Organismen (z. B. Bakterien) einzuführen. Die Gentechnik hat es ermöglicht, die Probleme der industriellen Synthese verschiedener menschlicher Hormone durch Mikroorganismen zu lösen, beispielsweise Insulin und Wachstumshormon. Durch die Schaffung gentechnisch veränderter Pflanzen sorgte sie für die Entstehung kälte-, krankheits- und schädlingsresistenter Sorten. Die Hauptschwierigkeit der Gentechnik besteht darin, die Aktivitäten der von außen eingeführten DNA zu überwachen und zu kontrollieren. Es ist wichtig zu wissen, ob transgene Organismen der „Belastung“ fremder Gene standhalten können. Es besteht auch die Gefahr der spontanen Übertragung (Migration) fremder Gene auf andere Organismen, wodurch diese für Mensch und Natur unerwünschte Eigenschaften erlangen können. Zu guter Letzt gibt es noch das ethische Problem: Haben wir das Recht, lebende Organismen zu unserem eigenen Wohl umzugestalten?

Frage 3. Warum ist Ihrer Meinung nach die Auswahl von Mikroorganismen derzeit von größter Bedeutung?

Für das zunehmende Interesse an der Selektion von Mikroorganismen gibt es mehrere Gründe:

• einfache Selektion (im Vergleich zu Pflanzen und Tieren), was auf die hohe Reproduktionsrate und die einfache Kultivierung von Bakterien zurückzuführen ist;
• enormes biochemisches Potenzial (die Vielfalt der von Bakterien durchgeführten Reaktionen – von der Synthese von Antibiotika und Vitaminen bis zur Isolierung seltener chemischer Elemente aus Erzen);
• Einfachheit gentechnischer Manipulationen; Wichtig ist auch, dass das in der Bakterien-DNA eingebaute Gen automatisch seine Arbeit aufnimmt, da (im Gegensatz zu eukaryontischen Organismen) alle prokaryontischen Gene aktiv sind.

Infolgedessen gibt es heute eine Vielzahl von Beispielen für den Einsatz neuer Bakterienstämme in der Praxis: Produktion von Nahrungsmitteln, menschlichen Hormonen, Abfallverarbeitung, Abwasserbehandlung usw.

Frage 4. Nennen Sie Beispiele für die industrielle Produktion und Nutzung von Abfallprodukten von Mikroorganismen.

Seit der Antike sind Milchsäurebakterien für die Herstellung von Joghurt und Käse verantwortlich; Bakterien, die durch alkoholische Gärung gekennzeichnet sind – Synthese von Ethylalkohol; Hefe wird beim Backen und bei der Weinherstellung verwendet.

Seit 1982 wird von Escherichia coli synthetisiertes Insulin im industriellen Maßstab hergestellt. Dies wurde möglich, nachdem das menschliche Insulin-Gen mit gentechnischen Methoden in die DNA des Bakteriums eingebaut wurde. Derzeit ist die Synthese von transgenem Wachstumshormon etabliert, das zur Behandlung von Kleinwuchs bei Kindern eingesetzt wird.

Mikroorganismen sind auch an biotechnologischen Prozessen zur Abwasserbehandlung, Abfallverarbeitung, Beseitigung von Ölverschmutzungen in Gewässern und zur Kraftstoffproduktion beteiligt.

Frage 5. Welche Organismen werden als transgen bezeichnet?

Transgene (gentechnisch veränderte) Organismen sind solche, die künstliche Ergänzungen zum Genom enthalten. Ein Beispiel (neben den oben genannten E. coli) sind Pflanzen, deren DNA ein Fragment eines Bakterienchromosoms enthält, das für die Synthese eines abstoßenden Toxins verantwortlich ist schädliche Insekten. Dadurch wurden Mais-, Reis- und Kartoffelsorten gewonnen, die resistent gegen Schädlinge sind und keinen Einsatz von Pestiziden erfordern. Ein interessantes Beispiel ist der Lachs, dessen DNA mit einem Gen ergänzt wurde, das die Produktion von Wachstumshormonen aktiviert. Dadurch wuchs der Lachs um ein Vielfaches schneller und das Gewicht des Fisches war viel höher als normal.

Frage 6: Welchen Vorteil hat das Klonen? traditionelle Methoden Auswahl?

Beim Klonen geht es darum, exakte Kopien eines bereits existierenden Organismus zu erhalten bekannte Eigenschaften. Dadurch können Sie in kürzerer Zeit bessere Ergebnisse erzielen als mit herkömmlichen Züchtungsmethoden. Material von der Website

Durch das Klonen ist es möglich, mit einzelnen Zellen oder kleinen Embryonen zu arbeiten. Zum Beispiel bei der Zucht großer Mengen Vieh Der Kalbsembryo im Stadium undifferenzierter Zellen wird in Fragmente geteilt und Leihmüttern übergeben. Dadurch entwickeln sich mehrere identische Kälber mit den notwendigen Merkmalen und Eigenschaften.

Bei Bedarf kann auch das Klonen von Pflanzen eingesetzt werden. In diesem Fall erfolgt die Selektion in der Zellkultur (an künstlich kultivierten isolierten Zellen). Und erst dann werden aus Zellen, die über die notwendigen Eigenschaften verfügen, vollwertige Pflanzen gezüchtet.

Das bekannteste Beispiel des Klonens ist die Transplantation des Kerns einer Körperzelle in eine sich entwickelnde Eizelle. Diese Technologie wird es in Zukunft ermöglichen, einen genetischen Zwilling eines beliebigen Organismus (oder, was noch wichtiger ist, seiner Gewebe und Organe) zu erzeugen.

Haben Sie nicht gefunden, was Sie gesucht haben? Nutzen Sie die Suche

Auf dieser Seite gibt es Material zu folgenden Themen:

• Präsentation über Errungenschaften und Entwicklungsperspektiven der Biotechnologie
• Biotechnologisches Klonen mit Video
• Warum glauben Sie, dass die Selektion von Mikroorganismen heutzutage immer beliebter wird?
• Welche Vorteile hat das Klonen gegenüber herkömmlichen Züchtungsmethoden?
• Warum erfreut sich die Selektion von Mikroorganismen heutzutage immer größerer Beliebtheit?

Unter Biotechnologie versteht man die industrielle Nutzung biologischer Wirkstoffe oder ihrer Systeme zur Gewinnung wertvoller Produkte und zur Durchführung gezielter Transformationen.

Biologische Wirkstoffe sind in diesem Fall Mikroorganismen, pflanzliche oder tierische Zellen, Zellbestandteile (Zellmembranen, Ribosomen, Mitochondrien, Chloroplasten) sowie biologische Makromoleküle (DNA, RNA, Proteine ​​– am häufigsten Enzyme). Auch die Biotechnologie nutzt virale DNA oder RNA, um fremde Gene in Zellen zu übertragen.

Der Mensch nutzt die Biotechnologie seit vielen tausend Jahren: Menschen backten Brot, brauten Bier, stellten Käse mit verschiedenen Mikroorganismen her, ohne überhaupt von deren Existenz zu wissen. Tatsächlich tauchte der Begriff selbst vor nicht allzu langer Zeit in unserer Sprache auf; stattdessen wurden die Wörter „industrielle Mikrobiologie“, „technische Biochemie“ usw. verwendet.

Das wohl älteste biotechnologische Verfahren war die Fermentation mittels Mikroorganismen. Dies wird durch eine Beschreibung des Prozesses der Bierherstellung gestützt, die 1981 bei Ausgrabungen in Babylon auf einer Tafel entdeckt wurde, die etwa aus dem 6. Jahrtausend v. Chr. stammt. e.

Im 3. Jahrtausend v. Chr. e. Die Sumerer stellten bis zu zwei Dutzend Biersorten her. Nicht weniger alte biotechnologische Prozesse sind die Weinherstellung, das Brotbacken und die Herstellung von Milchsäureprodukten. Im traditionellen, klassischen Sinne ist Biotechnologie die Wissenschaft von Produktionsmethoden und -technologien verschiedene Substanzen und Produkte, die natürliche biologische Objekte und Prozesse nutzen.

Der Begriff „neue“ Biotechnologie wird im Gegensatz zur „alten“ Biotechnologie verwendet, um Bioprozesse, die gentechnische Techniken nutzen, von traditionelleren Formen von Bioprozessen zu unterscheiden. So ist die übliche Herstellung von Alkohol während des Fermentationsprozesses „alte“ Biotechnologie, der Einsatz von Hefe in diesem Prozess, der durch gentechnische Methoden verbessert wird, um die Alkoholausbeute zu erhöhen, ist jedoch „neue“ Biotechnologie.

Die Biotechnologie als Wissenschaft ist der wichtigste Zweig der modernen Biologie, der wie die Physik Ende des 20. Jahrhunderts entstand. eine der führenden Prioritäten in der Weltwissenschaft und Wirtschaft.

In den 1980er Jahren kam es in der Weltwissenschaft zu einem Aufschwung in der Biotechnologieforschung, aber trotzdem kurzfristig Seit ihrem Bestehen hat die Biotechnologie große Aufmerksamkeit sowohl bei Wissenschaftlern als auch in der breiten Öffentlichkeit auf sich gezogen. Prognosen zufolge werden biotechnologische Produkte bereits zu Beginn des 21. Jahrhunderts ein Viertel der gesamten Weltproduktion ausmachen.

Modernere biotechnologische Verfahren basieren auf rekombinanten DNA-Methoden sowie auf der Verwendung immobilisierter Enzyme, Zellen oder Zellorganellen.

Moderne Biotechnologie ist die Wissenschaft der Gentechnik und zellulärer Methoden zur Herstellung und Verwendung genetisch veränderter biologischer Objekte, um die Produktion zu verbessern oder neue Arten von Produkten für verschiedene Zwecke zu erhalten.

Hauptrichtungen der Biotechnologie

Herkömmlicherweise lassen sich folgende Hauptbereiche der Biotechnologie unterscheiden:

Lebensmittelbiotechnologie;
- Biotechnologie von Arzneimitteln für Landwirtschaft;
- Biotechnologie von Arzneimitteln und Produkten für Industrie- und Haushaltszwecke;
- Biotechnologie Medikamente;
- Biotechnologie diagnostischer Werkzeuge und Reagenzien.

Zur Biotechnologie gehören auch das Auslaugen und Konzentrieren von Metallen, der Schutz der Umwelt vor Verschmutzung, der Abbau giftiger Abfälle und eine verstärkte Ölgewinnung.

Entwicklung der Biokraftstoffrichtung

Die Vegetationsdecke der Erde beträgt mehr als 1.800 Milliarden Tonnen Trockenmasse, was energetisch den bekannten Energiereserven von Mineralien entspricht. Wälder machen etwa 68 % der terrestrischen Biomasse aus, Grasökosysteme etwa 16 % und Ackerland nur 8 %. Für Trockenmasse der einfachste Weg Die Umwandlung in Energie besteht in der Verbrennung – sie liefert Wärme, die wiederum in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt wird.

Was den Rohstoff betrifft, so ist in diesem Fall die Produktion von Biogas (Methan) die älteste und effektivste Methode zur Umwandlung von Biomasse in Energie. Die „Fermentation“ von Methan oder Biomethanogenese ist ein seit langem bekannter Prozess zur Umwandlung von Biomasse in Energie. Es wurde 1776 eröffnet. Volta, der das Vorhandensein von Methan im Sumpfgas feststellte.

Abfälle aus der Lebensmittelindustrie und der landwirtschaftlichen Produktion zeichnen sich durch einen hohen Kohlenstoffgehalt aus (bei der Rübendestillation bis zu 50 g Kohlenstoff pro 1 Liter Abfall) und eignen sich daher am besten für die Methan-„Fermentation“, insbesondere seit einigen Jahren von ihnen werden bei einer für diesen Prozess günstigsten Temperatur gewonnen.

Die Konferenz der Vereinten Nationen über Wissenschaft und Technologie für Entwicklungsländer (1979) und Experten der Wirtschafts- und Sozialkommission für Asien und den Pazifik betonten die Vorzüge von Agrarprogrammen, die Biogas nutzen.

Es ist zu beachten, dass 38 % der weltweit 95 Millionen Rinder, 72 % der Zuckerrohrrückstände und 95 % der Bananen-, Kaffee- und Zitrusabfälle aus Ländern in Afrika, Lateinamerika, Asien und dem Nahen Osten stammen. Es ist nicht verwunderlich, dass in diesen Regionen große Mengen an Rohstoffen für die „Fermentation“ von Methan konzentriert sind.

Die Folge davon war die Ausrichtung einiger Länder mit agrarisch orientierter Wirtschaft auf Bioenergie. Die Produktion von Biogas durch Methanvergärung von Abfällen ist eine der möglichen Lösungen für das Energieproblem in den meisten ländlichen Gebieten von Entwicklungsländern.

Die Biotechnologie kann einen wesentlichen Beitrag zur Lösung von Energieproblemen leisten, auch durch die Herstellung von relativ billigem biosynthetischem Ethanol, das darüber hinaus ein wichtiger Rohstoff für die mikrobiologische Industrie bei der Herstellung von Lebens- und Futterproteinen sowie Protein-Lipid-Futtermitteln ist Vorbereitungen.

Fortschritte in der Biotechnologie

Die Biotechnologie hat viele Produkte für das Gesundheitswesen, die Agrar-, Lebensmittel- und Chemieindustrie hervorgebracht. Darüber hinaus ist es wichtig, dass viele von ihnen ohne den Einsatz biotechnologischer Methoden nicht gewonnen werden könnten. Besonders große Hoffnungen sind mit Versuchen verbunden, Mikroorganismen und Zellkulturen zur Reduzierung der Umweltbelastung und zur Energiegewinnung einzusetzen.

In der Molekularbiologie ermöglicht der Einsatz biotechnologischer Methoden, die Struktur des Genoms zu bestimmen, den Mechanismus der Genexpression zu verstehen, Zellmembranen zu modellieren, um ihre Funktionen zu untersuchen usw.

Der Aufbau der notwendigen Gene mithilfe gen- und zellularer Methoden ermöglicht es, die Vererbung und Vitalaktivität von Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen zu kontrollieren und Organismen mit neuen, für den Menschen nützlichen Eigenschaften zu schaffen, die bisher in der Natur nicht beobachtet wurden.

Die Mikrobiologieindustrie verwendet derzeit Tausende Stämme verschiedener Mikroorganismen. In den meisten Fällen werden sie durch induzierte Mutagenese und anschließende Selektion verbessert. Dies ermöglicht die Synthese verschiedener Substanzen im großen Maßstab. Einige Proteine ​​und Sekundärmetaboliten können nur durch die Kultivierung eukaryotischer Zellen hergestellt werden. Pflanzenzellen kann als Quelle einer Reihe von Verbindungen dienen – Atropin, Nikotin, Alkaloide, Saponine usw.

In der Biochemie, Mikrobiologie und Zytologie sind Methoden zur Immobilisierung sowohl von Enzymen als auch ganzer Zellen von Mikroorganismen, Pflanzen und Tieren zweifellos von Interesse. In der Veterinärmedizin werden häufig biotechnologische Methoden wie Zell- und Embryonenkultur, In-vitro-Oogenese und künstliche Befruchtung eingesetzt.

All dies deutet darauf hin, dass die Biotechnologie nicht nur eine Quelle für neue Nahrungsmittel und Medikamente, sondern auch für Energie und neue chemische Substanzen sowie für Organismen mit gewünschten Eigenschaften sein wird.

Video: Biotechnologie und die Entstehung neuer Therapeutika.

Bioengineering ist eines der vielversprechendsten wissenschaftliche Richtungen, mit deren Hilfe Sie neue Organe oder sogar Körperteile für deren weitere Transplantation in einen lebenden Menschen schaffen können. Langfristig wird die Biotechnologie es einem kranken Menschen ermöglichen, ein neues Auge, ein neues Herz und andere lebenswichtige Organe zu erhalten.

Viele glauben, dass Bioingenieure versuchen, „Gott zu spielen“, und dass ihre Leistungen nicht zur Rettung von Leben, sondern zur Verbesserung genutzt werden können menschlicher Körper im Widerspruch zu den Naturgesetzen. Das scheint Science-Fiction zu sein, aber die jüngsten Fortschritte in der Biotechnik lassen das Gegenteil vermuten.

Ohr

Das menschliche Ohr ist in seiner Struktur ein recht komplexes Organ. Wie sich jedoch herausstellt, ist die Biotechnologie zu viel fähig. So gelang es Wissenschaftlern der Princeton University unter der Leitung von Associate Professor Michael McAlpine, ein künstliches menschliches Ohr zu schaffen, das sie im Mai 2013 vorstellten. Dazu nutzten Bioingenieure die dreidimensionale Drucktechnik, mit der sie mithilfe elektronischer Geräte ein Ohr aus tierischen Zellen herstellten. Wenn es einem Menschen transplantiert wird, kann er Funkfrequenzen erkennen, die ihm zuvor nicht zugänglich waren.

Blutgefäße

Das menschliche Kreislaufsystem ist ein sehr komplexer Mechanismus, dessen Versagen zu Diabetes, Herz-Kreislauf- und Nierenerkrankungen führen kann. Aber Biotechnik wirkt Wunder. Im Jahr 2011 gelang es den Spezialisten für Cytograft Tissue Engineering, künstliche Blutgefäße herzustellen. Sie wurden drei Patienten mit Nierenerkrankungen implantiert. Das Ergebnis des Experiments verblüffte die Wissenschaftler: Acht Monate nach der Operation funktionierten die mittels Biotechnik geschaffenen Blutgefäße noch einwandfrei.

Herz

In den 1980er Jahren gelang Herzchirurgen ein echter Durchbruch, indem sie einem Menschen ein künstliches Herz transplantierten. Natürlich ist ein lebendes Herz schwer zu ersetzen, aber mit der Entwicklung der Wissenschaft haben Fortschritte in der Biotechnik es ermöglicht, den Einsatz künstlicher Herzen zu verbessern biologische Materialien und Spezialisten des Massachusetts Institute of Technology gelang es, aus Nagetierzellen ein Herz auf einem 3D-Drucker zu drucken. Hoffen wir, dass Fortschritte in der Biotechnik bald das „Drucken“ von künstlichem Material ermöglichen Menschenherz, der Gegenwart nicht unterlegen.

Leber

Die Biotechnologie steht bereits kurz davor, eine künstliche menschliche Leber zu schaffen. So wurden 2010 von Spezialisten aus dem Baltikum Miniaturproben dieser Orgel erstellt Ärztezentrum an der Wake Forest University unter Verwendung tierischer und menschlicher Zellen. Darüber hinaus wurde an der Yokohama-Universität ein Experiment durchgeführt, bei dem Leber-„Embryonen“ entstanden. Aber um ein funktionierendes Organ zu schaffen, werden Tausende solcher Elemente benötigt.

Luftröhre

Auch wenn die Biotechnologie der Menschheit noch keine künstliche Leber geben kann, kann sie eine Luftröhre schaffen. So wurde im amerikanischen Bundesstaat Illinois der 2,5-jährigen Hannah Warren eine künstlich gewachsene Luftröhre transplantiert. Die Operation verlief erfolgreich, doch am 7. Juli 2013 starb das Mädchen an den Folgen einer früheren Operation an der Speiseröhre.

Bandscheiben

Schon eine leichte Verschiebung der Bandscheiben führt dazu Best-Case-Szenario, zu starken Rückenschmerzen und im schlimmsten Fall ist ein chirurgischer Eingriff unumgänglich. Doch infolge der Operation verbinden Ärzte einfach die Wirbel miteinander, wodurch die Person ihrer Mobilität beraubt wird. IN in seltenen Fällen Es werden künstliche Bandscheiben verwendet, die schnell verschleißen. Glücklicherweise hat die Biotechnologie auch hier alle Erwartungen erfüllt. In diesem Jahr haben Spezialisten der Duke University eine Bandscheibe entwickelt, die bei Implantation in den Interdiskalraum das entsprechende Gewebe wiederherstellen kann und im Körper des Patienten quasi eine Bandscheibe wachsen lässt.

Innereien

Die Verwendung von Kollagen und Stammzellen hat es der Biotechnik ermöglicht, einen kleinen künstlichen Darm zu schaffen. Allerdings haben Wissenschaftler noch einen langen Weg vor sich, um ein vollwertiges Organ zu schaffen.

Knospe

Die Niere ist eines der begehrtesten Organe. Allein in den Vereinigten Staaten stehen etwa 60.000 Patienten mit Nierenversagen auf der Warteliste für eine Nierentransplantation. Vielleicht können Spezialisten der University of California dieses Problem lösen. Mithilfe neuester Fortschritte in der Biotechnik arbeiten sie daran, eine künstliche Niere aus Silikon-Nanofiltern und menschlichen Nierenzellen zu schaffen. Wissenschaftler hoffen, dieses Gerät bereits 2017 testen zu können.

Obwohl Arzneimittel und Produkte, die aus industriellen („weißen“) Biotechnologieprozessen stammen, derzeit den Markt für Biotechnologieprodukte dominieren, sind die beeindruckendsten Erfolge und Durchbrüche in diesem Bereich mit dem Einsatz von Zell- und Gentechnik verbunden.

Die Genomik ist ein Zweig der Biotechnologie, der sich mit der Untersuchung von Genomen und der Rolle beschäftigt, die verschiedene Gene einzeln und gemeinsam bei der Bestimmung der Struktur, der Steuerung von Wachstum und Entwicklung und der Regulierung biologischer Funktionen spielen. Es gibt strukturelle und funktionelle Genomik.

Gegenstand der Strukturgenomik ist die Erstellung und der Vergleich verschiedener Arten von Genomkarten und die groß angelegte DNA-Sequenzierung. Das Human Genome Project und das weniger bekannte Plant Genome Research Program sind die größten Studien zur Strukturgenomik. Zur strukturellen Genomik gehört auch die Identifizierung, Lokalisierung und Charakterisierung von Genen.

Private und öffentliche Strukturgenomikprojekte haben Genomkarten erstellt und DNA-Sequenzen einer großen Anzahl von Organismen entschlüsselt, darunter landwirtschaftliche Pflanzen, pathogene Bakterien und Viren, Hefe, die für die Zubereitung einiger Lebensmittel und die Bierproduktion erforderlich ist, stickstofffixierende Bakterien und Plasmodium falciparum und Mücken, die es übertragen, sowie Mikroorganismen, die vom Menschen in einer Vielzahl industrieller Prozesse verwendet werden. Im Jahr 2003 wurde das Humangenomprojekt abgeschlossen.

Gegenstand und Bereich der funktionellen Genomik ist die Genomsequenzierung, Identifizierung und Kartierung von Genen, Identifizierung von Genfunktionen und Regulationsmechanismen. Um die Unterschiede zwischen Arten zu verstehen, ist die Hauptaufgabe nicht die Kenntnis der Anzahl der Gene, sondern das Verständnis ihrer Unterschiede in Zusammensetzung und Funktion sowie die Kenntnis der chemischen und strukturellen Unterschiede in den Genen, die den Unterschieden zwischen Organismen zugrunde liegen. Die Evolutionsanalyse wird nach und nach zur wichtigsten Methode zur Aufklärung der Funktionen und Interaktionen von Genen innerhalb des Genoms.

Aufgrund der Tatsache, dass der genetische Code universell ist und alle lebenden Organismen in der Lage sind, die genetische Information anderer Organismen zu entschlüsseln und die darin enthaltenen Informationen umzusetzen biologische Funktionen Jedes im Rahmen eines bestimmten Genomprojekts identifizierte Gen kann in einer Vielzahl praktischer Anwendungen verwendet werden:
- um die Eigenschaften von Pflanzen gezielt zu verändern und ihnen die gewünschten Eigenschaften zu verleihen;
- Isolierung spezifischer rekombinanter Moleküle oder Mikroorganismen;
- Identifizierung von Genen, die an der Umsetzung komplexer Prozesse beteiligt sind, die von vielen Genen gesteuert werden und von deren Einfluss abhängig sind Umfeld;
- Nachweis mikrobieller Kontamination von Zellkulturen etc.

Proteomik ist die Wissenschaft, die die Struktur, Funktion, Lokalisierung und Wechselwirkungen von Proteinen innerhalb und zwischen Zellen untersucht. Die Ansammlung von Proteinen in einer Zelle wird als Proteom bezeichnet. Im Vergleich zur Genomik stellt die Proteomik die Forscher vor weitaus zahlreichere und schwierigere Herausforderungen. Die Struktur von Proteinmolekülen ist viel komplexer als die Struktur von DNA-Molekülen, bei denen es sich um lineare Moleküle handelt, die aus vier sich unregelmäßig wiederholenden Elementen (Nukleotiden) bestehen.

Die Form, die ein Proteinmolekül annimmt, hängt von der Reihenfolge der Aminosäuren ab, aber nicht alle Mechanismen der Verdrehung und Faltung der Aminosäurekette sind vollständig geklärt. Die Aufgabe der Forscher im Human Genome Project bestand darin, Methoden zu entwickeln, mit denen sie ihre Ziele erreichen konnten.

In der Proteomik tätige Wissenschaftler befinden sich nun in einer ähnlichen Lage: Sie müssen eine ausreichende Anzahl von Methoden und Techniken entwickeln, die dies ermöglichen könnten effektive Arbeitüber eine Vielzahl von Fragen:
- Katalogisierung aller synthetisierten Proteine verschiedene Arten Zellen;
- Aufklärung der Art des Einflusses von Alter, Umweltbedingungen und Krankheiten auf die von der Zelle synthetisierten Proteine;
- Aufklärung der Funktionen identifizierter Proteine;
- Untersuchung der Wechselwirkungen verschiedener Proteine ​​mit anderen Proteinen innerhalb der Zelle und im extrazellulären Raum.

Das Potenzial des Protein-Engineerings ermöglicht es, die Eigenschaften von in der Biotechnologie verwendeten Proteinen (Enzyme, Antikörper, zelluläre Rezeptoren) zu verbessern und grundlegend neue Proteine ​​zu schaffen, die als Arzneimittel zur Verarbeitung und Verbesserung der Nährwert- und Geschmackseigenschaften von Lebensmitteln geeignet sind. Die bedeutendsten Fortschritte im Protein-Engineering liegen in der Biokatalyse. Es wurden neue Arten von Katalysatoren entwickelt, darunter solche, die Enzymimmobilisierungstechniken nutzen, die in einem nichtwässrigen Medium mit erheblichen pH- und Temperaturverschiebungen funktionieren können und außerdem wasserlöslich und katalytisch sind biologische Reaktionen bei neutralem pH-Wert und relativ niedrigen Temperaturen.

Protein-Engineering-Technologien ermöglichen die Gewinnung neuer Arten von Proteinen für biomedizinische Zwecke, beispielsweise solcher, die in der Lage sind, an Viren und mutierte Onkogene zu binden und diese zu neutralisieren; Erstellen Sie hochwirksame Impfstoffe und Zelloberflächenrezeptorproteine, die als Angriffspunkte für Arzneimittel dienen, sowie Substanzbindemittel und biologische Wirkstoffe, die für chemische und biologische Angriffe eingesetzt werden können. Somit sind Hydrolase-Enzyme in der Lage, sowohl Nervengase als auch in der Landwirtschaft verwendete Pestizide zu neutralisieren, und ihre Herstellung, Lagerung und Verwendung stellen keine Gefahr für die Umwelt und die menschliche Gesundheit dar.

Modernste biotechnologische Methoden ermöglichen es, viele Krankheiten und pathologische Zustände schnell und mit hoher Genauigkeit zu diagnostizieren. Um einen Standardtest zur Bestimmung des Vorhandenseins von Lipoproteinen niedriger Dichte („schlechtes“ Cholesterin) im Blut durchzuführen, sind daher drei separate teure Tests erforderlich: Bestimmung des Gehalts an Gesamtcholesterin, Triglyceriden und Lipoproteinen hoher Dichte. Darüber hinaus wird dem Patienten empfohlen, 12 Stunden vor dem Test keine Nahrung zu sich zu nehmen.

Der neue biotechnologische Test besteht aus einem Schritt und erfordert kein vorheriges Fasten. Diese Tests sind nicht nur schnell, sondern reduzieren auch die Diagnosekosten erheblich. Bisher wurden biotechnologische Tests entwickelt und zur Diagnose bestimmter Arten von Tumorprozessen eingesetzt, die keiner Behandlung bedürfen große Menge Blut, was eine Totalbiopsie ausschließt Anfangsstadien Diagnostik

Die Biotechnologie senkt nicht nur die Kosten und erhöht die Genauigkeit und Geschwindigkeit der Diagnose, sondern ermöglicht auch die Diagnose von Krankheiten in viel früheren Stadien als bisher. Dies wiederum bietet den Patienten eine viel höhere Heilungschance. Neueste biotechnologische Methoden der Proteomik ermöglichen es, molekulare Marker zu identifizieren, die eine bevorstehende Krankheit signalisieren, noch bevor aufgezeichnete zelluläre Veränderungen und Krankheitssymptome auftreten.

Die enorme Informationsmenge, die durch den erfolgreichen Abschluss des Humangenomprojekts zur Verfügung steht, dürfte eine besondere Rolle bei der Entwicklung diagnostischer Methoden für Erbkrankheiten wie Typ-1-Diabetes, Mukoviszidose, Alzheimer und Parkinson spielen. Bisher wurden Erkrankungen dieser Klasse erst nach Auftreten klinischer Symptome diagnostiziert; neueste Methoden ermöglichen es, vor dem Auftreten klinischer Symptome Risikogruppen zu identifizieren, die für Krankheiten dieser Art prädisponiert sind.

Biotechnologisch entwickelte diagnostische Tests verbessern nicht nur die Diagnose von Krankheiten, sondern verbessern auch die Qualität der Gesundheitsversorgung. Die meisten biotechnologischen Tests sind tragbar, sodass Ärzte direkt am Krankenbett des Patienten Tests durchführen, Ergebnisse interpretieren und eine geeignete Behandlung verschreiben können. Biotechnologische Methoden zur Identifizierung von Krankheitserregern sind nicht nur für die Diagnose von Krankheiten wichtig.

Einer der meisten anschauliche Beispiele Ihre Verwendung besteht darin, Spenderblut auf das Vorhandensein von HIV-Infektionen und Hepatitis-B- und -C-Viren zu untersuchen. Vielleicht werden biotechnologische Ansätze es Ärzten im Laufe der Zeit ermöglichen, die Art des Infektionserregers zu bestimmen und in jedem Einzelfall das wirksamste antibakterielle Mittel auszuwählen Medikamente, nicht in einer Woche, wie es üblich ist moderne Methoden, und das innerhalb weniger Stunden.

Die Einführung biotechnologischer Ansätze im Laufe der Zeit wird es Ärzten nicht nur ermöglichen, sich zu verbessern bestehende Methoden Therapien zu entwickeln, sondern auch grundlegend neue Therapien zu entwickeln, die vollständig auf neuen Technologien basieren. Heutzutage ganze Zeile Biotechnologische Behandlungen sind von der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) zugelassen. Die Liste der Krankheiten, die solchen Therapiemethoden unterliegen, umfasst: Anämie, Mukoviszidose, Wachstumsverzögerung, rheumatoide Arthritis, Hämophilie, Hepatitis, Genitalwarzen, Transplantatabstoßung sowie Leukämie und eine Reihe anderer bösartiger Erkrankungen.

Der Einsatz biotechnologischer Methoden ermöglicht die Herstellung sogenannter „essbarer Impfstoffe“, die aus gentechnisch veränderten Pflanzen und Tieren synthetisiert werden. So wurden gentechnisch veränderte Ziegen geschaffen, deren Milch einen Impfstoff gegen Malaria enthält. In klinischen Studien mit Bananen, die einen Impfstoff gegen Hepatitis enthalten, und Kartoffeln, die Impfstoffe gegen Cholera und pathogene E. coli-Stämme enthalten, wurden ermutigende Ergebnisse erzielt. Besonders vielversprechend für den Einsatz in Entwicklungsländern sind solche Impfstoffe (zum Beispiel in Form von gefriergetrocknetem Pulver zur Getränkezubereitung), die keine Kühlung, Sterilisation von Geräten oder den Kauf von Einwegspritzen erfordern.

Auch Pflasterimpfstoffe gegen Tetanus, Anthrax, Influenza und E. coli sind in der Entwicklung. Es wurden bereits transgene Pflanzen gewonnen, die therapeutische Proteine ​​(Antikörper, Antigene, Wachstumsfaktoren, Hormone, Enzyme, Blutproteine ​​und Kollagen) synthetisieren. Diese Proteine, die aus einer Vielzahl von Pflanzen wie Luzerne, Mais, Wasserlinsen, Kartoffeln, Reis, Sonnenblumen, Sojabohnen und Tabak hergestellt werden, sind die Hauptbestandteile innovativer Therapien für eine Reihe von Krebsarten, AIDS, Herz- und Nierenerkrankungen, Diabetes und Alzheimer , Morbus Crohn, Mukoviszidose, Multiple Sklerose, Rückenmarksverletzung, Hepatitis C, chronisch obstruktive Lungenerkrankung, Fettleibigkeit, Krebs usw.

Zelluläre Technologien werden zunehmend zur Selektion, Vermehrung und Steigerung der Produktivität von Nutzpflanzen sowie zur Herstellung biologisch aktiver Substanzen und Medikamente eingesetzt.

AUF DER. Voinov, T.G. Wolowa

Die Biotechnologie ist ein neues, sich schnell entwickelndes Gebiet der Biologie. Entwicklungsstadien der Biotechnologie. Hauptrichtungen in der Biotechnologie

1Biotechnologie ist ein neuer Wissenschafts- und Produktionszweig, der auf der Nutzung biologischer Prozesse und Gegenstände zur Herstellung wirtschaftlich wichtiger Stoffe und zur Schaffung hochproduktiver Pflanzenarten, Tierrassen und Mikroorganismenstämme basiert. Im wörtlichen Sinne ist Biotechnologie „Biologie + Technologie“, also die Anwendung grundlegender biologischer Erkenntnisse in praktischen Tätigkeiten zur Herstellung von Arzneimitteln, Enzymen, Proteinen, Farbstoffen, Aromastoffen, Vitaminen und einer Reihe biologisch aktiver Verbindungen. Darüber hinaus sprechen wir über den Einsatz biotechnologischer Methoden bei der Auswahl und Konstruktion grundlegend neuer Organismen, die es bisher in der Natur nicht gab.

Die Pflanzenbiotechnologie ist eine eigenständige Disziplin, kann jedoch aufgrund ihrer theoretischen und methodischen Grundlagen als Teil der allgemeinen Biotechnologie betrachtet werden. Die Besonderheiten der Pflanzenbiotechnologie sind vorgegeben biologische Merkmale Pflanzen als besonderes Reich der lebenden Welt.

Historisch betrachtet nutzte die Menschheit schon immer Pflanzen, um sich mit Vitalstoffen zu versorgen wichtige Produkte. In diesem Sinne können der traditionelle Pflanzenbau und andere landwirtschaftliche Technologien als Biotechnologie klassifiziert werden. Es gibt jedoch grundlegende Unterschiede zwischen Biotechnologie und Agrartechnologie. Bekanntermaßen befasst sich die Agrartechnologie mit ganzen Pflanzen und deren Populationen, während die Biotechnologie auf der Nutzung von Zellkulturen und deren Populationen basiert.

Das Hauptziel der Pflanzenbiotechnologie sind daher einzelne Zellen und Organe, die aus der gesamten Pflanze isoliert und außerhalb des Körpers auf einem künstlichen Nährmedium unter aseptischen Bedingungen gezüchtet werden.

Solche in vitro gezüchteten Zellen, Gewebe, Organe nennt man Zellkultur, Gewebe, Organe – je nachdem, was aus der Pflanze isoliert und kultiviert wird. Allerdings werden alle diese Kultivierungsmethoden neuerdings auch unter dem gemeinsamen Begriff „Pflanzenzellkultur“ zusammengefasst, denn letztlich ist die kultivierte Einheit die Zelle.

Zellkulturen werden jedes Jahr zunehmend in den unterschiedlichsten Bereichen der Biologie, Medizin und Landwirtschaft eingesetzt. Sie werden zur Lösung allgemeiner biologischer Probleme wie der Aufklärung der Mechanismen der Differenzierung und Proliferation, der Interaktion von Zellen mit der Umwelt, der Anpassung, des Alterns, der biologischen Mobilität, der malignen Transformation und vieler anderer eingesetzt. Wichtige Rolle Zellkulturen spielen in der Biotechnologie eine Rolle bei der Herstellung von Impfstoffen und biologisch aktiven Substanzen. Sie sind das Ausgangsmaterial für die Bildung von Produzentenzellen und werden zur Steigerung der Produktivität von Nutztieren und zur Züchtung neuer Pflanzensorten eingesetzt. Zellkulturen werden zur Diagnose und Behandlung von Erbkrankheiten, als Testobjekte bei der Erprobung neuer pharmakologischer Substanzen sowie zur Erhaltung des Genpools gefährdeter Tier- und Pflanzenarten eingesetzt.

Biotechnologie ist eine kontrollierte Produktion für nationale Wirtschaft sowie zur Medizin von Zielprodukten mit Hilfe biologischer Wirkstoffe: Mikroorganismen, Viren tierischer und pflanzlicher Zellen sowie mit Hilfe extrazellulärer Substanzen und Zellbestandteile. Die Biotechnologie hat tiefe historische Wurzeln, und in den letzten 10-15 Jahren der rasanten Entwicklung hat es sich als eigenständiger Zweig der Wissenschaft und Produktion herausgebildet.

Die Hauptkomponenten eines biotechnologischen Prozesses sind: ein biologischer Wirkstoff, ein Substrat, ein Zielprodukt, Ausrüstung und eine Reihe von Methoden zur Steuerung des Prozesses.

Die Biotechnologiebranche ist eine der sich am schnellsten entwickelnden Branchen und ein wichtiges Kriterium für die Beurteilung des wissenschaftlichen Forschungspotenzials eines zivilisierten Landes. Visueller Beweis dafür, dass die Basis der nächsten Welle ist wirtschaftliche Entwicklung wird verschiedene Zweige der Biotechnologie (Landwirtschaft, Lebensmittel, Medizin) sein, - die Dynamik der Aktienkurse der relevanten Unternehmen. Bis vor Kurzem stach die Biotechnologiebranche kaum hervor allgemeine Gruppe hohe Technologie, jedoch die Instabilität der Computermagnaten und eine Reihe großer Handelskonzerne natürliche Ressourcenänderte die Meinung der Wirtschaftsanalysten.

Die Aktienkurse von Biotechnologieunternehmen waren weniger anfällig für Rückgänge, da Produkte, die auf Basis von Zelltechnologien gewonnen werden, neu und vielversprechend sind. Investitionen im Biosektor haben zu einem beispiellosen Technologiesprung geführt. In Deutschland und Frankreich haben groß angelegte Feldversuche mit gentechnisch veränderten Maissorten begonnen. Die japanische Biotechnologie hat gentechnisch veränderten Mais hergestellt, der gegen Insektenschädlinge resistent ist. Mehrere Unternehmen stehen kurz davor, bahnbrechende Medikamente gegen verschiedene Krebsarten, insbesondere Leukämie, zu entwickeln. Alleine vor drei Jahren Amerikanisches Unternehmen Es wurde viel Geld in ein Biotechnologielabor in Kalifornien investiert und nun steht man laut Unternehmensvertretern kurz davor, Mittel zur Beseitigung einer Reihe schwerwiegender Krankheiten wie der Alzheimer-Krankheit zu entwickeln.

2Der Begriff Biotechnologie kommt von den griechischen Wörtern „bios“ und „techne“. „Bios“ bedeutet Leben, „Techne“ bedeutet Spinnen, etwas mit den eigenen Händen tun. Das bedeutet, dass Biotechnologie eine Produktion mit Hilfe von Lebewesen ist, eine Reihe industrieller Methoden, die lebende Organismen und biologische Prozesse nutzen, um verschiedene Produkte herzustellen.

Unter Biotechnologie versteht man die integrierte Nutzung von Biochemie, Mikrobiologie und Ingenieurwissenschaften industrielle Anwendungen Fähigkeiten von Mikroorganismen, Gewebezellkulturen und deren Teilen. Objekte der Biotechnologie sind Mikroben (Pilze, Bakterien, Viren, Protozoen) oder Zellen anderer Organismen (Pflanzen, Tiere), biologisch aktive Substanzen für besondere Zwecke (immobilisierte Enzyme, die Synthese oder Abbau katalysieren).

Typische Methoden der Biotechnologie sind die großflächige Tiefenkultivierung biologischer Objekte im periodischen oder kontinuierlichen Modus, wobei Zellen pflanzlicher und tierischer Gewebe unter besonderen Bedingungen gezüchtet werden.

3 Die Entwicklung der Biotechnologie wird maßgeblich von der Forschung auf dem Gebiet der Mikrobiologie, Biochemie, Enzymologie und Genetik von Organismen bestimmt. Die moderne Biotechnologie als Wissenschaft entstand in den frühen vierziger Jahren und hat sich seit 1953, nach der bahnbrechenden Entdeckung der chemischen Struktur und räumlichen Organisation der Doppelhelix des DNA-Moleküls durch James Watson und Francis Crick, rasant weiterentwickelt. Seine neue strategische Ausrichtung – die Gentechnik – wurde 1972 geboren, als im Labor von Paul Berg erstmals ein rekombinantes DNA-Molekül synthetisiert wurde, was schließlich die Biotechnologie und ihr zentrales Bindeglied – die Biotechnik (Kernbiologie) – festlegte. der wichtigste Ort in der modernen Wissenschaft.

Die „Interpeak“-Werke der herausragenden Biologen G. Boyer, S. Cohen, D. Morr, A. Baev, A. Belozersky, O. Avery, G. Gamow, F. Jacob, J. Monod und anderer ergänzten die aufeinanderfolgende Reihe von die wichtigsten Entdeckungen zur Identifizierung von Genen und Enzymen, Isolierung von DNA-Molekülen aus pflanzlichen, mikrobiellen und tierischen Zellen, Entschlüsselung genetischer Code sowie die Mechanismen der Genexpression und Proteinbiosynthese in Prokaryoten und Eukaryoten.

In den 50er Jahren entstand eine weitere wichtige Richtung in der Biotechnologie – die Zelltechnik. Seine Gründer sind P.F. White (USA) und R. Gautreux (Frankreich). In den folgenden Jahren arbeitete er am Institut für Pflanzenphysiologie der UdSSR und dann an der Russischen Akademie der Wissenschaften unter der Leitung von A.A. Kursanov, R.G. Butenko startete unter Beteiligung vieler junger Wissenschaftler des Landes Forschungen auf diesem Gebiet.

Die Gen- und Zelltechnik bestimmte die Hauptrichtungen der modernen Biotechnologie, deren Methoden in den 80er Jahren weit verbreitet waren und in vielen Bereichen der Wissenschaft und Produktion in unserem Land und im Ausland eingesetzt werden.

Biotechnologie als Wissenschaft kann in zwei zeitlichen und wesentlichen Dimensionen betrachtet werden: modern und traditionell, klassisch.

Die neueste Biotechnologie (Bioengineering) ist die Wissenschaft der Gentechnik und zellulärer Methoden und Technologien zur Schaffung und Nutzung genetisch veränderter (modifizierter) Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen, um die Produktion zu intensivieren und neuartige Produkte für verschiedene Zwecke zu erhalten.

Im traditionellen, klassischen Sinne kann Biotechnologie als die Wissenschaft von Methoden und Technologien für die Produktion, den Transport, die Lagerung und die Verarbeitung landwirtschaftlicher und anderer Produkte unter Verwendung konventioneller, nicht transgener (natürlicher und gezüchteter) Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen definiert werden natürliche und künstliche Bedingungen.

Die höchste Errungenschaft der neuesten Biotechnologie ist die genetische Transformation, die Übertragung fremder (natürlicher oder künstlich geschaffener) Spendergene in Empfängerzellen von Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen sowie die Herstellung transgener Organismen mit neuen oder verbesserten Eigenschaften und Merkmalen. Im Hinblick auf seine Ziele und Fähigkeiten in der Zukunft ist diese Richtung strategisch. Es ermöglicht Ihnen, grundlegend neue Probleme bei der Schaffung von Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen mit erhöhter Widerstandsfähigkeit gegen Umweltstressfaktoren, hoher Produktivität und Produktqualität sowie Gesundheitsverbesserung zu lösen Umweltsituation in der Natur und allen Branchen.

Um diese Ziele zu erreichen, müssen bestimmte Schwierigkeiten bei der Steigerung der Effizienz der genetischen Transformation und vor allem bei der Identifizierung und Klonierung von Genen, der Erstellung ihrer Banken, der Entschlüsselung der Mechanismen der polygenen Bestimmung von Merkmalen und Eigenschaften biologischer Objekte und der Schaffung zuverlässiger Vektorsysteme überwunden werden und Gewährleistung einer hohen Stabilität der Genexpression. Bereits heute wurden in vielen Laboren auf der ganzen Welt mit gentechnischen Methoden grundlegend neue transgene Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen für kommerzielle Zwecke geschaffen.