1.Задачі сучасної біотехнології. Основні етапи біотехнологічного процесу.

Сучасне визначення біотехнології – це промислове використання біологічних процесів і агентів для отримання високоефективних форм мікроорганізмів, культур клітин і тканин рослин та тварин із заданими властивостями.

Основними задачами біотехнології можна визначити таки:

• можливість точної діагностики, профілактики і лікування інфекційних і генетичних захворювань;

• значне збільшення врожайності сільськогосподарських культур шляхом створення рослин стійких до шкідників, грибкових та вірусних інфекцій та шкідливого впливу навколишнього середовища;

• створення мікроорганізмів, що продукують різні хімічні сполуки, антибіотики, полімери, амінокислоти, ферменти;

• створення порід сільськогосподарських та інших тварин, спадкові властивості яких поліпшені;

• переробка викидів, що забруднюють навколишнє середовище.

Промисловий біотехнологічний процес, в якому для виробництва комерційних продуктів використовують мікроорганізми, як правило складається з трьох ключових етапів:

1. Початкова обробка: обробка сировини для використання її мікроорганізмами в якості джерела поживних речовин.

2. Ферментація і біотрансформація: ріст мікроорганізмів у великому біореакторі (ферментація) з наступним утворенням необхідного метаболіту, наприклад, антибіотика, амінокислоти, білку (біотрансформація).

3. Кінцева обробка: очистка необхідної речовини від компонентів культурального середовища або клітинної маси.

2. Використання досягнень біотехнології в рослинництві, тваринництві, медицині.

Біотехнологія і рослинництво. В першу чергу це захист рослин від шкідників і хвороб. Біотехнологічні шляхи захисту рослин включають:

1. Створення нових сортів рослин, стійких до певних видів захворювань, введення безпосередньо у клітини специфічного агента, який знижує життєздатність шкідника, або синтезує речовини, які пригнічують розвиток хвороби.

2. Введення в геном рослин генів стійкості до деяких гербіцидів, що надає можливість використання цих гербіцидів для боротьби з бур'янами безпосередньо на угіддях.

3. Використання речовин біогенного походження, які пригнічують відкладання яєць комахами або стимулюють активність природних ворогів комах-шкідників.

4. Використання вірусних препаратів і антибіотиків для боротьби з хворобами, кореневою гниллю.

По друге, використання досягнень генної інженерії для створення азотфіксуючих злакових рослин.

Ще одним напрямком є біодеградація пестицидів. Оскільки дія пестицидів не є досить вибірковою, вони, крім корисного впливу, можуть наносити і шкоду сільськогосподарським культурам. Крім того, деякі пестициди зберігаються у грунті тривалий час, що також може викликати зменшення врожайності. Тому мікробна трансформація пестицидів, до якої здатна мікрофлора грунту, надає можливість вирішити цю проблему. В наш час за допомогою методів генної інженерії сконструйовані штами мікроорганізмів із збільшеною ефективністю біодеградації.

Біотехнологія дозволяє вирішити ще одну проблему рослинництва – це створення біологічних добрів. Вони використовуються для збагачення грунту зв’язаним азотом, вітамінами і фітогормонами, а також перетворюють складні сполуки фосфору в прості, які легко засвоюються рослинами,

Біотехнологія і тваринництво. У галузі тваринництва біотехнологічні дослідження здійснюються в декількох напрямах.

По-перше, це профілактика інфекційних захворювань сільськогосподарських тварин за допомогою рекомбінантних живих вакцин і генно-інженерних вакцин-антигенів, а також рання діагностика цих захворювань з використанням моноклональних антитіл.

По друге, це вирішення проблеми повноцінної годівлі тварин за рахунок добавки до раціонів білка одноклітинних, збагачення рослинних кормів мікробним білком, мікробіальне отримання незамінних амінокислот та ін..

По трете, застосування генно-інженерних гормональних препаратів, що покращують ріст тварин. До цих речовин належать: гормон росту – соматотропін, релізінг-фактори, що регулюють синтез соматотропіну, соматомедін, інсулін, тіреотропін та ін.. Застосовуються препарати як у вигляді щоденних ін’єкції, так і у вигляді аплікацій, які сприяють створенню депо тривалої дії препарату.

Четвертим напрямом використання досягнень біотехнології у тваринництві є створення трансгенних тварин, тобто тварин, в геномі яких відбулися зміни на рівні одного або декількох генів. Трансгенні тварини набувають нові властивості, це може бути збільшення інтенсивності росту за рахунок введення додаткового гену гормону росту, підвищення стійкості до певних захворювань, отримання продукції, наприклад, молока з новими якостями: із зменшеним вмістом жиру і підвищеною кількістю білку, із зниженою концентрацією лактози. А також з вмістом речовин, що в звичайних умовах ніколи не синтезуються у молоці, таких як фактори зсідання крові, якими лікують людей хворих на гемофілію.

Ембріоінженерія – напрямок біотехнології, якому в останні часи приділяють найбільшу увагу. Ембріоінженерія включає трансплантацію ембріонів, за допомогою якої збільшується кількість нащадків, що отримують від видатних тварин; міжвидові пересадки ембріонів і створення химерних тварин, що набувають властивості не двох, а чотирьох і більш батьків; отримання однояйцевих близнюків; клонування тварин шляхом пересадки ядер ембріональних клітин в енуклейовані яйцеклітини та ін. Всі ці дослідження дозволяють збільшити продуктивність сільськогосподарських тварин і покращити їх властивості.

Біотехнологія і медицина. За допомогою біотехнології для потреб медицини виробляються наступні препарати:

• антибіотики – специфічні продукти життєдіяльності, що володіють високою фізіологічною активністю по відношенню до певних груп мікроорганізмів і до злоякісних пухлин, вибірково затримують їх ріст, або повністю пригнічують розвиток. Постійний розшук нових антибіотиків пов’язаний з токсичністю існуючих препаратів; алергічними реакціями, що викликаються їх використанням; зростанням стійкості патогенних мікроорганізмів до препаратів, що застосовуються;

• гормони, які використовують з метою лікування таких хвороб, як карликовість (гормон росту соматотропін), цукровий діабет (інсулін), безпліддя (фолікулостимулюючий і лютенізуючий гормони), олігопептидні гормони нервової системи, які знімають больові відчуття, підвищують працездатність, концентрують увагу, покращують пам’ять, стероїдні гормони наднирників (кортизон) для лікування ревматоїдних артритів.

• інтерферони і інтерлейкіни – речовини, які виділяються клітинами людини і тварин у відповідь на інфікування вірусами;

• фактори зсідання крові, особливо фактор VІІІ (отримують за допомогою культивування клітин ссавців) і фактор ІХ (отримують генно-інженерним шляхом з використання штаму Е.соІі), необхідні для терапії форм гемофілії – спадкової хвороби, при якій кров втрачає здатність зсідатися;

• моноклональні антитіла – продукти В-гібридомних клітин – використовують для діагностики різноманітних хвороб. Завдяки високій специфічності вони забезпечують ідентифікацію не лише виду збудника, а і його серотипу. Вони дозволяють діагностувати вагітність, виявляти схильність до діабету, ідентифікувати спадкові хвороби, їх використовують для діагностики раку і визначення його форм. Крім того, моноклональні антитіла мають і лікувальне значення, в першу чергу для лікування раку. Моноклональні антитіла зв’язують з токсичними для ракових клітин сполуками і, завдяки їх високої специфічності, вони доставляють отруту точно за адресою, не викликають руйнування і пошкодження здорових клітин;

• рекомбінантні вакцини і вакцини-антигени. Вакцинація – один з способів боротьби з інфекційними захворюваннями. Для отримання рекомбінантних вакцин звичайно використовують вірус коров’ячої віспи (вірус вісповакцини ВВВ). В його ДНК вбудовують чужорідні гени, що кодують імуногенні білки різних збудників (вірусу грипу, герпесу, гепатиту В, ін..) і отримують вакцини проти певних інфекцій. Вакцини-антигени зтворюють шляхом клонування генів збуднику хвороби у Е.соІі, дріжджах, клітинах комах і тварин;

• ферменти медичного призначення. Різноманітне використання ферментних препаратів у медицині. Їх застосовують для розчинення тромбів, лікування спадкових хвороб, видалення нежиттєздатних, денатурованих структур, клітинних і тканинних фрагментів, звільнення організму від токсичних речовин. В сучасній медицині відомо, що протеїнази розщеплюють денатурований білок і сприяють очищенню ран і таким чином, їх заживанню. В якості носіїв для іммобілізації протеолітичних ферментів використовують волоконні матеріали на основі целюлози, полівінілового спирту, поліамідне і колагенове волокно. Готують нитки, в які при формуванні включають фермент, і використовують їх в якості шовного матеріалу. Аналіз свідчить, що використання цих препаратів в двічі прискорює процес заживання ран. Іммобілізовані протеолітичні ферменти з великим успіхом застосовують при лікуванні гнійних захворювань легень і плеври, трофічних виразок, променевих виразок шкіри.