Вспомните, какие биологические системы и процессы человек использует для получения продуктов питания, промышленного сырья и производства лекарственных препаратов.
Рис. 194. Александер Флеминг (1881-1955) - первооткрыватель пенициллина
Изучение процессов жизнедеятельности клетки и организма, выяснение природы наследственности послужили основой для развития биотехнологии - прикладной науки, использующей биологические системы и процессы в различных областях сельского хозяйства и промышленности. И хотя термин «биотехнология» появился лишь в 70-х гг. XX в., человек издавна использовал для своих нужд биотехнологические процессы: хлебопечение, приготовление кефира, простокваши, сыра, вина, пива и др.
Микробиологическая технология. Наиболее значительные практические достижения в биотехнологии связаны с микробиологической технологией. Она основана на культивировании специально выведенных штаммов бактерий и грибов для промышленного получения антибиотиков, гормонов, витаминов, ферментов, кормовых белков и т.п.
Рис. 195. Гриб-пеницилл на питательной среде
В 1928 г. английский ученый А. Флеминг (рис. 194) обнаружил, что плесневый гриб-пеницилл вырабатывает вещество, убивающее бактерий (рис. 195). Оно было названо пенициллином, и его открытие явилось началом эры антибиотиков в медицине. Однако первый штамм пеницилла оказался неудобным для промышленного разведения: гриб развивался на поверхности питательной среды, и количество выделяемого антибиотика было незначительным. Благодаря селекционной работе, основанной на радиационном мутагенезе и искусственном отборе, ученым удалось создать штаммы гриба, продуктивность которых увеличилась в 10 тыс. раз по сравнению с исходными формами.
В производстве кормового белка используются особые штаммы грибов-дрожжей. В специальных аппаратах - биореакторах они сбраживают растительное сырье, главным образом солому, являющуюся отходом растениеводства (рис. 196). Скорость накопления дрожжами белка в 100 тыс. раз выше, чем у всех других известных организмов. С 1м3 биореактора за сутки получают 30 кг белка, что эквивалентно суточному приросту биомассы стада из 100 коров. Белок затем используется как ценная питательная добавка в корма сельскохозяйственных животных.
Рис. 196. Разрушая солому, штаммы дрожжей наращивают свою биомассу: слева — микрофотография, сделанная через 12 часов; справа - через 48 часов
Селекционерами выведены дрожжи, способные синтезировать белок из углеводородов нефти, что позволяет их использовать для биологической очистки водоемов от промышленного загрязнения мазутом и бензином. Выведены штаммы бактерий, извлекающие ценные металлы, например, золото, медь, марганец из руд и промышленных отходов, что открывает новые направления в развитии металлургии.
Биоинженеринг. Благодаря открытиям и успехам молекулярной биологии и генетики в биотехнологии со второй половины XX в. бурно развивается биоинженеринг, представленный двумя основными направлениями: генной и клеточной инженерией.
Генная инженерия заключается в использовании лабораторных методов переноса генетической информации из одного организма в другой. Одна из задач генной инженерии - создание бактериальных клеток, способных в промышленных масштабах синтезировать незаменимые аминокислоты (метионин, триптофан, цистеин), защитные белки-интерфероны и белки- гормоны (соматотропин, инсулин). Основным методом генной инженерии служит получение рекомбинантной ДНК с последующим ее введением в бактериальную клетку (рис. 197).
Рис. 197. Этапы создания и введения рекомбинантной ДНК: 1 — выделение гена нужного белка из ДНК донора; 2 - разрезание с помощью ферментов плазмиды бактерии; 3 - встраивание с помощью ферментов нужного гена в плазмиду; 4 - перенос рекомбинантных плазмид в бактериальные клетки; 5 — отбор бактериальных клеток с рекомбинантными плазмидами и их использование для получения нужного белка
Клеточной инженерией называют генетические эксперименты с изолированными клетками многоклеточных организмов, которые позволяют переносить в них гены других организмов и получать новые генотипы с заданными свойствами.
Предпосылкой к развитию клеточной инженерии стала клеточная технология - методы выращивания отдельных соматических клеток на питательных средах (рис. 198). Несколько клеток, помещенные в питательную среду, в результате митотического деления образуют однородную неспециализированную клеточную массу. При ее разделении и добавлении гормонов, обеспечивающих дифференцировку клеток и рост, получают растения, которые уже можно высаживать на поля. Главное преимущество этого метода размножения растений, по сравнению с семенным, состоит в том, что он позволяет получить за короткое время большое число однородных особей, способных к быстрому росту, обладающих калиброванными качествами и незараженных возбудителями болезней.
Рис. 198. Культура тканей растения
Культивирование клеток на питательных средах дало возможность ученым, начиная с 60-х гг. XX в., поставить эксперименты по пересадке ядер соматических клеток животных в яйцеклетки, искусственно лишенные ядер (рис. 199). Результатом этих работ стало открытие способности соматических ядер обеспечивать нормальное развитие яйцеклеток в зародыши, что дало возможность разработать способы клонирования высокопродуктивных сельскохозяйственных животных.
Рис. 199. Внесение ядра соматической клетки в безъядерную яйцеклетку
Например, если взять соматические ядра из клеток коровы класса элита-рекорд и перенести их в безъядерные яйцеклетки обычных коров, то телята, развившиеся из зародышей в матках приемных коров-«воспитательниц», полностью сохранят признаки элитной породы. Таким способом можно получить целые стада животных, обладающих генотипом высокопродуктивной коровы, у которой были взяты ядра клеток (рис. 200).
Рис. 200. Схема клонирования высокопродуктивной коровы
Исследования развития клеток млекопитающих, в том числе и человека, на питательных средах привели к разработке метода искусственного оплодотворения яйцеклеток сперматозоидами вне организма, т.е. «в пробирке», с дальнейшей имплантацией зародышей в матку. Число «пробирочных» детей уже составляет десятки тысяч, и для бездетных супружеских пар искусственное оплодотворение остается единственной возможностью обзавестись собственным потомством.
Рис. 201. Площади посевов трансгенных культур (сои, кукурузы, хлопчатника, рапса) и страны- лидеры их выращивания
Другой областью биоинженеринга является создание трансгенных (от лат. trans - сквозь, через), т.е. генетически измененных организмов. Первыми стали табак и петунья, полученные в 1983 г. в Бельгии, Германии и США. Сейчас трансгенные растения выращивают во многих странах мира (рис. 201).
Ученые создают трансгенные организмы для проявления у них новых ценных качеств. Например, если ген азотфиксации клубеньковых бактерий, отвечающий за выработку ферментов, превращающих атмосферный азот в азотистые соединения, «вшить» в генотипы выращиваемых на полях культурных растений, то они будут способны обходиться без подкормки азотными удобрениями. Введение генов, отвечающих за выработку антител, в генотипы сельскохозяйственных растений, позволит человеку в будущем обойтись без лекарств. Использование таких растений в пищу будет снабжать организм антителами, что создаст надежную защиту от инфекций (рис. 202).
Рис. 202. Трансгенные растения: 1 - томат сорта «Флавр-Савр», созданный в 1994 г. в США - первое съедобное трансгенное растение: 2 — рис с геном моркови обеспечивает жителей Юго-Восточной Азии необходимым для организма витамином А
Экологические и этические проблемы биоинженеринга. У биоинженеринга, как процесса создания клеток и организмов с новыми признаками, есть сторонники и противники. Первые утверждают, что человечество в ближайшем будущем не сможет обойтись без трансгенных организмов, более продуктивных и устойчивых к болезням и вредителям, чем обычные сорта, породы и штаммы. Это особенно важно, так как размер мировых площадей, пригодных для ведения сельского хозяйства, достиг своего предела, а численность населения Земного шара продолжает расти. Кроме того, экологические последствия применения ядохимикатов в борьбе с болезнями и вредителями могут оказаться более опасными, чем выращивание и использование в пищу трансгенных культур.
Противники биоинженеринга в качестве аргументов приводят факты аллергических реакций человека на произведенные из трансгенных культур генетически модифицированные продукты (ГМ-продукты). Помимо этого, на их взгляд, чрезвычайно трудно будет предсказать экологические последствия, например, одичания и превращения в сорняки устойчивых к болезням и вредителям трансгенных растений.
ГМ-продукты уже появились на прилавках супермаркетов. В соответствии с международными соглашениями по биобезопасности производители обязаны письменно предупреждать потребителей, если в состав продуктов входит более 5% трансгенных культур. Информация об этом наносится на упаковку, так как ГМ-продукты не отличаются от обычных ни внешним видом, ни вкусом (рис. 203).
Рис. 203. Упаковка котлет из курятины, в состав которых входит ГМ-соя
Рис. 204. Овечка Долли со своим первенцем - малышкой Бонни
Есть противники и у метода искусственного оплодотворения человека. Они считают, что преодоление бесплодия путем оплодотворения яйцеклеток «в пробирке» служит примером экспериментов на людях. Подобные эксперименты в обществе всегда строго осуждались. Следовательно, по этическим соображениям такие эксперименты должны быть запрещены. Некоторые ученые полагают, что искусственное оплодотворение сопровождается нарушением структуры хромосом, следствием чего может стать рост числа наследственных заболеваний у человека.
Вызывают возражения и эксперименты по клонированию. Так, первое клонированное млекопитающее - овечка Долли (рис. 204) быстро состарилась и умерла от болезни суставов - артрита, вызванного, по мнению большинства ученых, сбоем в реализации наследственной программы организма. Поэтому во многих странах эксперименты по клонированию животных и человека законодательно запрещены.
Биотехнология: микробиологическая технология, генная и клеточная инженерия; рекомбинантная ДНК, клеточная технология, клонирование; трансгенные организмы, генетически модифицированные (ГМ) продукты.
1. Что такое биотехнология? 2. На чем основано промышленное получение антибиотиков, гормонов и кормового белка? 3. Что такое генная инженерия? Опишите этапы встраивания чужеродного гена в бактериальную клетку. 4. Чем занимается клеточная инженерия? 5. Какие организмы называют трансгенными? Для чего ученые создают трансгенные организмы? 6. Назовите экологические и нравственно-этические проблемы биоинженеринга. Используя средства массовой информации и Интернет, выясните, чем аргументируют свои позиции сторонники и противники генной и клеточной инженерии. Результаты работы оформите в виде проекта. 7. Заполните таблицу (в тетради).
Биотехнология и ее практическое значение
