- Дорогие студенты, для тех из вас, кто любит пропускать материал или невнимательно слушать, я напомню на всякий случай:

Биотехноло́гия — интеграция естественных и инженерных наук, позволяющая наиболее полно реализовать возможности живых организмов или их производные для создания и модификации продуктов или процессов различного назначения.

Чаще всего применяется в медицине, пищевой промышленности, также для решения проблем в области энергетики, охране окружающей среды, и в научных исследованиях.

Давайте вспомним сновные направления биотехнологии.

1. Промышленная биотехнология – биотехнологическое производство.
2. Клеточная инженерия – селекция животных и растений; создание клеточных культур.
3. Генная инженерия – генная трансформация организмов.

И вкратце расскажем о них в качестве вводной к основной теме, чтобы вы, будущие специалисты, получали знания не из воздуха, а хотя бы представляли в общих чертах долгий процесс развития научной мысли и основные классификации. Без этого мы, к сожалению, не сможем продолжить.

            Промышленная биотехнология

Условно можно выделить следующие основные направления промышленной биотехнологии:

Биотехнологическую промышленность иногда разделяют на четыре направления:

• «'Красная» биотехнология' — производство биофармацевтических препаратов (протеинов, ферментов, антител) для человека, а также коррекция генетического кода.
• «'Зелёная» биотехнология' — разработка и внедрение в культуру генетически модифицированных растений.
• «'Белая» биотехнология' — производство биотоплив, ферментов и биоматериалов для различных отраслей промышленности.
• Академические и правительственные исследования — например, расшифровка генома риса.

В настоящее время с помощью микробиологического синтеза производят антибиотики, ферменты, аминокислоты, полупродукты для дальнейшего синтеза разнообразных веществ, феромоны (вещества, с помощью которых можно управлять поведением насекомых), органические кислоты, кормовые белки и другие. Технология производства этих веществ хорошо отработана, получение их микробиологическим путём экономически выгодно.

Перспективным является и использование биотехнологии для получения биотоплива. Биотехнология в состоянии внести крупный вклад в решение проблем энергетики посредством производства достаточно дешевого биосинтетического этанола, который кроме того является и важным сырьем для микробиологической промышленности при получении пищевых и кормовых белков, а также белково-липидных кормовых препаратов. Источником углеводородов также могут служить водоросли Botryococcus braunii, метановые бактерии Methanobacillus omelianskii  и биогаз (смесь углекислого газа  и метана). Благодаря данным технологиям возможно получать энергию из пищевых отходов.

 Наконец, важно также и разработать технологию переработки мусора, так как наша планета уже задыхается от него: на 1 человека приходится 1,5 тонны отходов в год.

Бактерии рода Pseudomonas практически всеядны и могут использоваться в качестве «переработчика». В институте прикладной биохимии и машиностроения разработан отечественный препарат - биодеградант нефти и нефтепродуктов. Он позволяет утилизировать как сырую нефть, так и различные нефтепродукты: мазут, дизельное топливо, бензин, керосин, ароматические углеводороды.

Клеточная инженерия.

• Получение гибридов.
• Составление генетических карт.
• «Гибридные» клетки.
• Изучение клеточных механизмов.
• Клонирование.

Начало клеточной инженерии относят к 1960-м гг., когда возник метод гибридизации соматических клеток. К этому времени были усовершенствованы способы культивирования животных клеток и появились способы выращивания в культуре клеток и тканей растений. Соматическую гибридизацию, т. е. получение гибридов без участия полового процесса, проводят, культивируя совместно клетки различных линий одного вида или клетки различных видов.

С помощью гибридных клеток, полученных от клеток человека и мыши и человека и китайского хомячка, была проделана важная для медицины работа по картированию генов в хромосомах человека. Гибриды между опухолевыми клетками и нормальными клетками иммунной системы (лимфоцитами) – т. н. гибридомы – обладают свойствами обеих родительских клеточных линий. Подобно раковым клеткам, они способны неограниченно долго делиться на искусственных питательных средах (т. е. они «бессмертны») и, подобно лимфоцитам, могут вырабатывать моноклональные (однородные) антитела определённой специфичности. Такие антитела применяют в лечебных и диагностических целях, в качестве чувствительных реагентов на различные органические вещества и т. п.

Другое направление клеточной инженерии – манипуляции с безъядерными клетками, свободными ядрами и другими фрагментами, сводящиеся к комбинированию разнородных частей клетки. Эти эксперименты, а также микроинъекции в клетку хромосом, красителей и т. п. проводят для выяснения взаимных влияний ядра и цитоплазмы, факторов, регулирующих активность генов, и т. п.

Путём соединения клеток разных зародышей на ранних стадиях их развития выращивают мозаичных животных, или химер, состоящих из двух различающихся генотипами видов клеток. С помощью таких экспериментов изучают процессы дифференцировки клеток и тканей в ходе развития организма.

Ведущиеся уже не одно десятилетие опыты по пересадке ядер соматических клеток в лишённые ядра (энуклеированные) яйцеклетки животных с последующим выращиванием зародыша во взрослый организм с кон. 20 в. получили широкую известность как клонирование животных.

*Голос из зала: Долли?!*

*Да, молодой человек! Вы встретили знакомое название?*

Генная инженерия.

• Повышение продутивности микрооргинизмов
• Новые источники практически всех полезных веществ.
• Трансгенные организмы.

Родившись в начале 70-х годов, она добилась сегодня больших успехов. Методы генной инженерии преобразуют клетки бактерий, дрожжей и млекопитающих в "фабрики" для масштабного производства любого белка. Это дает возможность детально анализировать структуру и функции белков и использовать их в качестве лекарственных средств.

В настоящее время кишечная палочка (Eshershia coli) стала поставщиком таких важных гормонов как инсулин и соматотропин.

Цель прикладной генетической инженерии заключается в конструировании таких рекомбинантных молекул ДНК, которые при внедрении в генетический аппарат придавали бы организму свойства, полезные для человека. Например, получение «биологических реакторов» - микроорганизмов, растений и животных, продуцирующих фармакологически значимые для человека вещества, создание сортов растений и пород животных с определёнными ценными для человека признаками. Методы генной инженерии позволяют провести генетическую паспортизацию,  диагностировать генетические заболевания,  создавать  ДНК-вакцины, проводить генотерапию различных заболеваний.

*А ещё благодаря этой технологии получили кролика Альберта, который светился в темноте зелёным светом* 

Технология рекомбинантных ДНК использует следующие методы:

• Специфическое расщепление ДНК рестрицирующими нуклеазами, ускоряющее выделение и манипуляции с отдельными генами;
• Быстрое секвенирование всех нуклеотидов очищенном фрагменте ДНК, что позволяет определить границы гена и аминокислотную последовательность, кодируемую им;
• Конструирование рекомбинантной ДНК;
• Гибридизация нуклеиновых кислот, позволяющая выявлять специфические последовательности РНК или ДНК с большей точностью и чувствительностью, основанную на их способности связывать комплементарные последовательности нуклеиновых кислот;
• Клонирование ДНК: амплификация in vitro с помощью цепной полимеразной реакции или введение фрагмента ДНК в бактериальную клетку, которая после такой трансформации воспроизводит этот фрагмент в миллионах копий;
• Введение рекомбинантной ДНК в клетки или организмы.

И наконец подойдем к самому "сердцу" нашей лекции, поговорим о синтезе продуктов, о технологии получения мясных волокон, о которой прежде только мечтали.

Микробиологический синтез.

В настоящее время с помощью микробиологического синтеза производят антибиотики, ферменты, аминокислоты, полупродукты для дальнейшего синтеза разнообразных веществ, феромоны (вещества, с помощью которых можно управлять поведением насекомых), органические кислоты, кормовые белки и другие. Технология производства этих веществ хорошо отработана, получение их микробиологическим путём экономически выгодно.

Однако, пока никто не пытался синтезировать в промышленных масштабах не просто отдельные вещества, а более сложные соединения, состоящие из многих клеток. Например, продукты. Возможно потому, что до сих пор в этом не было необходимости.

Да, сегодня весьма актуальной становится проблема нехватки продовольственных ресурсов. Как известно, чтобы размножиться, корове требуется несколько лет, несколько тонн воды и пищевых ресурсов. Бактерии же размножаются каждые 15-20 минут и требуют минимума ресурсов. Чтобы объединить полезные качества этих 2 организмов, мы разработали технологию синтеза мяса. 

Стадия 1. Лаборатория

1. Берётся мышечная клетка животного, и из неё микропипеткой извлекается миобласт

  2. При помощи специальных ферментов (рестриктаз и лигаз) в миобласт «вшивается» ген бактерии, отвечающий за размножение.

3. Получается исходная мышечная клетка, способная размножаться каждые 15-20 минут.

Стадия 2. Реактор.

В реакторе, где содержится питательная сыворотка (гормоны + белки + факторы роста) закладываются «модифицированные» миобласты.

Размер реактора 1метр*1метр*1 метр, производительность с 1 м - 10 килограмм мясных волокон в сутки.

Стадия 3. Завод.

После того, как волокна выросли, мы их вытаскиваем микропипеткой, и отправляем на завод, где им придают вид настоящего мяса. 

Выводы.

Благодаря нашей технологии возможно решить проблему голода путём получения «обыкновенного» мяса, к которому мы все привыкли, а не белковой массы.