Какие биотехнологии активно используют в сельском хозяйстве генная модификация вредителей

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 19.09.2024

Ге нная инжене рия - совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы. Генная инженерия служит для получения желаемых качеств изменяемого организма.

Генная инженерия не является наукой в широком смысле, но является инструментом биотехнологии, используя исследования таких биологических наук, как молекулярная биология, цитология, генетика, микробиология. Самым ярким событием, привлёкшим наибольшее внимание и очень важным по своим последствиям, была серия открытий, результатом которых явилось создание методов управления наследственностью живых организмов, причём управления путём проникновения в живой клетки - в её генетический аппарат.

Учёные, биохимики и молекулярные биологи научились модифицировать гены или создавать совершенно новые, комбинируя гены различных организмов. Они научились также синтезировать гены, причём точно по заданным схемам. Они научились вводить такие искусственные гены в живые организмы и заставили их там работать. Это было начало генетической инженерии.

Основа микробиологической, биосинтетической промышленности - бактериальная клетка. Необходимые для промышленного производства клетки подбираются по определённым признакам, самый главный из которых - способность производить, синтезировать, при этом в максимально возможных количествах, определённое соединение - аминокислоту или антибиотик, стероидный гормон или органическую кислоту.

Иногда надо иметь микроорганизм, способный, например, использовать в качестве нефть или сточные воды и перерабатывать их в биомассу или даже вполне пригодный для кормовых добавок белок. Иногда нужны организмы, способные развиваться при повышенных температурах или в присутствии веществ, безусловно смертельных для других видов микроорганизмов. Задача получения таких промышленных штаммов очень важна, для их видоизменения и отбора разработаны многочисленные приёмы активного воздействия на клетку - от обработки сильно действующими ядами до радиоактивного облучения.

Цель этих приёмов одна - добиться изменения наследственного, генетического аппарата клетки. Их результат - получение многочисленных микробов-мутантов, из сотен и тысяч которых учёные потом стараются отобрать наиболее подходящие для той или иной цели. Создание приёмов химического или радиационного мутагенеза было выдающимся достижением биологии.

Но их возможности ограничиваются природой самих микроорганизмов. Они не способны синтезировать ряд ценных веществ, которые накапливаются в растениях, прежде всего в лекарственных и эфирномасличных. Не могут синтезировать вещества, очень важные для жизнедеятельности животных и человека, ряд ферментов, пептидные гормоны, иммунные белки, интерфероны да и многие более просто устроенные соединения, которые синтезируются в организмах животных и человека. Разумеется, возможности микроорганизмов далеко не исчерпаны. Из всего изобилия микроорганизмов использована наукой, и особенно промышленностью, лишь ничтожная доля.

Для целей селекции микроорганизмов большой интерес представляют, например, бактерии анаэробы, способные жить в отсутствие кислорода, фототрофы, использующие энергию света подобно растениям, хемоавтотрофы, термофильные бактерии, способные жить при температуре, как оказалось недавно, около 110°С, и др.

И всё же ограниченность очевидна. Обойти ограничения пытались и пытаются с помощью культур клеток и тканей растений. Это очень важный и перспективный путь. За последние несколько десятилетий учёные создали методы, благодаря которым отдельные клетки тканей растения или животного можно заставить расти и размножаться отдельно от организма, как клетки бактерий.

Это было важное достижение - полученные культуры клеток используют для экспериментов и для промышленного получения некоторых веществ, которые с помощью бактериальных культур получить невозможно. Но здесь тоже есть свои трудности, например неспособность животных клеток в культуре делиться бесконечное число раз, как это происходит с бактериями.

Кроме того, получить и выращивать культуры клеток труднее, чем бактериальные культуры. (Есть и свои преимущества, но о них пойдёт речь дальше, так как они оказались кстати уже в новых условиях, когда биотехнология сформировалась и начала своё самостоятельное развитие.) И учёные стремились научиться изменять гены, вводить нужные гены в живой организм, так сказать, книгу природы.

Около десяти лет назад было сделано несколько фундаментальных открытий. Был впёрвые получен изолированный, ген. Затем были открыты ферменты - рестриктазы и лигазы. С помощью рестриктаз ген можно разрезать на кусочки - нуклеотиды. С помощью лигаз такие кусочки можно , соединять в иной комбинации, конструируя новый ген.

Почти одновременно успешно завершились многолетние попытки ту биологическую информацию, которая в генах. Эта работа была проделана английским учёным Ф. Сенгером и американским учёным У. Гилбертом. За неё учёные были удостоены Нобелевской премии по химии (1980). Для Сенгера эта премия была уже второй; он стал первым химиком, получившим награду дважды; первый раз он был награждён за расшифровку строения белка.

Как известно, в генах содержится информация-инструкция для синтеза в организме молекул белков-ферментов. Значит, для того чтобы заставить клетку синтезировать новые, необычные для неё вещества, надо чтобы в ней синтезировались соответствующие наборы ферментов. А для этого необходимо или целенаправленно изменить находящиеся в ней гены, или ввести в неё новые гены, чуждые ей. Изменения генов в живых клетках - это мутации. Они происходят под действием, например, мутагенов - химических ядов или излучений. Но такие изменения нельзя контроли-ровать или направлять. Поэтому учёные сосредоточили усилия на попытках разработать методы введения в клетку новых, совершенно определённых генов, нужных человеку. Для этого, во-первых, необходимо было научиться получать желаемые гены.

Первоначально такие гены пытались просто выделить из подходящих клеток, но потом оказалось, что, зная их строение, проще получать их синтетически, с помощью отработанных биохимических методик. Во-вторых, необходимо было разработать методику введения гена в клетку. Причём нужно было научиться не просто вводить ген в цитоплазму, а встраивать его в собственную молекулу ДНК клетки, так, чтобы новая информация могла быть биосинтетическим аппаратом клетки, вырабатывающим белки, а также воспроизводящим гены при делении клетки. Осуществление этих двух этапов - получение гена и введение его в клетку - и составляет, собственно, основу той отрасли биотехнологии, которая получила название индустрии ДНК.

Разработать методику, как первого, так и второго этапов было невероятно трудно. Однако за очень короткий срок биохимики научились синтезировать гены. Сейчас процесс синтеза генов разработан очень хорошо и даже автоматизирован. Существуют специальные аппараты, снабжённые ЭВМ, в памяти которых заложены программы синтеза различных структурных генов. За день такой аппарат синтезирует необходимые отрезки ДНК длиной в 100-120 азотистых оснований (содержащих информацию для синтеза участка полипептидной цепи белка в 30-40 аминокислотных остатков).

Основные трудности были связаны с введением готового гена в наследственный аппарат клетки. Собственно, именно из-за этих трудностей ещё 15-20 лет назад затеи с модификацией генетического аппарата считали безнадёжным и даже фантастическим делом.

Необходимо было создать общий и воспроизводимый метод включения кусочков гена в полный генетический аппарат клетки. При этом новый фрагмент гена должен был быть помещён очень точно с соблюдением ряда условий, для того чтобы клетка действительно начала синтезировать новые ферменты. Надо было также обойти сопротивляемость клетки-хозяина: как правило, все изменения генетического аппарата воспринимаются клеткой как и исправляются специальными механизмами.

Однако в природе наблюдаются случаи, когда чужеродная ДНК (вируса или бактериофага) включается в генетический аппарат клетки и с помощью её обменных механизмов начинает синтезировать белок. Учёные исследовали особенности внедрения чужеродной ДНК и использовали как принцип введения генетического материала в клетку.

Генная инженерия в сельском хозяйстве

К концу 1980-х удалось успешно внедрить новые гены в десятки видов растений и животных - создать растения табака со светящимися листьями, томаты, легко переносящие заморозки, кукурузу, устойчивую к воздействию пестицидов.

Одна из важных задач - получение растений, устойчивых к вирусам, так как в настоящее время не существует других способов борьбы с вирусными инфекциями сельскохозяйственных культур. Введение в растительные клетки генов белка оболочки вируса, делает растения устойчивыми к данному вирусу. В настоящее время получены трансгенные растения, способные противостоять воздействию более десятка различных вирусных инфекций.

Еще одна задача связана с защитой растений от насекомых-вредителей. Применение инсектицидов не вполне эффективно, во-первых, из-за их токсичности, во-вторых, потому, что дождевой водой они смываются с растений. В генно-инженерных лабораториях Бельгии и США были успешно проведены работы по внедрению в растительную клетку генов земляной бактерии Bacillus thuringiensis, позволяющих синтезировать инсектициды бактериального происхождения. Эти гены ввели в клетки картофеля, томатов и хлопчатника. Трансгенные растения картофеля и томатов стали устойчивы к непобедимому колорадскому жуку, растения хлопчатника оказались устойчивыми к разным насекомым, в том числе к хлопковой совке. Использование генной инженерии позволило сократить применение инсектицидов на 40 - 60%.

Генные инженеры вывели трансгенные растения с удлиненным сроком созревания плодов. Такие помидоры, например, можно снимать с куста красными, не боясь, что они перезреют при транспортировке.

Список растений, к которым успешно применены методы генной инженерии, составляет около пятидесяти видов, включая яблоню, сливу, виноград, капусту, баклажаны, огурец, пшеницу, сою, рис, рожь и много других сельскохозяйственных растений.

Генная терапия человека

На людях технология генной инженерии была впервые применена для лечения Ашанти Де Сильвы, четырёхлетней девочки, страдавшей от тяжёлой формы иммунодефицита. Ген, содержащий инструкции для производства белка аденозиндезаминазы (ADA), был у неё повреждён. А без белка ADA белые клетки крови умирают, что делает организм беззащитным перед вирусами и бактериями.

Работающая копия гена ADA была введена в клетки крови Ашанти с помощью модифицированного вируса. Клетки получили возможность самостоятельно производить необходимый белок. Через 6 месяцев количество белых клеток в организме девочки поднялось до нормального уровня.

После этого область генной терапии получила толчок к дальнейшему развитию. С 1990-х годов сотни лабораторий ведут исследования по использованию генной терапии для лечения заболеваний. Сегодня мы знаем, что с помощью генной терапии можно лечить диабет, анемию, некоторые виды рака, болезнь Хантингтона и даже очищать артерии. Сейчас идёт более 500 клинических испытаний различных видов генной терапии.

Неблагоприятная экологическая обстановка и целый ряд других подобных причин приводят к тому, что все больше детей рождается с серьезными наследственными дефектами. В настоящее время известно 4000 наследственных заболеваний, для большинства из которых не найдено эффективных способов лечения.

Сегодня существует возможность диагностировать многие генетические заболевания ещё на стадии эмбриона или зародыша. Пока можно только прекратить беременность на самой ранней стадии в случае серьёзных генетических дефектов, но скоро станет возможным корректировать генетический код, исправляя и оптимизируя генотип будущего ребёнка. Это позволит полностью избежать генетических болезней и улучшить физические, психические и умственные характеристики детей.

Сегодня мы можем отметить, что за тридцать лет своего существования генная инженерия не причинила никакого вреда самим исследователям, не принесла ущерба ни природе, ни человеку. Свершения генной инженерии как в познании механизмов функционирования организмов, так и в прикладном плане весьма внушительны, а перспективы поистине фантастичны.

Проект "Геном человека"

В 1990 году в США был начат проект "Геном человека", целью которого было определить весь генетический год человека. Проект, в котором важную роль сыграли и российские генетики, был завершён в 2003 году. В результате проекта 99% генома было определено с точностью 99,99% (1 ошибка на 10000 нуклеотидов). Завершение проекта уже принесло практические результаты, например, простые в применении тесты, позволяющие определять генетическую предрасположенность ко многим наследственным заболеваниям.

Высказаны, например, надежды, что, благодаря расширфровке генома, уже к 2006 году будут разработаны препараты для лечения такого опасного заболевания, как СПИД, к 2009 году будут определены гены, которые связаны со злокачественными новообразованиями, а к 2010-2015 году будут установлены механизмы возникновения почти всех видов рака. К 2020 году может быть завершена разработка препаратов, предотвращающих рак.

Ближайшие задачи генетиков

Хотя генетика и генная инженерия уже играют огромную роль в медицине и сельском хозяйстве, основные результаты ещё впереди. Нам ещё очень многое предстоит узнать о том, как работает сложная генетическая система в нашем организме и у других видов живых существ.

Биотехнология кратко — дисциплина, изучающая возможности применения живых организмов и их систем в решении различных технологических задач, в том числе создания живых организмов с определенными свойствами при помощи генной инженерии.

Биотехнологию в рефератах представляют как понятие, охватывающее широкий спектр процедур, направленных на модификацию живых организмов в соответствии с целями человека.

История биотехнологии

Ранняя биотехнология позволила фермерам выбрать и развести культуры, которые сегодня дают самые большие урожаи: в достаточном для поддержания растущего населения количестве.

Так как посевы и поля становились все более объемными, возникли проблемы с их поддержанием. Тогда обнаружили, что отдельные организмы и продукты их переработки вполне эффективно оплодотворяют, восстанавливают азот и борются с вредителями. На протяжении развития сельского хозяйства, фермеры непреднамеренно изменяли генетику культур, вводя их в новые условия и разводя вместе с другими растениями. Все это было первыми формами биотехнологий.

Долгое время люди также пользовались селекцией с целью улучшить производство сельскохозяйственных культур и домашнего скота, чтобы все это потом можно было употреблять в пищу.

Селекция основывалась на том, что организмы, обладающие желательными характеристиками, сопрягались с такими же организмами.

Так получили самые сладкие и крупные зерновые культуры.

Начало 20 века стало временем углубления в основы микробиологии, что привело к изучению различных способов производства. Хаим Вейцман в 1917 году первым применил микробиологическую культуру в промышленном процессе — в производстве кукурузного крахмала.

И сегодня практически каждый ответит, что это все касается новейших результатов генетических исследований. Причем не традиционных, которые ставили целью познать, исследовать, определить закономерности наследственности и изменчивости базовых свойств живых организмов, а призванных подчинять себе их механизмы, преобразовывая под личные нужды. В итоге стало возможным создание новых типов сортов растений, отличающихся рядом характеристик, которые обычными селекционными приемами воссоздать нельзя. Кроме того, человечество получило шанс синтезировать более действенные лекарственные препараты для борьбы с серьезными, не поддающимися лечению другими способами болезней.

И возможным это стало в результате создания научных технологий, которые дают возможность обособленно и независимо исследовать наследственные молекулы ДНК, разрабатывать новые генетические вариации внеклеточных структур с последующим их внедрением в биологические объекты. Такими действиями человек смог преодолеть межвидовые барьеры, возникающие при скрещивании биологически неродственных видов и делающие возможными создание самых удивительных гибридов среди растений и животных. Сейчас это уже не научная фантастика, а реальность, ведь селекция шагнула далеко вперед, объединив генетическими модификациями виды, стоящие в эволюционном, систематическом, морфо-анатомическом плане на огромной дистанции друг от друга.

Таким образом, генно-модифицированные организмы (ГМО) – это живые объекты (чаще всего, растения, реже животные и микроорганизмы), наследственный материал которых был преобразован таким образом, каким в природных условиях при репродукции или природной рекомбинативной изменчивости не представлялось бы возможным. Что мы имеем в результате этого? Новые прогрессивные сорта или породы, например, картофеля, резистентного к своим прямым вредителям; пшеницы и других злаковых с характерными чертами ксерофитов; овощей, стойких к низким температурам или другим экстремальным условиям среды. Немало и невероятных примеров таких генетических чудес. Это и коты со способностью к флюорисцентности, и растения, модифицированные, чтобы связывать загрязнения из воздуха или почвы, и коровы, менее подверженные неприятному явлению метеоризма.

Несмотря на это, во всем мире ведется широкая полемика относительно этого вопроса. Единого правильного мнения касаемо необходимости и безопасности ГМО-продуктов еще не получено. Общество разделилось на два противоборствующих лагеря, где с одной стороны стоят ученые и крупные корпорации, продвигающие данный продукт на мировой рынок, а с другой – общественные и экологические организации, отстаивающие права природы самой распоряжаться своим генетическим наследием. Большая часть жителей планеты, сама того и не подозревая, стала участницей вселенского эксперимента, результаты которого и будут решающими для дальнейшей судьбы ГМО.
Мы же попытаемся вернуться к истокам этой проблемы, чтобы понять, что может ожидать человека и природу в будущем, если настоящее неразрывно связано с генетическими модификациями.
История создания генетических модификаций.

Появление на свет ГМО и продукции, полученной из них, стало возможным с интенсивным развитием генной инженерии, которая сама родилась благодаря достижениям биохимии и молекулярной генетики. В течение многих десятилетий считалось, что основной группой макромолекул являются белковые вещества. На уровне догадок полагали, что сами гены имеют белковое происхождение.
Начиная с 1944 г., исследованиями ученых Эйвери, Маклеод и Маккарти было установлено, что наследственная информация содержится в молекулах ДНК, после чего началась эра активного познания нуклеиновых кислот живых существ. Не прошло и десяти лет, как два ученых Дж. Уотсон и Ф. Крик, усомнившись, что тайна генетического кода скрывается не в структуре белков, а в структуре ДНК, их содержащих, совершили одно из наиболее масштабных открытий прошлого века. Им на основе химических исследований, рентгенографических снимков впервые удалось заглянуть в пространственную организацию ДНК-молекул, на основании чего была построена первичная модель этой кислоты, подтвержденная последующими исследованиями в этой отрасли. Важнейшими положениями их достижений стало то, что каждую молекулу ДНК образуют две полимерные цепочки, состоящие из 4 различных участков, соединенных в пределах одной молекулы связями комплементарного характера. С этим научным прорывом стал возможен и следующий, нацеленный на получение дочерних молекул ДНК через матрицу исходной молекулы, выступающей в роли материнской. Этот процесс сегодня называется ДНК-репликация. С этого момента начинается постепенной развитие молекулярной генетики.

В 50-60-х годах были достоверно установлены главные свойства генетического кода как запрограммированного чередования аминокислот белков, белков – в составе нуклеотидов и самих нуклеотидов – в нуклеиновой кислоте. В основе этого процесса лежит строгая упорядоченная последовательность 4 оснований азотистого происхождения – аденина, тимина, цитозина и гуанина, которые словно алфавитные символы пишут генетический код каждого живого существа на планете. Немного позже других было полностью изучено свойство универсальности генетического кода, которое означало его равный принцип работы для неродственных и разноорганизованных организмов. Именно это обстоятельство дало широкое поле для деятельности, стало основным подходом генной инженерии, удивившей мир немного позже.

Молекулярная генетика не останавливалась на достигнутом. Постепенно в научные исследования вовлекались вирусы и бактерии. Экспериментальным путем стало возможным получение препаратов ДНК из вирусов и внехромосомных генетических структур бактериальных клеток – плазмид. После чего предпринимались первые попытки их активного внедрения и в живые клетки с целью репликации некоторых генов. Немаловажным на пути становления генной инженерии было обнаружение некоторых веществ ферментативной природы, которые можно было использовать в качестве катализаторов подобного рода преобразований.Особое место среди них принадлежит ферментам рекстриктазам, которые ускоряют процесс гидролиза нуклеиновых кислот.
Во всем многолетнем периоде становления генной инженерии можно выделить три промежутка. В ходе первого удалось доказать реальность рекомбинантного преобразования с молекулами ДНК в пробирочной среде. Так, из нескольких различных по структуре плазмид получилось создать новые гибридные образования. Позже рекомбинантные манипуляции коснулись и непосредственного наследственного аппарата прокариотических организмов – бактерий, которые не имеют оформленного клеточного ядра, как у других форм жизни. Причем удалось не только воссоздать подобные рекомбинантные ДНК молекулы, но и добиться их стабильной работы.

Условно считают, что именно 1972 г., когда научными деятелями Стенфордского университета была лабораторным путем сотворена молекула ДНК, состоящая из участков ДНК бактерии E. coli, бактериофага и вируса SV40.
Уже в 1987 г. произошли первые тестирования генетически модифицированных растений сельскохозяйственного назначения. После этого началась работа над выведением помидора, резистентного к инфекциям вирусной природы. Уже в 1992 г. В Китае начали культивировать табак, который был невосприимчивым к насекомым-вредителям. Массовое продуцирование ГМ-растений берет свое начало с 1994 г, когда мир впервые увидел сорт помидора FlavrSavr, высокотранспортабельный со сроком хранения до 6 месяцев. Наиболее активно изучение и дальнейшая разработка трансгенных растений происходило, начиная с 1995 г, когда все большее и большее количество стран приобщались к экспериментальным высадкам ГМО на своих землях.

Предпосылки мирового распространения ГМО или случайностей не бывает

Генетические модификации хоть и решают немало насущных проблем медицины, например, ситуация с инсулином, который на данный момент научились получать вживляя соответствующий ген в бактериальную клетку, но они создавались не по этой причине. Скорее, это было сопутствующим достижением, которое принесло немало преимуществ и фармотрасли, и непосредственному потребителю.
Подобно иным научным инновациям, необходимость в генной инженерии тоже не возникла на пустом месте. Она явилась результатом многократных поисков путей и стратегий, которые должны были разрешить следующие проблемы:

растущей численности населения мира;
повышения продуктивности в сельском хозяйстве;
создания живых организмов с новыми, полезными свойствами.

Ключевым мотивом всего этого начинания было простое желание накормить безостановочно увеличивающееся население Земли, причем сделать это самым дешевым и быстрым способом. Традиционная агрокультура требует немало времени, сил, денежных вложений. В противовес этому нашли новый менее затратный и работающий метод для создания пищевых продуктов – генная инженерия. Учитывая то, что сегодня примерно пятая часть населения Земли голодает, и каждый день от нехватки продовольствия умирает до 20 тыс. человек, это кажется неплохой перспективой. Но даже в неголодающих странах есть другая проблема – ежегодный рост дефицита белковой пищи. Сегодня он составляет до 40 млн. т/год. И эта цифра не окончательна.
В результате этого свыше 60 млн. га пахотных земель уже занято под модифицированными сортами растительных культур. Наибольшие площади из них находятся в США, Аргентине, Бразилии. Большая часть продаваемой сои, хлопка и кукурузы поступают к потребителю именно в генно-модифицированном виде. И постсоветские просторы могут быть вовсе не исключением из этого правила, даже если этот факт и не предается широкой огласке. К тому же, деградационные почвенные процессы, разворачивающиеся почти на всей земной территории, с еще большей силой заставляют искать новые выходы из ситуации.

Конечно, глобальную проблему перенаселения Земли и сопутствующую ей продовольственную можно попробовать решить традиционным способом, как это делали наши предки.
Но, к сожалению, это довольно долгий и трудоемкий процесс, даже с использованием высокосовременных пестицидов и минеральных удобрений. Но проблема не только в этом. Может произойти такое, что просто не останется ресурса, который можно будет вовлечь в сельхозоборот. Уже сейчас стремительные деградационные процессы в почве, урбанизация и производственная активность человека привели к немалым потерям пригодных для аграрного производства земель. Говорить о том, что через несколько десятков лет что-то изменится в лучшую сторону пока нет оснований.

Генная инженерия предоставила мощные рычаги, позволяющие повысить аграрную продуктивность при значительно меньших экономических затратах. Растения, в которые были введены гены инородного происхождения, демонстрировали хорошую стойкость возбудителям заболеваний разной этиологии, сельхозвредителям, а также к факторам окружающей среды. Таким образом стало несложным влиять на содержание в них масел, сахаров, витаминов и микроэлементов, сахаристость. Кроме того, продукция, получаемая из подобного растительного сырья, может иметь усовершенствованные вкусовые характеристики, более презентабельный внешний вид при длительном сроке хранения. Трансгенные растения имеют более высокую урожайность, которая практически не меняется из года в год. Обычные агрокультуры такими преимуществами не обладают.

ГМО – современные факты

красные ГМ-технологии – создаются для получения лекарственного сырья и препаратов;
зеленые – относятся к использованию ГМ-растений в аграрном секторе и лесоразведении;
белые – использование модифицированных организмов в промышленности;
голубые – понятие появилось сравнительно недавно и относится к акваэкосистемам.

Наиболее широкое развитие получило направление зеленых генетических технологий, в помощью которых создан не один десяток ГМ-растений. Кроме привычных зерновых и овощных культур, удалось получить модифицированные аналоги цикория, дынь, папайи, кабачков. Если только к середине 90-х годов свыше 60 видов культурных растений уже было модифицировано, к началу нового тысячелетия данная цифра превысила 100. Характерно то, что не все эти открытия получили патент и разрешение на дальнейшее использование.

Сейчас около 20 млн. фермеров во всем мире ежегодно отдают предпочтение именно ГМ-культурам, уходя от культивирования привычных, полученных стандартными селекционными приемами, сортов. В 2015 г. свыше 180 млн. га было занято под модифицированными растениями, список которых ежегодно пополняется новыми. Американский континент вскоре встретят новые модифицированные продукты - картофель, устойчивый к микогенному заболеванию – фитофторозу, и не приминающийся при транспортировке, а также яблоки, мякоть которых более стойка к окислению. Ведутся современные исследования для создания сортов кукурузы для ее культивирования в пустынных и полупустынных районах Африки.
Есть ли ГМО в странах Восточной Европы, где столетиями создавалась высокая агротехнологическая культура? Официальная статистика чаще всего отвергает данный факт, да и сами производители не стремятся показывать истинное лицо компонентного состава своей продукции. В результате чего мы живем в иллюзии, что ГМ-культуры есть где угодно, только не у нас. Но кто знает, может быть это тот самый случай, когда ложь будет лучше правды.

Растения-ГМО: как это делается
Растения-ГМО: практическое применение
Растения-ГМО: проекты в перспективе

Растения-ГМО: практическое применение

Это, конечно же, крайние проявления. Но каждого современного человека беспокоит вопрос: нужно ли бояться генетически модифицированных растений? Что они несут миру: пользу или вред? Однозначного ответа не существует. И с каждым конкретным случаем применения ГМО нужно разбираться отдельно.

Какие же проекты с участием трансгенных растений человечество разрабатывает сегодня?

Устойчивость к вредителям

Насекомые-вредители при вспышках численности могут уничтожать существенную часть урожая (если не весь урожай). Для борьбы с ними применяют довольно агрессивные вещества — пестициды (от лат. pestis — вредоносный бич, зараза и caedo — убивать). Пестициды уничтожают и вредных, и полезных насекомых (например пчёл, шмелей, жужелиц), оказывают влияние на почвенных обитателей, а при попадании в водоёмы пестициды могут вызвать гибель рыб. Применение пестицидов опасно в первую очередь для людей, работающих в сельском хозяйстве: именно они готовят растворы, проводят опрыскивания, работают в поле, пока пестицид продолжает действовать. К нам на стол попадает лишь ничтожная часть пестицидов, которые по большей части уже разложились. Избавиться от остатков пестицидов можно, тщательно вымыв овощи и фрукты или очистив кожицу.

Отказаться от применения пестицидов пока ещё нельзя: тогда размножатся вредители и человечество останется без урожая. А нельзя ли сделать культурные растения несъедобными для насекомых?

Таким образом, при внедрении генетически модифицированных пищевых растений часть людей окажется к ним довольно чувствительной, но другие так или иначе приспособятся. Но чувствительные люди должны точно знать, какие продукты приготовлены с применением ГМО.

Полезно знать, что сегодня в Россию можно ввозить и использовать в пищевых технологиях 16 сортов и линий генетически модифицированных растений — в основном устойчивых к тем или иным вредителям. Это кукуруза, соя, картофель, сахарная свёкла, рис. От 30 до 40% продуктов на современном рынке уже содержат компоненты, полученные из ГМО. Парадоксально, что при этом выращивать генетически модифицированные растения у нас в стране не разрешается.

В утешение скажем, что в США — стране, которая выращивает 2/3 мирового урожая генетически модифицированных растений — до 80% продуктов содержат ГМО!

Устойчивость к вирусам

Ризомания — это всего лишь один пример. С развитием транспорта вирусы растений вместе с урожаем быстро перемещаются по планете, минуя таможенные барьеры и государственные границы.

Есть и другие проекты, связанные с повышением устойчивости к вирусам. Например, огурцы, дыни, арбузы, кабачки и тыква поражаются одним и тем же вирусом мозаики огурца. Кроме того, в круг хозяев входят томаты, салат-латук, морковь, сельдерей, многие декоративные и сорные растения. Бороться с вирусной инфекцией очень трудно. Вирус сохраняется на многолетних растениях-хозяевах и на остатках корневой системы в почве.

Как и в случае с ризоманией, против вируса мозаики огурца помогает образование белка его собственного капсида в растительных клетках. На сегодня получены устойчивые к вирусу трансгенные растения огурцов, кабачков и дыни.

Ведутся работы и по повышению устойчивости к другим вирусам сельскохозяйственных растений. Но пока ещё, за исключением сахарной свёклы, устойчивые генетически модифицированные растения мало распространены.

Устойчивость к гербицидам

И тогда возникла идея: сделать культурные растения устойчивыми к гербицидам сплошного спектра действия! Благо, у бактерий есть гены, отвечающие за разрушение многих гербицидов. Достаточно просто пересадить их в культурные растения. Тогда вместо постоянных прополок и рыхления междурядий над полем можно распылить гербицид. Культурные растения выживут, а сорняки погибнут.

Именно такие технологии предлагают фирмы, производящие гербициды. Причём выбор трансгенных семян культурных растений зависит от того, какой гербицид фирма предлагает на рынке. Каждая фирма разрабатывает растения-ГМО, устойчивые к своему гербициду (но не к гербицидам конкурентов!). Ежегодно в мире на полевые испытания передают 3–3,5 тыс. новых образцов растений, устойчивых к гербицидам. Даже испытания устойчивых к насекомым растений отстают от этого показателя!

Устойчивость к гербицидам уже широко применяется при выращивании люцерны (кормовая культура), рапса (масличное растение), льна, хлопчатника, кукурузы, риса, пшеницы, сахарной свёклы, сои.

Биотехнология в животноводстве

Основные понятия в биотехнологии. Биотехнология (от греч. вios – жизнь, teken – искусство, мастерство, logos – наука, умение, мастерство) – это получение продуктов из биологических объектов или с применением биологических объектов.

В последние десятилетия мы стали свидетелями своеобразного бума, связанного с рождением и становлением современной биотехнологии. Речь идет о создании мобильной, высокоэффективной, компактной отрасли производства, базирующейся на самых последних достижениях биологической науки, прежде всего на методах генетической и клеточной инженерии.

Биотехнология – это наука о применении биологических процессов и систем в производстве.

Биотехнология – это направление научно-технического прогресса, использующее биологические процессы и агенты для целенаправленного воздействия на природу, а также в интересах промышленного получения полезных для человека продуктов, в частности лекарственных средств.

Биотехнология – это объединение биохимической, микробиологической и инженерной наук с целью технологического использования микроорганизмов, культур клеток и тканей, а также составных частей клеток.

Таким образом, биотехнология представляет собой область знаний, которая возникла и оформилась на стыке микробиологии, молекулярной биологии, генетической инженерии, химической технологии и ряда других наук.

Рождение биотехнологии обусловлено потребностями общества в новых, более дешевых продуктах для народного хозяйства, в том числе медицины и ветеринарии, а также принципиально новых технологиях.

В качестве биологических объектов могут быть использованы организмы животных и человека (например, получение иммуноглобулинов из сывороток вакцинированных лошадей или людей; получение препаратов крови доноров), отдельные органы (получение гормона инсулина из поджелудочных желез крупного рогатого скота и свиней) или культуры тканей (получение лекарственных препаратов).

Однако в качестве биологических объектов чаще всего используют одноклеточные микроорганизмы, а также животные и растительные клетки. Выбор этих объектов обусловлен следующими причинами.

Клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся, что позволяет за относительно короткое время искусственно нарастить на сравнительно дешевых и недефицитных питательных средах в промышленных масштабах огромные количества биомассы микробных, животных или растительных клеток.

Возможность проведения биотехнологического процесса в промышленных масштабах, т. е. наличие соответствующего технологического оборудования и аппаратуры, доступность сырья, технологии переработки и др.

Задачи, стоящие перед биотехнологией:

поддержание и активизация путей обмена клеток, ведущих к накоплению целевых продуктов при заметном подавлении других реакций обмена у культивируемого организма;
получение клеток и их составных частей для направленного изменения сложных молекул;
углубление и совершенствование генетической инженерии, включающей рДНК-биотехнологию и клеточную инженерию, с целью получения особо ценных результатов в фундаментальных и прикладных разработках;
создание безотходных и экологически безопасных биотехнологических процессов;
совершенствование и оптимизация аппаратурного оснащения биотехнологических процессов с целью достижения максимальных выходов конечных продуктов при культивировании лекарственных видов с измененной наследственностью, полученных методами клеточной и генной инженерии;
повышение технико-экономических показателей биотехнологических процессов по сравнению с существующими параметрами.

Основные термины и понятия биотехнологии.

Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные сложные органические соединения, состоящие из серии компонентов более простого строения, названных нуклеотидами.

Нуклеотид – это комплекс, включающий одно из азотистых оснований, углевод (рибозу или дезоксирибозу) и остаток фосфорной кислоты.

ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты) – нуклеиновые кислоты, содержащие в качестве углеводного компонента дезоксирибозу, а в качестве азотистых оснований – аденин, гуанин, цитозин, тимин. ДНК присутствуют в клетках любого организма, входят в состав многих вирусов. Первичная структура молекулы ДНК строго индивидуальна и специфична, представляет собой кодовую форму записи биологической информации, т. е. генетический код.

РНК (рибонуклеиновые кислоты) – нуклеиновые кислоты, содержащие в качестве углеводного компонента рибозу, а в качестве азотистых оснований – аденин, гуанин, цитозин, урацил. РНК присутствуют в клетках любого живого организма, входят в состав многих вирусов; участвуют в реализации генетической информации.

Ген – наследственный фактор, функционально неделимая информация генетического материала; участок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру полипептида, молекулы транспортной и рибосомальной РНК или взаимодействующий с регуляторным белком.

Генотип – совокупность генов данной клетки или организма.

Геном – совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида организмов; основной гаплоидный набор хромосом.

Вектор – любая плазмида или фаг, в которые может быть встроена чужеродная молекула ДНК с целью клонирования.

Плазмида – кольцевая внехромосомная ДНК, способная к автономной репликации.

Репликация – самоудвоение молекулы ДНК путем образования ее копии при помощи набора ферментов (ДНК-полимераз, лигаз и т. п.).

Гибридизация – процесс образования или получения гибридов, в основе которого лежит объединение генетического материала разных клеток в одной клетке.

Клон – совокупность клеток или особей, произошедших от общего предка путем бесполого размножения.

Штамм – чистая культура микроорганизма, выделенного из определенного источника или полученного в результате мутаций.

Эукариоты – организмы, состоящие из клеток, в которых обязательно содержится особый органоид – ядро.

1. Мировой уровень биотехнологии как науки и отрасли производства

Биотехнология как самостоятельная прикладная наука сформировалась в середине 50-х гг. XX в., когда человечество осознало необходимость первоочередного решения на принципиально новых основах главнейших проблем современности – продовольственной, энергетической, ресурсной, загрязнения окружающей среды и др. Биотехнологические процессы базируются на использовании биосинтетического потенциала микроорганизмов, растительных и животных клеток, тканей и органов, культивируемых на искусственных питательных средах.

В настоящее время во многих странах мира развитию биотехнологии придается первостепенное значение в силу ряда существенных преимуществ перед другими видами технологий: биотехнологические процессы обладают низкой энергоемкостью, почти безотходны, экологически чистые. Эти технологии предусматривают использование стандартного оборудования и реактивов, а также возможность проведения исследований круглый год, независимо от климатических условий, занимая при этом незначительные площади. Кроме того, биотехнологические процессы высокопроизводительны, для них характерен высокий уровень автоматизации и механизации. Данные процессы осуществляются при относительно низких температурах и атмосферном давлении.

Биотехнология сегодня развивается бурными темпами. Как наука она изучает внедрение производственных процессов, в основе которых лежит практическое использование микроорганизмов, всевозможных биологических систем. Это не только растительные или животные ткани, но и протопласты, рекомбинантные ДНК, а также полностью генетически модифицированные организмы.

Биотехнологическое производство представляет собой интенсивно развивающийся сектор экономики большинства развитых стран, созданию благоприятных условий для развития которого способствовало принятие во многих государствах специальных долгосрочных программ. Согласно исследованиям, объем мирового рынка биотехнологий оценивается в стоимостном выражении в 270 млрд. долларов США с прогнозируемым ежегодным приростом. К 2020 г. объем мирового рынка биотехнологий вырастет более чем в 2 раза и составит около 600 млрд. долларов США. Биотехнологическое производство относится к высокотехнологичным отраслям экономики и сконцентрировано в наиболее промышленно развитых странах.

Около 45 % мирового рынка биотехнологий сконцентрировано в Северной Америке (Соединенные Штаты Америки и Канада), по 26 % – в Европе и Азии, 2,5 % – в странах Среднего Востока и Африки. В последние годы значительные ресурсы в развитие биотехнологий вкладывают Федеративная Республика Бразилия, Российская Федерация, Республика Индия, Китайская Народная Республика и Южно-Африканская Республика, реализующие масштабные программы по всем биотехнологическим направлениям. Ключевыми факторами, определяющими успешное развитие биотехнологической отрасли в развитых странах, являются: активная финансовая поддержка отрасли государством; наличие специальных образовательных и исследовательских учреждений; высокая квалификация научных кадров; многолетний опыт предпринимательской деятельности в стране.

2. История развития биотехнологии

Глубоко в древности биотехнология развивалась эмпирическим путем: выпечка хлеба, изготовление вина, сыроварение, силосование кормов для скота – все это различные микробиологические процессы, за которыми веками велись наблюдения.

Настоящая же генная инженерия, биотехнология как современный вид науки начала развиваться только лишь в середине прошлого столетия.

История развития биотехнологии условно делится на три последовательных этапа. Первый – это развитие биотехнологии в разрезе исторического аспекта. При раскопках древних поселений в Месопотамии, в Египте, а также Греции были обнаружены остатки больших и малых пекарен и пивоварен. Известно, что уже шумеры умели делать пиво, причем ассортимент его был довольно широк (около двадцати различных сортов). На территории Древней Греции и Римской империи было активно развито виноделие и производство сыра. Изготовляли и льняное волокно, этот процесс происходит с участием микроскопических грибов и бактерий.

В конце XIX в. развитие биотехнологии вступило во второй этап – она начала развиваться как наука. Появились первые ученые-генетики, микробиологи и вирусологи. В начале прошлого века были созданы первичные установки по производству метана. Отходы сельскохозяйственного производства превращались в биологический газ и органическое удобрение. В середине ХХ в. началось производство антибиотиков, как следствие, появились предприятия, которые с помощью микроорганизмов начали производить не только аминокислоты и витамины, но и органические кислоты, а также ферменты.

3. Основные направления развития биотехнологии

Основными направлениями развития биотехнологии считаются:

создание новых видов продуктов питания и животных кормов, производство их;
выведение новых штаммов полезных микроорганизмов;
создание новых пород животных;
выведение новых сортов растений;
создание и применение препаратов по защите растений от болезней и вредителей;
применение новых биотехнологических методов по защите окружающей среды.

Кроме этого, активно развивается направление биологически активных соединений с помощью микроорганизмов и культивируемых эукариотических клеток. Сюда входят ферменты, витамины, а также гормоны.

4. Состояние и перспективы развития биотехнологии в современном мире

Современная биотехнология привлекает внимание инвесторов не только в нашей стране, но и во всем мире. Эксперты и аналитики прогнозируют, что биотехнологии станут самым динамично развивающимся и самым прибыльным бизнесом нынешнего века.

Быстрыми темпами развиваются такие отрасли, как современные биологические методы защиты культурных растений, биоэнергетика и биодеградируемые полимеры, а также природоохранные биотехнологии. Ведутся научные работы по созданию новых биополимеров, в будущем они могут заменить ныне популярные пластмассы. Биополимеры имеют большое преимущество в сравнении с пластмассами, так как они нетоксичны и могут разлагаться после их применения, не загрязняя при этом окружающее пространство. Конструирование необходимых генов даст возможность управлять жизнедеятельностью не только растений, но и животных, создавать новые организмы с иными свойствами.

Современные биотехнологии сыграют большую роль в качественном улучшении жизни человека, развитии экономического роста стран. Посредством биотехнологий получают новые средства для диагностики, вакцины, продукты питания, лекарства. Биотехнология помогает в увеличении урожайности всех злаковых культур, что более чем актуально, принимая во внимание рост численности населения нашей планеты.

В некоторых странах, где значительные объемы биомассы не используются полностью, биотехнология в обозримом будущем превратит их в ценные продукты или в биологические виды топлива. Биотехнология все больше перестает быть прикладной наукой, она активно входит в обычную жизнь людей, помогая решать насущные проблемы современного человечества.

5. Развитие биотехнологии и генной инженерии в современной науке

На стыке ХХ и ХХI в. был задуман и осуществлен грандиозный проект – прочитан геном человека. Это был большой труд, в котором участвовало много лабораторий в разных странах мира. Одним из продуктов этих исследований стало появление технологии идентификации личности по ДНК, получение информации о родстве (установление отцовства). Но от прочтения генома ученые ожидали большего. Информация, зашифрованная в ДНК, огромна и ее изучение, расшифровка еще сложнее, чем процедура исследований.

Сейчас идет речь не о том, чтобы просто получать информацию о будущих болезнях, но о том, что есть возможность исправлять дефектные участки ДНК. И это было бы прекрасно – ведь накопление генетических ошибок в человеческом сообществе способствует деградации вида Homo sapiens.

Впрочем, на пути многих амбициозных и не слишком щепетильных в нравственном отношении проектов возникают препятствия, положенные самой природой. Фантастические успехи от применения стволовых клеток для лечения и омоложения – и их перерождение в злокачественные опухоли; рождение клонированных животных – и их ранняя смерть, слабое здоровье. Живая материя по-прежнему непостижима, несмотря на успехи в ее познании, и пределы человеческого вмешательства в ее основы ограничены.

Генетический ремонт – направление, которое развивается и будет развиваться, и в него инвестируются большие деньги.

6. Использование биотехнологии в животноводстве

Получение трансгенных животных. Трансгенные животные – это экспериментально полученные животные, содержащие во всех клетках своего организма дополнительную интегрированную с хромосомами чужеродную ДНК (трансген), которая передается по наследству.

Первые трансгенные животные были получены в 1974 г. в Кембридже (США) в результате инъекции в эмбрион мыши ДНК вируса обезьяны. В 1980 г. американским ученым Жоржем Гордоном (Gordon) с соавторами было предложено использовать для создания трансгенных животных микроинъекцию ДНК в пронуклеус (ядро в яйцеклетке) зиготы. Именно этот подход положил начало широкому распространению технологии получения трансгенных животных.

В России первые трансгенные животные появились в 1982 г. С помощью микроинъекций в пронуклеус зиготы в 1985 г. в США были получены первые трансгенные сельскохозяйственные животные (кролик, овца, свинья).

Все имеющиеся методы переноса генов (трансгеноз) пока еще не очень эффективны. Для получения одного трансгенного животного в среднем необходимы микроинъекции ДНК в 40 зигот мышей, 90 зигот козы, 100 зигот свиньи, 110 зигот овцы и в 1600 зигот коровы.

При трансгенозе могут возникать неожиданные проблемы. Одна из первых работ по генетической трансформации животных проводилась путем встраивания генов гормона роста. Перенос гена гормона роста крысы мышам увеличивал рост мышей в 2 раза. Эксперименты по трансгенозу генов гормона роста быка кроликам также увенчались успехом. А вот аналогичные эксперименты по модификации крупного рогатого скота привели к увеличению прироста всего на 10–20 %.

Технология создания трансгенных животных является одной из наиболее бурно развивающихся биотехнологий в последние 10 лет. Трансгенные животные широко используются как для решения большого числа теоретических задач, так и для биомедицины и сельского хозяйства.

Уже получены трансгенные коровы и козы, в молоке которых содержится человеческий белок лактоферрин.

В Англии созданы трансгенные овцы, молоко которых содержит фактор свертывания крови.

В России получены свиньи, несущие ген соматотропина. Они не отличались по темпам роста от нормальных животных, но изменение обмена веществ сказалось на содержании жира. Такие трансгенные свиньи были созданы для изучения цепочки биохимических превращений гормона, а побочным эффектом явилось укрепление иммунной системы.

Трансгенных животных получают и для целей ксенотрансплантации (пересадки органов человеку). Одним из распространенных доноров органов являются свиньи, так как имеется анатомическое сходство органов и сходство иммунологических свойств. Реакции отторжения при трансплантации имеют сложный механизм. Одним из сигналов для атаки организма на чужой орган являются белки, локализованные на внешней поверхности мембраны. У трансгенных свиней эти белки заменены на человеческие.

Существует множество трансгенных животных, моделирующих различные заболевания человека (рак, атеросклероз, ожирение и др.).

В практических целях трансгенные животные используются различными зарубежными фирмами как коммерческие биореакторы, обеспечивающие производство разнообразных медицинских препаратов (антибиотиков, факторов свертываемости крови и др.). Кроме того, перенос новых генов позволяет получать трансгенных животных, отличающихся повышенными продуктивными свойствами (например, усиление роста шерсти у овец, понижение содержания жировой ткани у свиней, изменение свойств молока) или устойчивостью к различным заболеваниям, вызываемым вирусами и другими патогенами. В настоящее время человечество уже использует множество продуктов, получаемых с помощью трансгенных животных: медицинские препараты, органы, пища.

Речь здесь идет о получении в промышленных масштабах лекарства четвертого поколения – самого современного в борьбе с различными заболеваниями, а также большой экономической выгоде, которую предполагает для Республики Беларусь реализация этой программы. Учитывая, что стоимость одной дозы лактоферрина, произведенного методом микробного синтеза составляет 2,0–2,5 тыс. долларов, использование предлагаемой технологии получения лекарственных белков человека из молока трансгенных животных позволит снизить стоимость этого препарата в 10–20 раз и более, что сделает его общедоступным.

Читайте также: