Le ultime conquiste nel campo delle biotecnologie. L'emergere della biotecnologia, principali risultati

La biotecnologia è una nuova area della biologia in rapido sviluppo. Fasi dello sviluppo delle biotecnologie. Principali direzioni in biotecnologia

1La biotecnologia è un nuovo ramo della scienza e della produzione basato sull'uso di processi e oggetti biologici per la produzione di sostanze economicamente importanti e la creazione di varietà altamente produttive di piante, razze animali e ceppi di microrganismi. In senso letterale, la biotecnologia è “biologia + tecnologia”, ovvero l’applicazione delle conoscenze biologiche fondamentali in attività pratiche finalizzate alla produzione di farmaci, enzimi, proteine, coloranti, sostanze aromatiche, vitamine e una serie di composti biologicamente attivi. Inoltre, stiamo parlando dell'uso di metodi biotecnologici nella selezione e costruzione di organismi fondamentalmente nuovi che prima non esistevano in natura.

La biotecnologia vegetale è una disciplina indipendente, sebbene secondo i suoi principi teorici e metodologici possa essere considerata parte della biotecnologia generale. Le specificità della biotecnologia vegetale sono predeterminate dalle caratteristiche biologiche delle piante come regno speciale del mondo vivente.

Storicamente l’umanità ha sempre utilizzato le piante per ottenere prodotti vitali. In questo senso, la produzione agricola tradizionale e altre tecnologie agricole possono essere classificate come biotecnologie. Tuttavia, esistono differenze fondamentali tra la biotecnologia e la tecnologia agricola. Come è noto, la tecnologia agricola si occupa delle piante intere e delle loro popolazioni, mentre la biotecnologia si basa sull'utilizzo di colture cellulari e delle loro popolazioni.

Di conseguenza, l'oggetto principale della biotecnologia vegetale sono le singole cellule, gli organi, isolati dall'intera pianta e cresciuti all'esterno del corpo su un mezzo nutritivo artificiale in condizioni asettiche.

Tali cellule, tessuti, organi coltivati ​​in vitro sono chiamati colture cellulari, tessuti, organi, a seconda di ciò che viene isolato dalla pianta e coltivato. Tuttavia, recentemente tutti questi metodi di coltivazione sono stati chiamati con lo stesso termine “coltura di cellule vegetali”, perché in definitiva l’unità coltivata è la cellula.

Le colture cellulari vengono sempre più utilizzate ogni anno in un'ampia varietà di campi della biologia, della medicina e dell'agricoltura. Sono utilizzati per risolvere problemi biologici generali come chiarire i meccanismi di differenziazione e proliferazione, interazione delle cellule con l'ambiente, adattamento, invecchiamento, mobilità biologica, trasformazione maligna e molti altri. Le colture cellulari svolgono un ruolo importante nella biotecnologia nella produzione di vaccini e sostanze biologicamente attive. Costituiscono il materiale di partenza per la creazione di cellule produttrici e vengono utilizzati per aumentare la produttività degli animali da allevamento e per allevare nuove varietà vegetali. Le colture cellulari vengono utilizzate per la diagnosi e il trattamento di malattie ereditarie, come oggetti di prova durante la sperimentazione di nuove sostanze farmacologiche e anche per preservare il pool genetico di specie animali e vegetali in via di estinzione.

La biotecnologia è la produzione controllata di prodotti target per l'economia nazionale, nonché per la medicina, con l'aiuto di agenti biologici: microrganismi, virus di cellule animali e vegetali, nonché con l'aiuto di sostanze extracellulari e componenti cellulari. La biotecnologia ha profonde radici storiche e negli ultimi 10-15 anni di rapido sviluppo è emersa come un ramo separato della scienza e della produzione.

I componenti principali di un processo biotecnologico sono: un agente biologico, un substrato, un prodotto target, attrezzature e un insieme di metodi per controllare il processo.

L'industria della biotecnologia è una delle più rapidamente in via di sviluppo ed è un criterio importante per valutare il livello di potenziale di ricerca scientifica di un paese civile. Una chiara indicazione che la prossima ondata di sviluppo economico si baserà su vari rami della biotecnologia (agricola, alimentare, medica) è la dinamica dei prezzi delle azioni delle società interessate. Fino a poco tempo fa, il settore della biotecnologia si distingueva poco dal gruppo generale delle alte tecnologie, ma l'instabilità dei magnati dell'informatica e una serie di grandi preoccupazioni nel commercio di risorse naturali hanno cambiato l'opinione degli analisti economici.

Le quotazioni azionarie delle società biotecnologiche hanno mostrato una minore tendenza al ribasso, poiché i prodotti ottenuti sulla base delle tecnologie cellulari sono nuovi e promettenti. Gli investimenti nel biosettore hanno portato a progressi tecnologici senza precedenti. In Germania e Francia sono iniziate sperimentazioni sul campo su larga scala di varietà di mais geneticamente modificate. La biotecnologia giapponese ha prodotto mais geneticamente modificato resistente agli insetti nocivi. Diverse aziende sono sul punto di creare farmaci innovativi per vari tipi di cancro, in particolare la leucemia. Tre anni fa, un'azienda americana ha investito una grande quantità di denaro in un laboratorio di biotecnologia in California e ora, secondo i rappresentanti dell'azienda, sono vicini alla creazione di mezzi per curare una serie di disturbi gravi, ad esempio il morbo di Alzheimer.

2Il termine biotecnologia deriva dalle parole greche “bios” e “techne”. “Bios” significa vita, “techne” significa girare, fare qualcosa con le proprie mani. Ciò significa che la biotecnologia è la produzione con l’aiuto di esseri viventi, un insieme di metodi industriali che utilizzano organismi viventi e processi biologici per produrre vari prodotti.

La biotecnologia è l'uso integrato della biochimica, della microbiologia e delle scienze ingegneristiche per ottenere applicazioni industriali delle capacità dei microrganismi, delle colture cellulari dei tessuti e delle loro parti. Gli oggetti della biotecnologia sono microbi (funghi, batteri, virus, protozoi) o cellule di altri organismi (piante, animali), sostanze biologicamente attive per scopi speciali (enzimi immobilizzati che catalizzano la sintesi o la decomposizione).

I metodi tipici della biotecnologia sono la coltivazione profonda su larga scala di oggetti biologici in modalità periodica o continua, la coltivazione di cellule di tessuti vegetali e animali in condizioni speciali.

BIOCHIMICA MICROBIOLOGIA CHIMICO TECNOLOGIA GENETICA BIOTECNOLOGIE MECCANICHE BIOCHIMICO TECNOLOGIA MECCANICA TECNOLOGIA ELETTRONICA TECNOLOGIA ALIMENTARE ALTRE DISCIPLINE DI PRODOTTO Figura 1. Natura interdisciplinare della biotecnologia

3 Lo sviluppo della biotecnologia è in gran parte determinato dalla ricerca nel campo della microbiologia, della biochimica, dell'enzimologia e della genetica degli organismi. La moderna biotecnologia come scienza è nata all'inizio degli anni Quaranta e si è sviluppata rapidamente a partire dal 1953, dopo la scoperta epocale della struttura chimica e dell'organizzazione spaziale della doppia elica della molecola del DNA da parte di James Watson e Francis Crick. La sua nuova direzione strategica - l'ingegneria genetica - nacque nel 1972, quando una molecola di DNA ricombinante fu sintetizzata per la prima volta nel laboratorio di Paul Berg, assicurando finalmente alla biotecnologia e al suo anello centrale - la bioingegneria (biologia nucleare) - il posto più importante nella scienza moderna .

I lavori “interpeak” degli eminenti biologi G. Boyer, S. Cohen, D. Morr, A. Baev, A. Belozersky, O. Avery, G. Gamow, F. Jacob, J. Monod e altri hanno completato la serie successiva di le scoperte più importanti sull'identificazione di geni ed enzimi, l'isolamento di molecole di DNA da cellule vegetali, microbiche e animali, la decodificazione del codice genetico, nonché i meccanismi di espressione genica e la biosintesi proteica nei procarioti e negli eucarioti.

Negli anni '50 emerse un'altra direzione importante nella biotecnologia: l'ingegneria cellulare. I suoi fondatori sono P.F. White (USA) e R. Gautreux (Francia). Negli anni successivi, presso l'Istituto di fisiologia vegetale dell'URSS, e poi l'Accademia delle scienze russa sotto la guida di A.A. Kursanov, R.G. Butenko ha avviato la ricerca in questo settore coinvolgendo molti giovani scienziati del Paese.

L'ingegneria genetica e cellulare ha determinato le direzioni principali della moderna biotecnologia, i cui metodi sono stati ampiamente sviluppati negli anni '80 e sono utilizzati in molte aree della scienza e della produzione nel nostro Paese e all'estero.

La biotecnologia come scienza può essere considerata in due dimensioni temporali ed essenziali: moderna e tradizionale, classica.

L'ultima biotecnologia (bioingegneria) è la scienza dell'ingegneria genetica e dei metodi e tecnologie cellulari per la creazione e l'uso di piante, animali e microrganismi geneticamente trasformati (modificati) al fine di intensificare la produzione e ottenere nuovi tipi di prodotti per vari scopi.

Nel senso tradizionale e classico, la biotecnologia può essere definita come la scienza dei metodi e delle tecnologie per la produzione, il trasporto, lo stoccaggio e la lavorazione di prodotti agricoli e di altro tipo utilizzando piante, animali e microrganismi convenzionali, non transgenici (naturali e riproduttori), sotto condizioni naturali e artificiali.

Il risultato più alto della più recente biotecnologia è la trasformazione genetica, il trasferimento di geni donatori estranei (naturali o creati artificialmente) in cellule riceventi di piante, animali e microrganismi, la produzione di organismi transgenici con proprietà e caratteristiche nuove o migliorate. In termini di obiettivi e capacità future, questa direzione è strategica. Permette di risolvere problemi fondamentalmente nuovi di creazione di piante, animali e microrganismi con maggiore resistenza ai fattori di stress ambientale, elevata produttività e qualità dei prodotti e di migliorare la situazione ambientale nella natura e in tutti i settori di produzione.

Per raggiungere questi obiettivi è necessario superare alcune difficoltà nell'aumentare l'efficienza della trasformazione genetica e, soprattutto, nell'identificare e clonare i geni, creare le loro banche, decifrare i meccanismi di determinazione poligenica dei tratti e delle proprietà degli oggetti biologici, creare sistemi vettoriali affidabili e garantire un'elevata stabilità dell'espressione genica. Già oggi, in molti laboratori in tutto il mondo, utilizzando metodi di ingegneria genetica, sono state create piante, animali e microrganismi transgenici fondamentalmente nuovi utilizzati per scopi commerciali.

Domanda 1. Cos'è la biotecnologia?

La biotecnologia è l'uso di organismi, sistemi biologici o processi biologici nella produzione industriale. I rami della biotecnologia comprendono l'ingegneria genetica, cromosomica e cellulare, la clonazione di piante e animali agricoli, l'uso di microrganismi nella panificazione, nella vinificazione, nella produzione di medicinali, ecc.

Domanda 2. Quali problemi risolve l’ingegneria genetica? Quali sono le sfide legate alla ricerca in questo settore?

I metodi di ingegneria genetica consentono di introdurre nel genotipo di alcuni organismi (ad esempio i batteri) i geni di altri organismi (ad esempio l'uomo). L'ingegneria genetica ha permesso di risolvere i problemi della sintesi industriale di vari ormoni umani da parte di microrganismi, ad esempio l'insulina e l'ormone della crescita. Creando piante geneticamente modificate, ha assicurato la nascita di varietà resistenti al freddo, alle malattie e ai parassiti. La principale difficoltà per l'ingegneria genetica è monitorare e controllare le attività del DNA introdotto dall'esterno. È importante sapere se gli organismi transgenici sono in grado di sopportare il “carico” di geni estranei. Esiste anche il pericolo di trasferimento spontaneo (migrazione) di geni estranei ad altri organismi, a seguito dei quali possono acquisire proprietà indesiderabili per l'uomo e la natura. Ultimo ma non meno importante è il problema etico: abbiamo il diritto di rimodellare gli organismi viventi per il nostro bene?

Domanda 3. Perché pensi che la selezione dei microrganismi stia attualmente diventando di fondamentale importanza?

Ci sono diverse ragioni per un crescente interesse nella selezione dei microrganismi:

• facilità di selezione (rispetto a piante e animali), dovuta all'alto tasso di riproduzione e alla facilità di coltivazione dei batteri;
• enorme potenziale biochimico (la varietà di reazioni effettuate dai batteri - dalla sintesi di antibiotici e vitamine all'isolamento di rari elementi chimici dai minerali);
• semplicità delle manipolazioni di ingegneria genetica; È anche importante che il gene incorporato nel DNA batterico inizi automaticamente a funzionare, poiché (a differenza degli organismi eucariotici) tutti i geni procariotici sono attivi.

Di conseguenza, oggi esistono numerosi esempi di utilizzo pratico di nuovi ceppi di batteri: produzione di alimenti, ormoni umani, trattamento dei rifiuti, trattamento delle acque reflue, ecc.

Domanda 4. Fornire esempi di produzione industriale e utilizzo di prodotti di scarto di microrganismi.

Fin dall'antichità i batteri lattici sono stati responsabili della preparazione di yogurt e formaggi; batteri caratterizzati da fermentazione alcolica - sintesi di alcol etilico; il lievito viene utilizzato nella panificazione e nella vinificazione.

Dal 1982 l'insulina sintetizzata dall'Escherichia coli è stata prodotta su scala industriale. Ciò è diventato possibile dopo che il gene dell'insulina umana è stato inserito nel DNA del batterio utilizzando metodi di ingegneria genetica. Attualmente è stata stabilita la sintesi dell'ormone della crescita transgenico, che viene utilizzato per trattare il nanismo nei bambini.

I microrganismi partecipano anche ai processi biotecnologici per il trattamento delle acque reflue, il trattamento dei rifiuti, la rimozione delle fuoriuscite di petrolio nei corpi idrici e la produzione di carburante.

Domanda 5. Quali organismi sono chiamati transgenici?

Gli organismi transgenici (geneticamente modificati) sono quelli che contengono aggiunte artificiali al genoma. Un esempio (oltre al già citato E. coli) sono le piante, il cui DNA contiene un frammento di un cromosoma batterico responsabile della sintesi di una tossina che respinge gli insetti dannosi. Di conseguenza, sono state ottenute varietà di mais, riso e patate resistenti ai parassiti e che non richiedono l'uso di pesticidi. Un esempio interessante è il salmone, il cui DNA è stato integrato con un gene che attiva la produzione dell'ormone della crescita. Di conseguenza, il salmone è cresciuto molte volte più velocemente e il peso del pesce si è rivelato molto più alto del normale.

Domanda 6: Qual è il vantaggio della clonazione rispetto ai metodi di allevamento tradizionali?

La clonazione ha lo scopo di ottenere copie esatte di un organismo con caratteristiche già note. Permette di ottenere risultati migliori in tempi più brevi rispetto ai metodi di allevamento tradizionali. Materiale dal sito

La clonazione consente di lavorare con singole cellule o piccoli embrioni. Ad esempio, quando si allevano bovini, un embrione di vitello allo stadio di cellule indifferenziate viene diviso in frammenti e posto in madri surrogate. Di conseguenza, si sviluppano diversi vitelli identici con le caratteristiche e le proprietà necessarie.

Se necessario, si può ricorrere anche alla clonazione delle piante. In questo caso, la selezione avviene nella coltura cellulare (su cellule isolate coltivate artificialmente). E solo allora, dalle cellule che hanno le proprietà necessarie, vengono coltivate piante a tutti gli effetti.

L'esempio più famoso di clonazione è il trapianto del nucleo di una cellula somatica in un ovulo in via di sviluppo. In futuro, questa tecnologia consentirà di creare un gemello genetico di qualsiasi organismo (o, soprattutto, dei suoi tessuti e organi).

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In questa pagina è presente materiale sui seguenti argomenti:

• presentazione sui risultati ottenuti nel campo della biotecnologia e sulle prospettive di sviluppo
• clonazione biotecnologica con video
• Perché pensi che la selezione dei microrganismi stia guadagnando popolarità oggigiorno?
• Quali sono i vantaggi della clonazione rispetto ai metodi di allevamento tradizionali?
• perché la selezione dei microrganismi sta guadagnando popolarità oggigiorno?

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Qual è l’importanza della selezione microbica per l’industria e l’agricoltura?

Biotecnologia –è l'uso di organismi, sistemi biologici o processi biologici nella produzione industriale. Il termine "biotecnologia" si è diffuso a partire dalla metà degli anni '70. XX secolo, anche se da tempo immemorabile l'umanità ha utilizzato microrganismi nella panificazione e nella vinificazione, nella produzione della birra e nella produzione del formaggio. Qualsiasi produzione basata su un processo biologico può essere considerata biotecnologia. L'ingegneria genetica, cromosomica e cellulare, la clonazione di piante e animali agricoli sono vari aspetti della moderna biotecnologia.

La biotecnologia consente non solo di ottenere prodotti importanti per l’uomo, come gli antibiotici e l’ormone della crescita, l’alcol etilico e il kefir, ma anche di creare organismi con proprietà predeterminate molto più velocemente rispetto ai metodi di allevamento tradizionali. Esistono processi biotecnologici per il trattamento delle acque reflue, il trattamento dei rifiuti, la rimozione delle fuoriuscite di petrolio nei corpi idrici e la produzione di carburante. Queste tecnologie si basano sulle caratteristiche dell'attività vitale di alcuni microrganismi.

Le moderne biotecnologie emergenti stanno cambiando la nostra società, aprendo nuove opportunità, ma allo stesso tempo creando alcuni problemi sociali ed etici.

Ingegneria genetica. Oggetti convenienti della biotecnologia sono microrganismi che hanno un genoma organizzato in modo relativamente semplice, un ciclo di vita breve e un'ampia varietà di proprietà fisiologiche e biochimiche.

Una delle cause del diabete è la mancanza di insulina, un ormone pancreatico, nel corpo. Le iniezioni di insulina isolata dal pancreas di suini e bovini salvano milioni di vite, ma provocano reazioni allergiche in alcuni pazienti. La soluzione ottimale sarebbe quella di utilizzare l’insulina umana. Utilizzando metodi di ingegneria genetica, il gene dell'insulina umana è stato inserito nel DNA dell'Escherichia coli. Il batterio ha iniziato a sintetizzare attivamente l'insulina. Nel 1982, l’insulina umana è diventata il primo farmaco prodotto utilizzando metodi di ingegneria genetica.

Riso. 107. Paesi che coltivano piante transgeniche. Quasi tutta la superficie coltivata a colture transgeniche è occupata da varietà geneticamente modificate di quattro piante: soia (62%), mais (24%), cotone (9%) e colza (4%). Sono già state create varietà di patate transgeniche, pomodori, riso, tabacco, barbabietole e altre colture

L'ormone della crescita è attualmente ottenuto in modo simile. Un gene umano incorporato nel genoma dei batteri fornisce la sintesi di un ormone, le cui iniezioni vengono utilizzate nel trattamento del nanismo e ripristinano la crescita dei bambini malati a livelli quasi normali.

Come nel caso dei batteri, anche con l'aiuto dell'ingegneria genetica è possibile modificare il materiale ereditario degli organismi eucarioti. Vengono chiamati tali organismi geneticamente riorganizzati Transgenico O organismi geneticamente modificati(OGM).

In natura esiste un batterio che produce una tossina che uccide molti insetti dannosi. Il gene responsabile della sintesi di questa tossina è stato isolato dal genoma batterico e inserito nel genoma delle piante coltivate. Ad oggi sono già state create varietà di mais, riso, patate e altre piante agricole resistenti ai parassiti. Coltivare piante transgeniche che non richiedono l’uso di pesticidi presenta enormi vantaggi, perché, in primo luogo, i pesticidi uccidono non solo gli insetti dannosi ma anche quelli utili e, in secondo luogo, molti pesticidi si accumulano nell’ambiente e hanno un effetto mutageno sugli organismi viventi (Fig. 107).

Uno dei primi esperimenti riusciti sulla creazione di animali geneticamente modificati è stato effettuato su topi nel cui genoma era inserito il gene dell'ormone della crescita del ratto. Di conseguenza, i topi transgenici crescevano molto più velocemente e finivano per diventare due volte più grandi dei topi normali. Se questa esperienza avesse avuto un significato esclusivamente teorico, allora gli esperimenti in Canada avevano già un'ovvia applicazione pratica. Scienziati canadesi hanno introdotto un gene di un altro pesce nel materiale genetico del salmone, che ha attivato il gene dell'ormone della crescita. Ciò ha fatto sì che il salmone crescesse 10 volte più velocemente e aumentasse di peso molte volte più del normale.

Clonazione. Viene chiamata la creazione di più copie genetiche di un individuo attraverso la riproduzione asessuata clonazione. In un certo numero di organismi, questo processo può avvenire naturalmente; ricorda la propagazione vegetativa nelle piante e la frammentazione in alcuni animali (). Se un pezzo di raggio viene accidentalmente strappato da una stella marina, da esso si forma un nuovo organismo a tutti gli effetti (Fig. 108). Nei vertebrati questo processo non avviene naturalmente.

Il primo esperimento riuscito di clonazione animale fu condotto dal ricercatore Gurdon alla fine degli anni '60. XX secolo all'Università di Oxford. Lo scienziato ha trapiantato un nucleo prelevato da una cellula epiteliale dell'intestino di una rana albina in un uovo non fecondato di una rana normale, il cui nucleo era stato precedentemente distrutto. Da un tale uovo, lo scienziato è riuscito a far crescere un girino, che poi si è trasformato in una rana, che era una copia esatta della rana albina. Pertanto, per la prima volta è stato dimostrato che l'informazione contenuta nel nucleo di qualsiasi cellula è sufficiente per lo sviluppo di un organismo a tutti gli effetti.

Riso. 108. Rigenerazione di una stella marina da un raggio

Successive ricerche condotte in Scozia nel 1996 hanno portato alla clonazione riuscita della pecora Dolly dalla cellula epiteliale della ghiandola mammaria della madre (Fig. 109).

La clonazione sembra essere un metodo promettente nell'allevamento degli animali. Ad esempio, quando si alleva bestiame, viene utilizzata la seguente tecnica. In una fase iniziale dello sviluppo, quando le cellule dell'embrione non sono ancora specializzate, l'embrione è diviso in più parti. Da ciascun frammento posto in una madre adottiva (surrogata), può svilupparsi un vitello a tutti gli effetti. In questo modo è possibile creare molte copie identiche di un animale con qualità preziose.

Per scopi specifici, è anche possibile clonare singole cellule, creando colture di tessuti che possono crescere indefinitamente in terreni adatti. Le cellule clonate servono come sostituto degli animali da laboratorio perché possono essere utilizzate per studiare gli effetti di varie sostanze chimiche, come i farmaci, sugli organismi viventi.

La clonazione vegetale sfrutta una caratteristica unica delle cellule vegetali. All'inizio degli anni '60. XX secolo è stato dimostrato per la prima volta che le cellule vegetali, anche dopo aver raggiunto la maturità e la specializzazione, in condizioni adeguate sono in grado di dare origine a una pianta intera (fig. 110). Pertanto, i moderni metodi di ingegneria cellulare consentono di selezionare le piante a livello cellulare, cioè di selezionare non piante adulte che hanno determinate proprietà, ma cellule da cui vengono poi coltivate piante a tutti gli effetti.

Riso. 109. Clonazione della pecora Dolly

Aspetti etici dello sviluppo delle biotecnologie. L’uso delle moderne biotecnologie pone molte domande serie all’umanità. Potrebbe un gene incorporato nelle piante di pomodoro transgeniche, quando il frutto viene mangiato, migrare ed essere integrato nel genoma, ad esempio, dei batteri che vivono nell’intestino umano? Potrebbe una pianta transgenica resistente agli erbicidi, alle malattie, alla siccità e ad altri fattori di stress, se impollinata in modo incrociato con piante selvatiche affini, trasferire queste stesse proprietà alle erbe infestanti? Ciò non si tradurrà in “super erbacce” che colonizzeranno molto rapidamente i terreni agricoli? Gli avannotti giganti di salmone finiranno accidentalmente in mare aperto e questo sconvolgerà l'equilibrio della popolazione naturale? Il corpo degli animali transgenici è in grado di sopportare il carico che si presenta in relazione al funzionamento di geni estranei? E una persona ha il diritto di rifare gli organismi viventi per il proprio bene?

Queste e molte altre questioni legate alla creazione di organismi geneticamente modificati sono ampiamente discusse dagli esperti e dal pubblico di tutto il mondo. Speciali organismi di regolamentazione e commissioni create in tutti i paesi affermano che, nonostante le preoccupazioni esistenti, non è stato registrato alcun effetto dannoso degli OGM sulla natura.

Riso. 110. Fasi della clonazione delle piante (usando l'esempio delle carote)

Nel 1996, il Consiglio d’Europa ha adottato la Convenzione sui diritti umani nell’uso delle tecnologie genomiche in medicina. Il documento si concentra sull’etica dell’utilizzo di tali tecnologie. Si sostiene che nessun individuo possa essere discriminato sulla base delle informazioni relative alle caratteristiche del suo genoma.

L'introduzione di materiale genetico estraneo nelle cellule umane può avere conseguenze negative. L'integrazione incontrollata di DNA estraneo in alcune parti del genoma può portare all'interruzione della funzione genetica. Il rischio di utilizzare la terapia genica quando si lavora con le cellule germinali è molto più elevato rispetto a quando si utilizzano cellule somatiche. Quando i costrutti genetici vengono introdotti nelle cellule germinali, può verificarsi un cambiamento indesiderato nel genoma delle generazioni future. Pertanto, i documenti internazionali dell’UNESCO, del Consiglio d’Europa e dell’Organizzazione mondiale della sanità (OMS) sottolineano che qualsiasi cambiamento nel genoma umano può essere effettuato solo sulle cellule somatiche.

Ma forse le domande più serie sorgono in relazione alla clonazione umana teoricamente possibile. La ricerca nel campo della clonazione umana è oggi vietata in tutti i paesi, principalmente per ragioni etiche. La formazione di una persona come individuo non si basa solo sull'ereditarietà. È determinato dall'ambiente familiare, sociale e culturale, quindi con qualsiasi clonazione è impossibile ricreare una personalità, così come è impossibile riprodurre tutte quelle condizioni di educazione e formazione che hanno formato la personalità del suo prototipo (nucleo donatore ). Tutte le principali denominazioni religiose del mondo condannano qualsiasi interferenza nel processo di riproduzione umana, insistendo sul fatto che il concepimento e la nascita devono avvenire in modo naturale.

Gli esperimenti di clonazione animale hanno sollevato una serie di seri interrogativi per la comunità scientifica, la cui soluzione determinerà l'ulteriore sviluppo di questo campo scientifico. La pecora Dolly non era l'unico clone ottenuto dagli scienziati scozzesi. C'erano diverse dozzine di cloni e solo Dolly era rimasta viva. Negli ultimi anni, i miglioramenti nella tecnologia di clonazione hanno permesso di aumentare la percentuale di cloni sopravvissuti, ma il loro tasso di mortalità è ancora molto elevato. C’è però un problema ancora più serio dal punto di vista scientifico. Nonostante la nascita vittoriosa di Dolly, la sua reale età biologica, i problemi di salute associati e la morte relativamente prematura sono rimasti poco chiari. Secondo gli scienziati, l’uso di un nucleo cellulare di una pecora donatrice di mezza età di sei anni ha influenzato il destino e la salute di Dolly.

È necessario aumentare significativamente la vitalità degli organismi clonati, per scoprire se l'uso di tecniche specifiche influisce sull'aspettativa di vita, sulla salute e sulla fertilità degli animali. È molto importante ridurre al minimo il rischio di uno sviluppo difettoso dell'ovulo ricostruito.

L'introduzione attiva della biotecnologia nella medicina e nella genetica umana ha portato all'emergere di una scienza speciale: la bioetica. Bioetica– la scienza dell’atteggiamento etico verso tutti gli esseri viventi, compreso l’uomo. Gli standard etici stanno ora venendo alla ribalta. Quei comandamenti morali che l'umanità ha usato per secoli, sfortunatamente, non prevedono le nuove opportunità introdotte dalla scienza moderna. Pertanto, le persone devono discutere e adottare nuove leggi che tengano conto delle nuove realtà della vita.

Rivedi domande e compiti

1. Cos'è la biotecnologia?

2. Quali problemi risolve l’ingegneria genetica? Quali sono le sfide legate alla ricerca in questo settore?

3. Perché pensi che la selezione dei microrganismi stia diventando di fondamentale importanza oggigiorno?

4. Fornire esempi di produzione industriale e utilizzo dei prodotti di scarto dei microrganismi.

5. Quali organismi sono chiamati transgenici?

6. Qual è il vantaggio della clonazione rispetto ai metodi di allevamento tradizionali?

Pensare! Fallo!

1. Quali prospettive offre l’utilizzo di animali transgenici nello sviluppo dell’economia nazionale?

2. L’umanità moderna può fare a meno della biotecnologia? Organizza una mostra o realizza un giornale da muro “Biotecnologia: passato, presente, futuro”.

3. Organizzare e condurre una discussione sul tema “Clonazione: pro e contro”.

4. Fornisci esempi di alimenti nella tua dieta che sono stati creati utilizzando processi biotecnologici.

5. Dimostrare che il trattamento biologico dell'acqua è un processo biotecnologico.

Lavora con il computer

Fare riferimento all'applicazione elettronica. Studia il materiale e completa i compiti.

Ingegneria cellulare. Negli anni '70 Nel secolo scorso, l'ingegneria cellulare ha iniziato a svilupparsi attivamente nel campo della biotecnologia. L'ingegneria cellulare consente di creare un nuovo tipo di cellula sulla base di varie manipolazioni, molto spesso l'ibridazione, cioè la fusione delle cellule originali o dei loro nuclei. Un nucleo appartenente a una cellula di un altro organismo viene inserito in una delle cellule studiate. Si creano le condizioni in cui questi nuclei si fondono, e poi avviene la mitosi e si formano due cellule mononucleari, ciascuna contenente materiale genetico misto. Per la prima volta un simile esperimento fu condotto nel 1965 dallo scienziato inglese G. Harris, collegando cellule umane e di topo. Successivamente sono stati ottenuti organismi interi, ibridi interspecifici ottenuti mediante ingegneria cellulare. Tali ibridi differiscono dagli ibridi ottenuti sessualmente in quanto contengono il citoplasma di entrambi i genitori (ricordate che durante la normale fecondazione, il citoplasma dello sperma non penetra nell'ovulo). La fusione cellulare viene utilizzata per produrre ibridi con proprietà benefiche tra specie distanti che normalmente non si incrociano. È anche possibile ottenere ibridi di cellule vegetali che portano geni citoplasmatici (cioè geni situati nei mitocondri e nei plastidi), che aumentano la resistenza a vari influssi dannosi.

La tua futura professione

1. Qual è l'oggetto di studio della scienza della gerontologia? Valuta quanto è sviluppata questa scienza nel nostro paese. Ci sono specialisti in questo campo nella tua zona?

2. Quali qualità personali pensi che dovrebbero avere le persone che lavorano nelle consultazioni di genetica medica? Spiega il tuo punto di vista.

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4. Utilizzando ulteriori fonti di informazione, scopri cosa studia l'embriologo. Dove si può acquisire una tale specialità?

5. Quali conoscenze dovrebbero avere gli specialisti coinvolti nel lavoro di allevamento? Spiega il tuo punto di vista.

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Le tecnologie biologiche (biotecnologie) forniscono la produzione controllata di prodotti utili per vari ambiti dell'attività umana, basata sull'uso del potenziale catalitico di agenti e sistemi biologici di vario grado di organizzazione e complessità: microrganismi, virus, cellule e tessuti vegetali e animali, nonché sostanze extracellulari e componenti cellulari.

Lo sviluppo e la trasformazione della biotecnologia sono guidati dai profondi cambiamenti avvenuti in biologia negli ultimi 25-30 anni. Questi eventi si basavano su nuove idee nel campo della biologia molecolare e della genetica molecolare. Allo stesso tempo, va notato che lo sviluppo e le conquiste della biotecnologia sono strettamente correlati al corpo delle conoscenze non solo delle scienze biologiche, ma anche di molte altre.

L'espansione della sfera pratica della biotecnologia è dovuta anche alle esigenze socioeconomiche della società. I problemi urgenti che l'umanità deve affrontare alle soglie del 21° secolo, come la carenza di acqua pulita e di sostanze nutritive (soprattutto proteine), l'inquinamento ambientale, la mancanza di materie prime e risorse energetiche, la necessità di ottenere nuovi materiali rispettosi dell'ambiente, sviluppare nuovi strumenti diagnostici e terapeutici, non possono essere risolti con i metodi tradizionali. Pertanto, per garantire il supporto della vita umana, migliorare la qualità della vita e la sua durata, diventa sempre più necessario padroneggiare metodi e tecnologie fondamentalmente nuovi.

Lo sviluppo del progresso scientifico e tecnologico, accompagnato da un aumento del tasso di risorse materiali ed energetiche, purtroppo porta a uno squilibrio nei processi della biosfera. I bacini idrici e atmosferici delle città sono inquinati, la funzione riproduttiva della biosfera è ridotta e, a causa dell'accumulo di prodotti senza uscita della tecnosfera, i cicli di circolazione globale della biosfera vengono interrotti.

Il rapido ritmo del moderno progresso scientifico e tecnologico dell'umanità è stato descritto in modo figurato dall'ingegnere e filosofo svizzero Eichelberg: “Si ritiene che l'età dell'umanità sia di 600.000 anni. Immaginiamo il movimento dell'umanità sotto forma di una maratona di 60 km, che, partendo da qualche parte, si dirige verso il centro di una delle nostre città, come verso il traguardo... La maggior parte della distanza corre lungo un percorso molto difficile - attraverso foreste vergini, e di questo non sappiamo nulla, perché solo alla fine, al 58-59 km di corsa, troviamo, insieme agli strumenti primitivi, i disegni rupestri come primi segni di cultura, e solo alla fine Nell'ultimo chilometro compaiono i segni dell'agricoltura.

200 m prima del traguardo una strada ricoperta di lastre di pietra passa davanti alle fortificazioni romane. A 100 metri di distanza i corridori sono circondati da edifici medievali della città. Mancano 50 metri al traguardo, dove c'è un uomo che osserva i corridori con occhi intelligenti e comprensivi: questo è Leonardo da Vinci. Mancano 10 metri che iniziano alla luce delle torce e alla scarsa illuminazione delle lampade ad olio. Ma quando si lanciano negli ultimi 5 metri, avviene uno straordinario miracolo: la luce inonda la strada notturna, i carri senza animali da tiro passano veloci, le macchine frusciano nell'aria e il corridore stupito è accecato dalla luce dei riflettori di foto e televisione telecamere...”, cioè in 1 metro il genio umano compie un balzo straordinario nel campo del progresso scientifico e tecnologico. Continuando questa immagine, possiamo aggiungere che mentre il corridore si avvicina al traguardo, la fusione termonucleare viene domata, vengono lanciate astronavi e il codice genetico viene decifrato.

La biotecnologia è la base del progresso scientifico e tecnologico e del miglioramento della qualità della vita umana

La biotecnologia come campo della conoscenza e settore industriale in via di sviluppo dinamico è progettata per risolvere molti problemi chiave del nostro tempo, garantendo allo stesso tempo la conservazione dell'equilibrio nel sistema di relazioni "uomo - natura - società", perché le tecnologie biologiche (biotecnologie), basate sull'uso del potenziale degli esseri viventi, sono per definizione finalizzati alla cordialità e all'armonia di una persona con il mondo che la circonda. Attualmente, la biotecnologia è suddivisa in diversi segmenti più significativi: si tratta della biotecnologia “bianca”, “verde”, “rossa”, “grigia” e “blu”.

La biotecnologia “bianca” comprende la biotecnologia industriale, focalizzata sulla produzione di prodotti precedentemente prodotti dall'industria chimica: alcol, vitamine, amminoacidi, ecc. (tenendo conto dei requisiti di conservazione delle risorse e protezione ambientale).

La biotecnologia verde copre un’area di rilevanza per l’agricoltura. Si tratta di ricerche e tecnologie volte alla creazione di metodi e preparati biotecnologici per il controllo di parassiti e agenti patogeni delle piante coltivate e degli animali domestici, alla creazione di biofertilizzanti, all'aumento della produttività delle piante, compreso l'uso di metodi di ingegneria genetica.

La biotecnologia rossa (medica) è l'area più significativa della biotecnologia moderna. Si tratta della produzione di diagnostica e farmaci utilizzando metodi biotecnologici utilizzando tecnologie di ingegneria cellulare e genetica (vaccini verdi, diagnostica genetica, anticorpi monoclonali, progetti e prodotti di ingegneria tissutale, ecc.).

La biotecnologia grigia sviluppa tecnologie e farmaci per proteggere l’ambiente; si tratta della bonifica del suolo, del trattamento delle acque reflue e delle emissioni gassose, dello smaltimento dei rifiuti industriali e della degradazione delle sostanze tossiche mediante agenti e processi biologici.

La biotecnologia blu si concentra principalmente sull’uso efficiente delle risorse oceaniche. Innanzitutto si tratta dell'utilizzo del biota marino per ottenere sostanze alimentari, tecniche, biologicamente attive e medicinali.

La biotecnologia moderna è una delle aree prioritarie dell'economia nazionale di tutti i paesi sviluppati. Il modo per aumentare la competitività dei prodotti biotecnologici nei mercati di vendita è uno dei principali nella strategia complessiva per lo sviluppo della biotecnologia nei paesi industrializzati. Un fattore stimolante sono i programmi governativi appositamente adottati per lo sviluppo accelerato di nuove aree della biotecnologia.

I programmi statali prevedono l’emissione di prestiti gratuiti agli investitori, prestiti a lungo termine ed esenzioni fiscali. Poiché la ricerca di base e mirata diventa sempre più costosa, molti paesi stanno cercando di spostare la ricerca significativa oltre i confini nazionali.

Come è noto, la probabilità di successo dei progetti di ricerca e sviluppo in generale non supera il 12-20%, circa il 60% dei progetti raggiunge la fase di completamento tecnico, il 30% lo sviluppo commerciale e solo il 12% è redditizio.

Caratteristiche dello sviluppo della ricerca e della commercializzazione delle tecnologie biologiche negli Stati Uniti, in Giappone, nei paesi dell'UE e in Russia

STATI UNITI D'AMERICA. La posizione di leader nel settore della biotecnologia in termini di produzione industriale di prodotti biotecnologici, volumi di vendita, fatturato del commercio estero, allocazioni e portata della ricerca e sviluppo è occupata dagli Stati Uniti, dove grande attenzione è rivolta allo sviluppo di quest'area. Nel 2003, in questo settore erano impiegate oltre 198.300 persone.

Gli stanziamenti per questo settore della scienza e dell’economia negli Stati Uniti sono significativi e ammontano a oltre 20 miliardi di dollari. Stati Uniti ogni anno. I ricavi dell'industria biotecnologica statunitense sono aumentati da 8 miliardi di dollari. nel 1992 a 39 miliardi di dollari. nel 2003

Questo settore è sotto stretta attenzione da parte del governo. Così, durante il periodo di formazione delle ultime biotecnologie e l'emergere delle sue direzioni legate alla manipolazione del materiale genetico, a metà degli anni '70. Nel secolo scorso, il Congresso degli Stati Uniti ha prestato grande attenzione alla sicurezza della ricerca genetica. Soltanto nel 1977 si tennero 25 udienze straordinarie e furono approvati 16 progetti di legge.

All'inizio degli anni '90. L'attenzione si è spostata sullo sviluppo di misure volte a incoraggiare l'uso pratico della biotecnologia per la produzione di nuovi prodotti. Lo sviluppo della biotecnologia negli Stati Uniti è associato alla soluzione di molti problemi chiave: energia, materie prime, cibo e questioni ambientali.

Tra le aree biotecnologiche prossime all'implementazione pratica o in fase di sviluppo industriale figurano le seguenti:
- bioconversione dell'energia solare;
- l'uso di microrganismi per aumentare la resa in olio e la lisciviazione di metalli non ferrosi e rari;
- progettare ceppi che possano sostituire costosi catalizzatori inorganici e modificare le condizioni di sintesi per ottenere composti fondamentalmente nuovi;
- l'uso di stimolanti batterici della crescita delle piante, modificando il genotipo dei cereali e il loro adattamento alla maturazione in condizioni estreme (senza aratura, irrigazione e fertilizzanti);
- biosintesi diretta per la produzione efficace di prodotti target (amminoacidi, enzimi, vitamine, antibiotici, additivi alimentari, farmaci farmacologici;
- ottenimento di nuovi farmaci diagnostici e terapeutici basati su metodi di ingegneria cellulare e genetica.

Il ruolo del leader statunitense è dovuto agli elevati stanziamenti di capitali pubblici e privati ​​per la ricerca fondamentale e applicata. La National Science Foundation (NSF), i Dipartimenti della sanità e dei servizi umani, dell’agricoltura, dell’energia, dei prodotti chimici, dell’alimentazione, della difesa, dell’amministrazione nazionale aeronautica e spaziale (NASA) e dell’Interno svolgono un ruolo chiave nel finanziamento della biotecnologia. Le dotazioni vengono assegnate in base agli obiettivi del programma, vale a dire I progetti di ricerca sono sovvenzionati e appaltati.

Allo stesso tempo, le grandi aziende industriali stabiliscono rapporti commerciali con università e centri di ricerca. Ciò contribuisce alla formazione di complessi in un'area o nell'altra, che vanno dalla ricerca fondamentale alla produzione in serie di un prodotto e alla consegna sul mercato. Questo “sistema di partecipazione” prevede la formazione di fondi specializzati con appositi consigli di esperti e l'attrazione del personale più qualificato.

Quando si selezionano progetti ad alto impatto commerciale, è diventato vantaggioso utilizzare la cosiddetta “analisi dei vincoli”. Ciò consente di ridurre notevolmente i tempi di realizzazione del progetto (in media da 7-10 a 2-4 anni) e aumentare la probabilità di successo all'80%. Il concetto di “limitazioni specificate” comprende il potenziale per la vendita di successo del prodotto e la realizzazione di un profitto, l’aumento della produzione annuale, la competitività del prodotto, il rischio potenziale dal punto di vista delle vendite, la possibilità di ristrutturare la produzione tenendo conto dei nuovi risultati, ecc.

La spesa annuale totale del governo statunitense per l’ingegneria genetica e la ricerca biotecnologica ammonta a miliardi di dollari. Gli investimenti delle aziende private superano notevolmente queste cifre. Ogni anno vengono stanziati diversi miliardi di dollari solo per la creazione di farmaci diagnostici e antitumorali. Si tratta principalmente dei seguenti settori: metodi di ricombinazione del DNA, produzione di ibridi, produzione e utilizzo di anticorpi monoclonali, colture di tessuti e cellule.

Negli Stati Uniti, è diventato comune per le aziende non precedentemente associate alla biotecnologia iniziare ad acquisire partecipazioni in aziende esistenti e costruire le proprie imprese biotecnologiche (Tabella 1.1). Questa, ad esempio, è la pratica di giganti della chimica come Philips Petrolium, Monsanto, Dow Chemical. Attualmente circa 250 aziende chimiche hanno interessi nella biotecnologia. Pertanto, il gigante dell'industria chimica statunitense, la società De Pont, possiede diversi complessi biotecnologici per un valore di 85-150 mila dollari. con un organico di 700-1.000 persone.

Complessi simili sono stati creati all'interno della struttura della Monsanto; inoltre, attualmente fino al 75% del budget (oltre 750 milioni di dollari) è destinato al campo della biotecnologia. Il focus di queste aziende è la produzione dell'ormone della crescita geneticamente modificato, nonché una serie di farmaci geneticamente modificati per la medicina veterinaria e la farmacologia. Inoltre, le aziende, insieme ai centri di ricerca universitari, firmano contratti per attività di ricerca e sviluppo congiunte.

Tabella 1.1. Le maggiori preoccupazioni statunitensi e le aziende farmaceutiche che producono farmaci biotecnologici medici

Si ritiene che tutte le condizioni necessarie per la formazione e lo sviluppo della biotecnologia negli Stati Uniti siano state preparate dal venture business. Per le grandi aziende e aziende, il venture business è una tecnica consolidata che consente loro di ottenere nuovi sviluppi in un periodo di tempo più breve, attirando per questo piccole imprese e piccoli team, piuttosto che farlo da soli.

Ad esempio, negli anni '80. La General Electric, con l’aiuto di piccole imprese, iniziò a padroneggiare la produzione di composti biologicamente attivi; solo nel 1981, i suoi stanziamenti di rischio nella biotecnologia ammontavano a 3 milioni di dollari. L’assunzione di rischi da parte delle piccole imprese fornisce alle grandi aziende e alle multinazionali un meccanismo per selezionare innovazioni economicamente fattibili con forti prospettive commerciali.

SUL. Voinov, T.G. Volova

Organizzazione autonoma senza scopo di lucro

COLLEGIO COMMERCIALE DI KALININGRAD

Dipartimento dell'istruzione a tempo parziale

Saggio

Sul tema: Problemi e conquiste della moderna biotecnologia

Per disciplina: Scienze naturali

Completato da uno studente

gruppi 14-ZG-1

Gerner E.A.

Controllato:

Vasilenko N.A.

Kaliningrad 2015

introduzione

Parte principale

1.1 Risultati pratici della biotecnologia

2 Biologizzazione e rinverdimento

1.3 Prospettive per lo sviluppo delle biotecnologie

1.4 Applicazione della biotecnologia

1.5 L'importanza delle biotecnologie per la medicina

Conclusione

Elenco delle fonti utilizzate

introduzione

Nel mio lavoro esploro il tema dei risultati della biotecnologia. Le opportunità che offre all’umanità, sia nel campo della scienza fondamentale che in molti altri settori, sono molto grandi e spesso addirittura rivoluzionarie.

La biotecnologia è un campo dell'attività umana caratterizzato dall'uso diffuso di sistemi biologici a tutti i livelli in un'ampia varietà di rami della scienza, della produzione industriale, della medicina, dell'agricoltura e di altri campi.

La biotecnologia si differenzia dalle tecnologie agricole, innanzitutto, per l'uso diffuso di microrganismi: procarioti (batteri, attinomiceti), funghi e alghe. Ciò è dovuto al fatto che i microrganismi sono in grado di eseguire un'ampia varietà di reazioni biochimiche.

Le biotecnologie tradizionali si sono sviluppate sulla base dell’esperienza empirica di molte generazioni di persone; sono caratterizzate da conservatorismo e efficienza relativamente bassa. Tuttavia, nel corso dei secoli XIX-XX, sulla base delle biotecnologie tradizionali, iniziarono ad emergere tecnologie di livello superiore: tecnologie per aumentare la fertilità del suolo, tecnologie per il trattamento biologico delle acque reflue, tecnologie per la produzione di biocarburanti.

La rilevanza dell'argomento scelto risiede nel fatto che la biotecnologia come campo della conoscenza e settore industriale in sviluppo dinamico è chiamata a risolvere molti problemi chiave del nostro tempo, garantendo al tempo stesso il mantenimento dell'equilibrio nel sistema di relazioni “uomo - natura - società”, perché le tecnologie biologiche (biotecnologie) basate sull'uso Il potenziale degli esseri viventi, per definizione, è finalizzato alla cordialità e all'armonia di una persona con il mondo che la circonda.

La novità del lavoro sta nel fatto che si parla del fatto che la biotecnologia è una delle principali direzioni del progresso scientifico e tecnologico, contribuendo attivamente all'accelerazione della soluzione di molti problemi, come l'alimentazione, l'agricoltura, l'energia e la problemi ambientali.

Il significato pratico del lavoro è che ci permetterà di tracciare l'evoluzione della biotecnologia.

Lo scopo del lavoro è dimostrare che le biotecnologie avanzate possono svolgere un ruolo significativo nel migliorare la qualità della vita e della salute umana.

Rivelare il significato pratico della biotecnologia.

Identificare le prospettive per lo sviluppo della biotecnologia.

Metodi di ricerca:

1.Analisi delle fonti letterarie.

2.Generalizzazione delle informazioni.

1. Parte principale

1.1 Risultati pratici della biotecnologia

La biotecnologia ha prodotto molti prodotti per l’industria sanitaria, agricola, alimentare e chimica.

Inoltre, è importante che molti di essi non potrebbero essere ottenuti senza l'uso di metodi biotecnologici.

Speranze particolarmente alte sono legate ai tentativi di utilizzare microrganismi e colture cellulari per ridurre l'inquinamento ambientale e produrre energia.

Nella biologia molecolare, l'uso di metodi biotecnologici consente di determinare la struttura del genoma, comprendere il meccanismo dell'espressione genica, modellare le membrane cellulari per studiarne le funzioni, ecc.

La costruzione dei geni necessari utilizzando metodi di ingegneria genetica e cellulare consente di controllare l'eredità e l'attività vitale di animali, piante e microrganismi e di creare organismi con nuove proprietà utili all'uomo che non erano state precedentemente osservate in natura.

L’industria microbiologica attualmente utilizza migliaia di ceppi di microrganismi diversi. Nella maggior parte dei casi, vengono migliorati mediante mutagenesi indotta e successiva selezione. Ciò consente la sintesi su larga scala di varie sostanze.

Alcune proteine ​​e metaboliti secondari possono essere prodotti solo mediante coltura di cellule eucariotiche. Le cellule vegetali possono fungere da fonte di numerosi composti: atropina, nicotina, alcaloidi, saponine, ecc.

In biochimica, microbiologia e citologia, i metodi per l'immobilizzazione sia di enzimi che di intere cellule di microrganismi, piante e animali sono di indubbio interesse.

In medicina veterinaria sono ampiamente utilizzati metodi biotecnologici come la coltura di cellule ed embrioni, l'ovogenesi in vitro e l'inseminazione artificiale.

Tutto ciò indica che la biotecnologia diventerà una fonte non solo di nuovi prodotti alimentari e medicinali, ma anche di energia e di nuove sostanze chimiche, nonché di organismi con le proprietà desiderate.

.2 Biologizzazione e rinverdimento

Attualmente stanno prendendo sempre più piede le idee di greening e, in senso più ampio, di biologizzazione di tutte le attività economiche e produttive.

Per inverdimento, come fase iniziale della biologizzazione, possiamo intendere la riduzione delle emissioni nocive della produzione nell'ambiente, la creazione di complessi industriali a basso e senza rifiuti con un ciclo chiuso, ecc.

La biologizzazione dovrebbe essere intesa in modo più ampio, come una trasformazione radicale delle attività produttive basata sulle leggi biologiche del ciclo biotico della biosfera.

L’obiettivo di tale trasformazione dovrebbe essere quello di integrare tutte le attività economiche e produttive nel ciclo biotico.

Questa esigenza è particolarmente evidente nel fenomeno dell’impotenza strategica della protezione chimica delle piante:

Il fatto è che attualmente non esiste un solo pesticida al mondo al quale i parassiti delle piante non si siano adattati.

Inoltre, il modello di tale adattamento è ora chiaramente emerso: se nel 1917. apparve una specie di insetti che si adattò al DDT, poi nel 1980. ci sono 432 di queste specie.

I pesticidi e gli erbicidi utilizzati sono estremamente dannosi non solo per l'intero mondo animale, ma anche per l'uomo.

Allo stesso modo, l’inutilità strategica dell’uso di fertilizzanti chimici sta diventando ormai chiara. In queste condizioni, il passaggio alla protezione biologica delle piante e alla tecnologia bioorganica con un minimo di fertilizzanti chimici è del tutto naturale.

Le biotecnologie possono svolgere un ruolo decisivo nel processo di biologizzazione dell’agricoltura.

Possiamo e dobbiamo parlare di biologizzazione della tecnologia, della produzione industriale e dell'energia.

L’industria della bioenergia in rapido sviluppo promette cambiamenti rivoluzionari poiché si concentra su fonti energetiche rinnovabili e materie prime.

.3 Prospettive per lo sviluppo delle biotecnologie

Il problema centrale della biotecnologia è l’intensificazione dei bioprocessi sia aumentando il potenziale degli agenti biologici e dei loro sistemi, sia migliorando le attrezzature, l’uso di biocatalizzatori (enzimi e cellule immobilizzati) nell’industria, nella chimica analitica e nella medicina.

L'uso industriale dei risultati biologici si basa sulla tecnica di creazione di molecole di DNA ricombinante.

La progettazione dei geni necessari rende possibile controllare l'eredità e l'attività vitale di animali, piante e microrganismi e creare organismi con nuove proprietà.

In particolare è possibile controllare il processo di fissazione dell'azoto atmosferico e trasferire i geni corrispondenti dalle cellule microbiche al genoma di una cellula vegetale.

Come fonti di materie prime per la biotecnologia, le risorse rinnovabili costituite da materiali vegetali non commestibili e rifiuti agricoli, che fungono da fonte aggiuntiva sia di sostanze per mangimi che di combustibile secondario (biogas) e fertilizzanti organici, diventeranno sempre più importanti.

Uno dei rami della biotecnologia in rapido sviluppo è la tecnologia della sintesi microbica di sostanze preziose per l'uomo. Secondo le previsioni, l'ulteriore sviluppo di questo settore comporterà una ridistribuzione dei ruoli nella formazione della base alimentare dell'umanità: agricoltura e allevamento, da un lato, e sintesi microbica, dall'altro.

Un aspetto altrettanto importante della moderna tecnologia microbiologica è lo studio della partecipazione dei microrganismi ai processi della biosfera e la regolazione mirata della loro attività vitale al fine di risolvere il problema della protezione dell'ambiente dall'inquinamento tecnogenico, agricolo e domestico.

Strettamente legati a questo problema sono gli studi per identificare il ruolo dei microrganismi nella fertilità del suolo (formazione di humus e rifornimento di azoto biologico), controllo di parassiti e malattie delle colture agricole, smaltimento di pesticidi e altri composti chimici nel terreno.

Le conoscenze disponibili in questo settore indicano che il cambiamento della strategia dell’attività economica umana dalla chimica alla biologizzazione dell’agricoltura è giustificato sia dal punto di vista economico che da quello ambientale.

In questa direzione le biotecnologie possono porsi l’obiettivo della rigenerazione del paesaggio.

Sono in corso i lavori per creare biopolimeri che saranno in grado di sostituire la plastica moderna. Questi biopolimeri presentano un notevole vantaggio rispetto ai materiali tradizionali, poiché sono atossici e biodegradabili, ovvero si decompongono facilmente dopo l'uso senza inquinare l'ambiente.

Le biotecnologie basate sulle conquiste della microbiologia sono più efficaci in termini di costi quando vengono utilizzate in modo completo e quando si crea una produzione senza rifiuti che non disturba l’equilibrio ecologico.

Il loro sviluppo consentirà di sostituire molti enormi impianti chimici con impianti di produzione compatti rispettosi dell’ambiente.

Un'area importante e promettente della biotecnologia è lo sviluppo di metodi per produrre energia rispettosa dell'ambiente.

Della produzione di biogas ed etanolo si è già parlato, ma in questa direzione esistono anche approcci sperimentali fondamentalmente nuovi.

Uno di questi è la produzione di fotoidrogeno:

“Se le membrane contenenti il ​​fotosistema 2 vengono isolate dai cloroplasti, alla luce avviene la fotolisi dell'acqua, la sua decomposizione in ossigeno e idrogeno. Modellare i processi di fotosintesi che avvengono nei cloroplasti renderebbe possibile immagazzinare l’energia del Sole in un prezioso combustibile: l’idrogeno”.

I vantaggi di questo metodo di generazione di energia sono evidenti:

la presenza di substrato in eccesso, acqua;

fonte illimitata di energia: il Sole;

il prodotto (idrogeno) può essere immagazzinato senza inquinare l'atmosfera;

l'idrogeno ha un elevato potere calorifico (29 kcal/g) rispetto agli idrocarburi (3,5 kcal/g);

il processo avviene a temperatura normale senza formazione di prodotti intermedi tossici;

il processo è ciclico, poiché quando l'idrogeno si consuma, il substrato, l'acqua, si rigenera.

.4 Applicazione della biotecnologia

Le persone hanno sempre pensato a come imparare a controllare la natura e hanno cercato modi per ottenere, ad esempio, piante con qualità migliorate: con rese elevate, frutti più grandi e più gustosi o con maggiore resistenza al freddo. Fin dall'antichità il metodo principale utilizzato per questi scopi è stato la selezione. È ampiamente utilizzato fino ad oggi e mira a creare nuove e migliorare varietà esistenti di piante coltivate, razze di animali domestici e ceppi di microrganismi con caratteristiche e proprietà preziose per l'uomo.

La selezione si basa sulla selezione di piante (animali) con tratti favorevoli pronunciati e sull'ulteriore incrocio di tali organismi, mentre l'ingegneria genetica consente l'intervento diretto nell'apparato genetico della cellula. È importante notare che durante l'allevamento tradizionale è molto difficile ottenere ibridi con la combinazione desiderata di tratti utili, poiché frammenti molto grandi del genoma di ciascun genitore vengono trasmessi alla prole, mentre i metodi di ingegneria genetica molto spesso consentono di lavorano con uno o più geni e le loro modifiche non influenzano il funzionamento di altri geni. Di conseguenza, senza perdere altre proprietà utili della pianta, è possibile aggiungere uno o più tratti utili, che sono molto preziosi per creare nuove varietà e nuove forme di piante. È diventato possibile modificare, ad esempio, la resistenza delle piante al clima e allo stress, o la loro sensibilità agli insetti o alle malattie comuni in alcune regioni, alla siccità, ecc. Gli scienziati sperano addirittura di ottenere specie di alberi resistenti al fuoco. Sono in corso ricerche approfondite per migliorare il valore nutrizionale di varie colture come mais, soia, patate, pomodori, piselli, ecc.

Storicamente, ci sono “tre ondate” nella creazione di piante geneticamente modificate:

La seconda ondata - l'inizio degli anni 2000 - la creazione di piante con nuove proprietà di consumo: semi oleosi con un contenuto più elevato e una composizione modificata di oli, frutta e verdura con un alto contenuto di vitamine, cereali più nutrienti, ecc.

Oggi gli scienziati stanno creando impianti della “terza ondata” che appariranno sul mercato nei prossimi 10 anni: impianti di vaccini, impianti di bioreattori per la produzione di prodotti industriali (componenti per vari tipi di plastica, coloranti, oli tecnici, ecc.), piante - fabbriche di farmaci, ecc.

Il lavoro di ingegneria genetica nell'allevamento degli animali ha un compito diverso. Un obiettivo completamente raggiungibile con l'attuale livello della tecnologia è la creazione di animali transgenici con un gene bersaglio specifico. Ad esempio, il gene di un prezioso ormone animale (ad esempio l'ormone della crescita) viene introdotto artificialmente in un batterio, che inizia a produrlo in grandi quantità. Un altro esempio: le capre transgeniche, in seguito all'introduzione del gene corrispondente, possono produrre una proteina specifica, il fattore VIII, che previene il sanguinamento nei pazienti affetti da emofilia, o un enzima, la trombochinasi, che favorisce il riassorbimento dei coaguli di sangue nel sangue vasi sanguigni, che è importante per la prevenzione e il trattamento della tromboflebite nelle persone. Gli animali transgenici producono queste proteine ​​molto più velocemente e il metodo stesso è molto più economico di quello tradizionale.

Alla fine degli anni '90 del XX secolo. Gli scienziati statunitensi si sono avvicinati alla produzione di animali da fattoria mediante la clonazione di cellule embrionali, anche se questa direzione richiede ancora ulteriori ricerche serie. Ma negli xenotrapianti - il trapianto di organi da un tipo di organismo vivente a un altro - sono stati ottenuti risultati indubbi. I maggiori successi sono stati ottenuti utilizzando maiali con geni umani trasferiti nel loro genotipo come donatori di vari organi. In questo caso, il rischio di rigetto dell'organo è minimo.

Gli scienziati suggeriscono inoltre che il trasferimento genetico aiuterà a ridurre le allergie umane al latte vaccino. Cambiamenti mirati nel DNA delle mucche dovrebbero anche portare a una diminuzione del contenuto di acidi grassi saturi e colesterolo nel latte, rendendolo ancora più sano. Il potenziale pericolo derivante dall'utilizzo di organismi geneticamente modificati si esprime in due aspetti: la sicurezza alimentare per la salute umana e le conseguenze ambientali. Pertanto, il passo più importante nella creazione di un prodotto geneticamente modificato dovrebbe essere il suo esame completo per evitare il pericolo che il prodotto contenga proteine ​​che causano allergie, sostanze tossiche o alcuni nuovi componenti pericolosi.

.5 L'importanza delle biotecnologie per la medicina

biotecnologia bioprocesso farmaceutico

Oltre al suo ampio utilizzo in agricoltura, è emerso un intero ramo dell'industria farmaceutica basato sull'ingegneria genetica, chiamato L'industria del DNA e rappresenta uno dei rami moderni della biotecnologia. Più di un quarto di tutti i medicinali attualmente utilizzati nel mondo contengono ingredienti vegetali. Le piante geneticamente modificate rappresentano una fonte economica e sicura per ottenere proteine ​​medicinali completamente funzionali (anticorpi, vaccini, enzimi, ecc.) sia per l'uomo che per gli animali. Esempi dell’uso dell’ingegneria genetica in medicina sono anche la produzione di insulina umana utilizzando batteri geneticamente modificati, la produzione di eritropoietina (un ormone che stimola la formazione di globuli rossi nel midollo osseo. Il ruolo fisiologico di questo ormone è quello di regolare la produzione di globuli rossi in base al fabbisogno di ossigeno dell'organismo) in colture cellulari (cioè al di fuori del corpo umano) o nuove razze di topi sperimentali per la ricerca scientifica.

Lo sviluppo di metodi di ingegneria genetica basati sulla creazione di DNA ricombinante ha portato al “boom biotecnologico” a cui stiamo assistendo. Grazie ai risultati della scienza in questo settore, è diventato possibile non solo creare "reattori biologici", animali transgenici, piante geneticamente modificate, ma anche effettuare la certificazione genetica (uno studio completo e un'analisi del genotipo di una persona, solitamente effettuato immediatamente dopo la nascita, per determinare la predisposizione a varie malattie, una possibile reazione inadeguata (allergica) a determinati farmaci, nonché una tendenza a determinati tipi di attività). La certificazione genetica consente di prevedere e ridurre i rischi delle malattie cardiovascolari e tumorali, studiare e prevenire le malattie neurodegenerative e i processi di invecchiamento, analizzare le caratteristiche neurofisiologiche dell'individuo a livello molecolare), diagnosticare malattie genetiche, realizzare vaccini a DNA, terapia genica per varie malattie, ecc.

Nel XX secolo, nella maggior parte dei paesi del mondo, i principali sforzi della medicina sono stati volti a combattere le malattie infettive, a ridurre la mortalità infantile e ad aumentare l’aspettativa di vita media. I paesi con sistemi sanitari più sviluppati hanno avuto così tanto successo in questo senso che hanno trovato possibile spostare l’accento sul trattamento delle malattie croniche, delle malattie del sistema cardiovascolare e del cancro, poiché questi gruppi di malattie rappresentano la percentuale maggiore di l’aumento della mortalità.

Allo stesso tempo, c’è stata la ricerca di nuovi metodi e approcci. È significativo che la scienza abbia dimostrato il ruolo significativo della predisposizione ereditaria nell’insorgenza di malattie così diffuse come la malattia coronarica, l’ipertensione, le ulcere gastriche e duodenali, la psoriasi, l’asma bronchiale, ecc. È diventato ovvio che per il trattamento efficace e la prevenzione di queste malattie incontrate nella pratica dei medici di tutte le specialità, è necessario conoscere i meccanismi di interazione dei fattori ambientali ed ereditari nella loro insorgenza e sviluppo e, pertanto, ulteriori progressi nell'assistenza sanitaria sono impossibili senza lo sviluppo di metodi biotecnologici in medicina . Negli ultimi anni queste aree sono considerate prioritarie e si stanno sviluppando rapidamente.

L’importanza di condurre una ricerca genetica affidabile basata su approcci biotecnologici è ovvia anche perché attualmente sono conosciute più di 4.000 malattie ereditarie. Circa il 5-5,5% dei bambini nasce con malattie ereditarie o congenite. Almeno il 30% della mortalità infantile durante la gravidanza e nel periodo postpartum è dovuta a malformazioni congenite e malattie ereditarie. Dopo 20-30 anni iniziano a comparire molte malattie per le quali una persona aveva solo una predisposizione ereditaria. Ciò avviene sotto l'influenza di vari fattori ambientali: condizioni di vita, cattive abitudini, complicazioni dopo malattie, ecc.

Attualmente sono già emerse opportunità pratiche per ridurre o correggere significativamente l’impatto negativo dei fattori ereditari. La genetica medica ha spiegato che la causa di molte mutazioni genetiche è l'interazione con condizioni ambientali sfavorevoli e, quindi, risolvendo i problemi ambientali, è possibile ridurre l'incidenza del cancro, delle allergie, delle malattie cardiovascolari, del diabete, delle malattie mentali e persino di alcune malattie infettive . Allo stesso tempo, gli scienziati sono stati in grado di identificare i geni responsabili della manifestazione di varie patologie e che contribuiscono ad aumentare l'aspettativa di vita. Utilizzando metodi di genetica medica, sono stati ottenuti buoni risultati nel trattamento del 15% delle malattie e un miglioramento significativo è stato osservato in quasi il 50% delle malattie.

Pertanto, risultati significativi nel campo della genetica hanno permesso non solo di raggiungere il livello molecolare dello studio delle strutture genetiche del corpo, ma anche di rivelare l'essenza di molte gravi malattie umane e di avvicinarsi alla terapia genica.

Inoltre, sulla base delle conoscenze genetiche mediche, sono emerse opportunità per la diagnosi precoce delle malattie ereditarie e la prevenzione tempestiva della patologia ereditaria.

L'area più importante della genetica medica attualmente è lo sviluppo di nuovi metodi per diagnosticare le malattie ereditarie, comprese le malattie con predisposizione ereditaria. Oggi, la diagnosi preimpianto non sorprende più nessuno: un metodo per diagnosticare un embrione in una fase iniziale dello sviluppo intrauterino, quando un genetista, rimuovendo solo una cellula del nascituro con una minaccia minima per la sua vita, fa una diagnosi accurata o avverte di un predisposizione ereditaria a una particolare malattia.

Come disciplina teorica e clinica, la genetica medica continua a svilupparsi intensamente in diverse direzioni: lo studio del genoma umano, la citogenetica, la genetica molecolare e biochimica, l'immunogenetica, la genetica dello sviluppo, la genetica delle popolazioni, la genetica clinica.

Grazie all'uso sempre più diffuso di metodi biotecnologici in campo farmaceutico e medico, è emerso un nuovo concetto di "medicina personalizzata", quando un paziente viene trattato in base alle sue caratteristiche individuali, comprese le caratteristiche genetiche, e vengono fabbricati anche i farmaci utilizzati nel processo di cura. individualmente per ciascun paziente specifico tenendo conto delle sue condizioni. La comparsa di tali farmaci è diventata possibile, in particolare, grazie all'uso di un metodo biotecnologico come l'ibridazione (fusione artificiale) delle cellule. I processi di ibridazione cellulare e di produzione di ibridi non sono stati ancora completamente studiati e sviluppati, ma è importante che con il loro aiuto sia diventato possibile produrre anticorpi monoclonali. Gli anticorpi monoclonali sono speciali proteine ​​"protettive" prodotte dalle cellule del sistema immunitario umano in risposta alla comparsa nel sangue di agenti estranei (chiamati antigeni): batteri, virus, veleni, ecc. Gli anticorpi monoclonali hanno una specificità straordinaria e unica e ogni anticorpo riconosce solo il proprio antigene, si lega ad esso e lo rende sicuro per l'uomo. Nella medicina moderna, gli anticorpi monoclonali sono ampiamente utilizzati per scopi diagnostici. Attualmente vengono utilizzati anche come farmaci altamente efficaci per il trattamento individuale di pazienti affetti da malattie gravi come il cancro, l'AIDS, ecc.

Conclusione

Sulla base di quanto precede, possiamo concludere che le biotecnologie avanzate possono svolgere un ruolo significativo nel migliorare la qualità della vita e della salute umana, garantendo la crescita economica e sociale degli Stati (soprattutto nei Paesi in via di sviluppo).

La biotecnologia può produrre nuovi strumenti diagnostici, vaccini e farmaci. La biotecnologia può contribuire ad aumentare la resa delle principali colture di cereali, il che è particolarmente importante in connessione con la crescente popolazione della Terra. In molti paesi in cui grandi volumi di biomassa sono inutilizzati o sottoutilizzati, la biotecnologia potrebbe offrire modi per convertirli in prodotti di valore, nonché trasformarli utilizzando metodi biotecnologici per produrre vari tipi di biocarburanti. Inoltre, con una corretta pianificazione e gestione, la biotecnologia può essere utilizzata nelle piccole regioni come strumento per industrializzare le aree rurali per creare piccole industrie, che garantiranno uno sviluppo più attivo dei territori vuoti e risolveranno il problema dell'occupazione.

Una caratteristica dello sviluppo della biotecnologia nel 21° secolo non è solo la sua rapida crescita come scienza applicata, ma sta diventando sempre più parte della vita umana di tutti i giorni e, cosa ancora più significativa, offre eccezionali opportunità per l’efficacia (intensiva, non ampio) sviluppo di quasi tutti i settori dell’economia, diventa una condizione necessaria per lo sviluppo sostenibile della società e quindi ha un impatto trasformativo sul paradigma di sviluppo della società nel suo insieme.

L’ampia penetrazione della biotecnologia nell’economia mondiale si riflette nel fatto che sono stati creati anche nuovi termini per denotare la natura globale di questo processo. Pertanto, l'uso di metodi biotecnologici nella produzione industriale cominciò a essere chiamato "biotecnologia bianca", nella produzione farmaceutica e in medicina - "biotecnologia rossa", nella produzione agricola e nell'allevamento di animali - "biotecnologia verde", e per la coltivazione artificiale e l'ulteriore lavorazione degli organismi acquatici (acquacoltura o maricoltura) - “biotecnologia blu”. E l’economia che integra tutte queste aree innovative si chiama “bioeconomia”. Il compito della transizione dall’economia tradizionale a un nuovo tipo di economia – una bioeconomia basata sull’innovazione e sull’ampio utilizzo delle capacità della biotecnologia in vari settori, così come nella vita umana quotidiana, è già stato dichiarato un obiettivo strategico in molti paesi del mondo. il mondo.

Elenco delle fonti utilizzate

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