Определение биотехнология
27.11.2019, 07:08
Автор: admin
Биотехнология — это использование живых систем, клеток, организмов для практических нужд человека. То есть использование современной науки для манипуляции с живыми объектами, чтобы получить некую выгоду и улучшить жизнь человека.
Чаще всего применяется в медицине, пищевой промышленности, также для решения проблем в области энергетики, охране окружающей среды, и в научных исследованиях.
Биотехнологией часто называют применение генной инженерии в XX—XXI веках, но термин относится и к более широкому комплексу процессов модификации биологических организмов для обеспечения потребностей человека, начиная с модификации растений и животных путём искусственного отбора и гибридизации. С помощью современных методов традиционные биотехнологические производства получили возможность улучшить качество пищевых продуктов и увеличить продуктивность живых организмов.
Особенно интенсивно данное направление стало развиваться с 1981 года. Задачи физико-химической биологии очень обширны. Объединяет их то, что основу, суть каждой задачи составляет познание природы живого и использование в практике знаний о процессах и материальных структурах живых организмов. Стремительно расширяющиеся знания о процессах жизнедеятельности позволяют не только приспосабливать эти процессы для практических целей, но и управлять ими, а также создавать весьма перспективные в практическом отношении новые системы, не существующие в природе, хотя и аналогичные существующим.
Биотехнология в целом представляет собой систему приёмов направленного использования процессов жизнедеятельности живых организмов для получения промышленным способом ценных продуктов.
В биотехнологии много дисциплин, и все успешные проекты и направления связаны с их комбинацией.
Генная инженерия и биотехнология
В биотехнологии важное место занимает генная инженерия. Она широко распространена в исследованиях, однако вовсе не обязательно использовать её методы, чтобы получить полезные свойства у объекта. Например, можно разобраться в особенностях метаболизма организма: как он живёт в нормальной среде обитания и что получится, если мы переведём его в другую среду обитания, с другими питательными факторами, в другую атмосферу — возможно, это поможет ему в итоге , и это может быстрее размножаться. Но это же не генная инженерия.
Биотехнология — это манипуляции со знаниями, которые есть о данном объекте. Генная инженерия просто расширяет круг возможностей, разных комбинаций, даёт возможность совершать манипуляции на уровне молекул, поэтому более точна.
Биотехнология на самом деле существует столько, сколько сельское хозяйство. В сельском хозяйстве часто есть конкретная практическая цель — например, вывести породу быстрых лошадей или устойчивое к холоду растение. Этим люди занимаются уже сотни лет с помощью селекции, которая на самом деле является генетическим методом отбора.
В биотехнологии важное место занимает генная инженерия. Она широко распространена в исследованиях, однако вовсе не обязательно использовать её методы, чтобы получить полезные свойства у объекта. Например, можно разобраться в особенностях метаболизма организма: как он живёт в нормальной среде обитания и что получится, если мы переведём его в другую среду обитания, с другими питательными факторами, в другую атмосферу — возможно, это поможет ему в итоге , и это может быстрее размножаться. Но это же не генная инженерия.
Биотехнология — это манипуляции со знаниями, которые есть о данном объекте. Генная инженерия просто расширяет круг возможностей, разных комбинаций, даёт возможность совершать манипуляции на уровне молекул, поэтому более точна.
Биотехнология на самом деле существует столько, сколько сельское хозяйство. В сельском хозяйстве часто есть конкретная практическая цель — например, вывести породу быстрых лошадей или устойчивое к холоду растение. Этим люди занимаются уже сотни лет с помощью селекции, которая на самом деле является генетическим методом отбора.
Направления биотехнологии
Микробиологический синтез
Развитие микробиологической промышленности, выпускающей ценные продукты биосинтеза, позволило накопить очень важный опыт конструирования, производства и эксплуатации принципиально нового промышленного оборудования. Современное микробиологическое производство — производство очень высокой культуры. Технология его очень сложна и специфична, обслуживание аппаратуры требует овладения специальными навыками, ведь всё производство работает только в условиях строжайшей стерильности: стоит попасть в ферментатор лишь одной клетке микроорганизма другого вида, как всё производство может остановиться — «чужак» размножится и начнёт синтезировать совсем не то, что нужно человеку.
В настоящее время с помощью микробиологического синтеза производят антибиотики, ферменты, аминокислоты, полупродукты для дальнейшего синтеза разнообразных веществ, феромоны (вещества, с помощью которых можно управлять поведением насекомых), органические кислоты, кормовые белки и другие. Технология производства этих веществ хорошо отработана, получение их микробиологическим путём экономически выгодно.
В то же время идут поиски видов микроорганизмов, которые обладают способностью синтезировать в наибольших количествах другие необходимые вещества. В частности, учёные работают над тем, чтобы сделать выгодным производство с помощью микроорганизмов обычных химических продуктов: ацетона, различных спиртов, простых органических кислот, окиси пропилена и т. п. На микробиологической основе пытаются производить горючее: метан и спирт. Уже сейчас спирт, полученный микробиологическим путём, конкурирует с бензином по своим «рабочим» качествам, а также по показателям, очень важным с точки зрения охраны природы: продукты сгорания спирта не загрязняют окружающую среду.
Эти работы учёных важны ещё и по другой причине. Сейчас химическая промышленность для производства горючего, ацетона и других подобных веществ использует как исходное сырьё нефть, газ и уголь. Но их запасы не безграничны. А в микробиологической промышленности для производства химических продуктов могут использоваться (и уже частично используются) неограниченные, постоянно возобновляющиеся массы органического сырья, отходов, образующихся в сельском хозяйстве, лесной и деревообрабатывающей промышленности, очистных сооружениях городов и т. п. Разработка и внедрение эффективных технологий такого производства — задача, имеющая большое значение для экономики народного хозяйства.
Важным направлением биотехнологии является производство и использование так называемых иммобилизованных ферментов.
Использование ферментов — биологических катализаторов — очень заманчивая вещь. Ведь они по многим своим свойствам, прежде всего активности и избирательности действия (специфичности), намного превосходят катализаторы химические. Ферменты обеспечивают осуществление химических реакций без высоких температур и давлений, а ускоряют их в миллионы и миллиарды раз. При этом каждый фермент катализирует только одну определённую реакцию.
В пищевой и кондитерской промышленности ферменты применяются уже давно: многие из первых патентов ещё начала века касались производства ферментов именно для этих целей. Однако требования к этим препаратам тогда были не очень высокие — по существу, в производстве использовались не чистые ферменты, а различные вытяжки или полуразрушенные и высушенные клетки дрожжей или низших грибов. Ферменты (вернее, содержащие их препараты) использовали и в текстильной промышленности для отбеливания и обработки пряжи и хлопковых нитей.
Возможные способы применения массовой культуры водорослей.
Биологические катализаторы можно использовать также не извлекая их из живых организмов, прямо в бактериальных клетках, например. Этот способ, собственно, есть основа всякого микробиологического производства, и применяется он издавна.
Гораздо заманчивее использовать чистые препараты ферментов и избавиться таким образом от побочных, сопутствующих жизнедеятельности микроорганизмов реакций. Создание производства, в котором используется биологический катализатор в чистом виде как реактив, сулит очень большие выгоды — повышается технологичность, возрастают во много тысяч раз производительность и чистота процессов. Но здесь возникает принципиальное затруднение: многие ферменты после их извлечения из клетки очень быстро инактивируются, разрушаются. Ни о каком многократном их использовании не может быть и речи.
Учёные нашли решение проблемы. Для того чтобы стабилизировать, или, как говорят, иммобилизовать, ферменты, сделать их устойчивыми, пригодными для многократного, длительного промышленного использования, ферменты присоединяют с помощью прочных химических связей к нерастворимым или растворимым носителям — ионообменным полимерам, полиорганосилоксанам, пористому стеклу, полисахаридам и т. п. В результате ферменты становятся устойчивыми и могут быть использованы многократно. (Эта идея была затем перенесена в микробиологию — возникла мысль иммобилизовать живые клетки. Иногда очень нужно, чтобы они в процессе микробиологического синтеза не загрязняли среду, не смешивались с синтезируемыми ими продуктами и вообще были бы больше похожи на химические реактивы. И такие иммобилизованные клетки были созданы; они успешно применяются, например, при синтезе стероидных гормонов — ценных лекарственных препаратов).
Разработка способа повышения устойчивости ферментов значительно расширяет возможности их использования. С помощью ферментов можно, например, получать сахар из растительных отходов, и этот процесс будет экономически рентабельным. Уже создана опытная установка для непрерывного производства сахара из клетчатки.
Иммобилизованные ферменты находят применение и в медицине. Так, в нашей стране для лечения сердечно-сосудистых заболеваний разработан препарат иммобилизованной стрептокиназы (препарат получил название «стрептодеказа»). Этот препарат можно вводить в сосуды для растворения образовавшихся в них тромбов. Растворимая в воде полисахаридная матрица (к классу полисахаридов относятся, как известно, крахмал и целлюлоза, близким к ним по строению был и подобранный полимерный носитель), к которой химически «привязана» стрептокиназа, значительно повышает устойчивость фермента, снижает его токсичность и аллергическое действие и не влияет на активность, способность фермента растворять тромбы.
Субстраты для получения белка одноклеточных для разных классов микроорганизмов.
Создание иммобилизованных ферментов, так называемая инженерная энзимология, — одно из новых направлений биотехнологий. Достигнуты лишь первые успехи. Но они существенно преобразили прикладную микробиологию, техническую биохимию и ферментную промышленность. Во-первых, в микробиологической промышленности сейчас актуальными стали разработки производства ферментов самой различной природы и свойства. Во-вторых, возникли новые области производства, связанные с получением именно иммобилизованных ферментов. В-третьих, создание новых ферментных препаратов открыло возможность организации ряда новых производств для получения нужных веществ с помощью биологические катализаторов.
Различия между классической биотехнологией и современной биотехнологией
Классическая биотехнология касается различных способов использования живых микроорганизмов для производства новых продуктов или модификации существующих продуктов. Он охватывает классические методы, такие как скрещивание видов для получения новых, обладающих желаемыми характеристиками, и ферментацию, используемую при производстве вин, сыров и хлеба.
Современная биотехнология в значительной степени опирается на методы, использующие генную инженерию . В этом смысле можно утверждать, что наибольшие достижения в области биотехнологии были достигнуты с помощью инструментов и методов генной инженерии, таких как преднамеренное манипулирование генами, клетками и тканями контролируемым образом для формирования генетически улучшенных организмов, рекомбинация ДНК, культура тканей. мутагенез и др.
Примеры применения биотехнологии
Учитывая, что биотехнология включает в себя широкий спектр наук, ее результаты можно найти во многих секторах экономики. Приложения этой области всегда стремятся улучшить качество жизни на планете, либо путем создания новых технологий и продуктов, либо путем улучшения существующих.
Генетически модифицированные организмы
Классическим примером применения биотехнологии является создание генетически модифицированных организмов (ГМО), также называемых трансгенными . У этих организмов был изменен их генетический код (обычно путем объединения с генами других организмов) с целью устранения дефектов и развития новых свойств.
В 1950-х годах агроном Норман Борлауг посредством генетических скрещиваний породил «карликовую пшеницу», новый, более устойчивый и продуктивный сорт пшеницы, который произвел революцию в сельском хозяйстве во всем мире.
Основными примерами генетически модифицированных организмов являются те, которые используются:
в медицине : инсулин, стволовые клетки, гормон роста, гормоны для лечения бесплодия, новые методы лечения рака, генная терапия (лечение заболеваний путем замены дефектных генов), вакцины и др.
в сельском хозяйстве : генетически улучшенные продукты питания, более устойчивые и продуктивные сельскохозяйственные культуры, животные и растения, модифицированные для производства полезных веществ в лекарствах и т. д.
у животных : трансгенные мыши, использованные в исследованиях, и рыбы с ростом в четыре раза превышающим норму (тилапия и золотая рыбка).
в окружающей среде : бактерии, которые борются с загрязнением, вызванным нефтью и металлами.
Преимущества биотехнологии
Преимущества, которые дает биотехнология, многочисленны и распространяются на все области применения, улучшая качество жизни в мире. Среди его наиболее очевидных результатов:
Урожайность с большей урожайностью и большей устойчивостью;
Меньшее использование пестицидов;
Трансгенная пища длится дольше, уменьшая количество пищевых отходов;
Сокращение количества энергии, необходимой для производства продуктов питания;
Использование продуктов, менее вредных для окружающей среды;
Уменьшение голода в мире;
Более питательные продукты;
Снижение возникновения инфекционных заболеваний;
Более точные инструменты для выявления заболеваний и т.д.
Недостатки биотехнологии
Достижения биотехнологии также имеют негативные последствия. Среди основных можно выделить:
Ущерб окружающей среде;
Высокая зависимость от технологий развитых стран;
Повышенная концентрация доходов;
Неопределенность в отношении его долгосрочного воздействия на окружающую среду и организмы;
Сокращение биоразнообразия;
Увеличение числа заболеваний, вызванных трансгенными продуктами.
Биотехнологические классификации
Чтобы классифицировать различные области биотехнологии, специалисты и ученые этой области начали применять систему цветности, которая разделяет науку на отрасли в соответствии с областью применения:
Зеленая: применяется в сельском хозяйстве с целью создания более устойчивых сельскохозяйственных условий.
Красная: применяется в медицине с целью улучшения лекарств и методов лечения. Самые передовые методы охватывают даже лечение болезней с помощью генетических манипуляций.
Белая: также называется промышленной биотехнологией, используется при производстве продуктов методами, менее вредными для окружающей среды.
Желтая: применяется в областях питания и производства продуктов питания, но также относится к области биотехнологии, применяемой к насекомым.
Голубая: применяется для эксплуатации морских биологических ресурсов.
Фиолетовая: связана с законами, патентами, публикациями и другими документальными вопросами, связанными с биотехнологией.
Золотая: относится к использованию биоинформатики и вычислительных технологий в биотехнологии.
Оранжевая: также называемая образовательной биотехнологией, состоит из всех мер, направленных на распространение и распространение биотехнологии.
Черная: это связано с применением биотехнологии в военных целях, таких как производство биологического оружия.
Биотехнологическая карьера
Ввиду междисциплинарного характера биотехнологии, доступ к профессии может происходить через различные образования, такие как медицина, агрономия, биология, инженерия биохимия, фармацевтика и т. д.
Требования к специализации для входа в область биотехнологии варьируются в соответствии с правилами каждой профессии.
|
Ключевые слова: биотехнология направление биотехнологии Направления биотехнологии Биотехнологическая карьера робот
|
Обратная связь
Реклама на сайте
НАЗАД