что использует биотехнология на практике
Что такое биотехнология: будущее уже наступило
В последнее десятилетие термин «биотехнология» все чаще появляется в заголовках новостей, а открытия в этой области становятся причиной для жарких споров. Действительно, свое наибольшее развитие наука получила именно в последние годы, и этому в большей степени способствовал технический прогресс, но в повседневной жизни биотехнология используется на протяжении многих веков.
История развития биотехнологии
С древнейших времен биотехнология применялась человеком для изготовления вина, в сыроварении и других вариантах приготовления пищи. Биотехнологический процесс, а именно брожение, использовался еще в древнем Вавилоне для производства пива. Об этом свидетельствуют найденные при раскопках записи на дощечках. Но, несмотря на активное использование этих методов, процессы, лежавшие в основе этих производств, оставались загадкой.
Луи Пастер в 1867 году говорил, что такие процессы, как сквашивание и брожение, есть ничто иное, как итог жизнедеятельности микроорганизмов. Эдуард Бухнер дополнил эти предположения, доказав, что катализатором является бесклеточный экстракт, который содержит ферменты, вызывающие химическую реакцию.
Позже были сделаны сенсационные по тем временам открытия, которые помогли сформировать данную науку в современном ее понимании:
Годом появления термина стал 1919, после публикации манифеста венгерским агроэкономистом Карлом Эреки. Основываясь на имеющиеся в то время данные, под термином биотехнология подразумевалось применение микроорганизмов для ферментации продуктов питания.
Но, как известно, самые интересные открытия совершаются на стыке знаний, в случае биотехнологии, объединились пищевая и нефтеперерабатывающая промышленность. В 1970 году на практике была опробована технология производства белка из отходов нефтепромышленности.
Что такое биотехнология: термин и основные виды
Биотехнология – наука о способах создания различных веществ с использованием естественных биологических компонентов, будь-то микроорганизмы, животные или растительные клетки. По сути, это манипулирование живыми клетками для получения определенных результатов.
Основными направлениями развития науки являются:
Биоинженерия – дисциплина, направленная на расширение знаний в области медицины (лечение, укрепление здоровья) и инженерии
Биомедицина – узкоспециализированный раздел медицины, который с теоретической точки зрения изучает строение человеческого организма, диагностику патологических состояний и возможности их коррекции. Раздел медицины, занимающийся контролем и лечением биологических систем живых организмов на молекулярном уровне, называется наномедициной.
Гибридизация — процесс получения гибридов (растений, животных). В основе лежит принцип получения одной клетки (устойчивой к тем или иным условиям) путем объединения других клеток.
Сейчас у нас уже есть средства необходимые для того, чтобы прожить достаточно долго до тех пор, пока мы не станем бессмертны. Можно агрессивно применять существующие знания, чтобы кардинально замедлить процессы старения, и оставаться в жизнеспособном состоянии до того момента, когда станут доступны совершенно радикальные терапии по продлению жизни с помощью био- и нанотехнологий.
Ray Kurzweil (изобретатель, футуролог)
Высшим достижением биотехнологии является генная инженерия. Генная инженерия – совокупность знаний и технологий получения РНК и ДНК, выделения генов из клеток, осуществление манипуляций с генами и введение их в другие организмы. Это «управление» геномом живого существа или растения с целью получения заданных свойств. Например, руководствуясь знаниями в области генной инженерии, китайские ученые планируют массово применять метод «исправления» генома людей с онкологическими заболеваниями. Однако, запускать полномасштабные проекты пока никто не спешит, т.к. на сегодняшний день невозможно спрогнозировать последствия для организма в долгосрочном периоде.
Особого внимания заслуживает клонирование. Под этим процессом понимают появление нескольких генетических идентичных организмов путем бесполого (в том числе вегетативного) размножения. На сегодняшний день были клонированы не только растения, но и несколько десятков видов животных (овцы, собаки, кошки, лошади). О фактах клонирования человека пока нет данных, хотя, по мнению ученых, с технической стороны – к процессу все готово. Именно эти разработки стали самыми противоречивыми и обсуждаемыми мировой общественностью. Дело не только в вероятности получения неполноценных людей, но и в этической и религиозной стороне вопроса.
Сфера применения
Принципы биотехнологических процессов внедряют в производство всех отраслей:
Основной целью клеточной инженерии является культивирование животных и растительных клеток. Открытия в области клеточной инженерии позволили контролировать и регулировать продуктивность, качество, устойчивость к заболеваниям новых форм и линий животных и растений.
Инвестиции и развитие
Хотя биотехнологию сложно назвать «молодой» наукой, именно сегодня она находится в начале своего развития. Направления и возможности, которые открываются благодаря развитию этих знаний, могут быть бесконечными. Могут, если получат должное финансирование и поддержку. Основными инвестиционными участниками направления являются сами инженеры и биотехнологии, и это вполне объяснимо. Сегодня предлагается не сам продукт, а скорее идея, и возможные методы ее реализации.
И для осуществления этой задумки нужны десятки и сотни экспериментов, опыты и дорогостоящее оборудование. Не каждый инвестор готов идти только за идеей, рискуя своими вложениями. Но ведь не все верили и в мобильную связь, а сегодня она повсюду.
На данный момент число крупных компаний, занимающихся биотехнологическими разработками, невелико. К таковым относятся:
По мнению экспертов, наиболее привлекательным направлением для инвестиций в биотехнологию являются компании, занимающиеся секвенированием. Это общее название методов, которые позволяют установить последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК. Расшифровка ДНК данных (секвенирование), дает возможность идентифицировать участки, которые отвечают за наследственные заболевания, и устранять их. Как только процесс будет доведен до совершенства, люди смогут не лечить симптомы, а избавляться от болезни. Это перевернет наше представление о диагностике, и принесет большие дивиденды тем, кто сумеет рассмотреть потенциал компании еще на этапе идеи.
Биотехнология: добро или зло?
Уже сегодня население планеты сталкивается с проблемой нехватки продуктов питания, и если численность людей продолжит расти, то в ближайшем будущем ситуация может стать критической. Знания о том, что такое биотехнология и как ее применять, помогают получать максимальные результаты урожайности, вне зависимости от внешних факторов. И эти достижения нельзя сбрасывать со счетов. Кроме того, неоспоримым доказательством пользы науки является изобретение антибиотиков, которые позволили контролировать, а в некоторых случаях и полностью искоренять, сотни болезней.
Но далеко не все оценивают науку однозначно. Существуют опасения, что отсутствие контроля может привести к необратимым последствиям. Например, уже сегодня продукты биотехнологии, такие как стероиды для спортсменов, становятся причиной для преждевременных сердечных патологий. В погоне за созданием супер-человека, победившего старость и болезни, общество рискует потерять свое естество.
Мы не остались жить в пещерах. Мы не остаемся в пределах нашей планеты. С помощью биотехнологии, генетического секвенирования, мы даже не собираемся ограничиваться рамками самой биологии.
Jason Silva (оратор, философ, телезвезда).
Развитие биотехнологии стало таким стремительным, что мировые государства столкнулись с проблемой отсутствия контроля на правовом уровне. Это стало причиной приостановления многих проектов, поэтому пока о клонировании человека и победе над смертью говорить преждевременно, и два конфронтационных лагеря могут беспрепятственно поддаваться философским размышлениям.
Понятие биотехнологий: определение, история, виды биотехнологий и практическое их применение
Что собой представляет наука биотехнология?
Определение биотехнологии
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.
Тысячелетиями люди пользуются биотехнологиями в сельском хозяйстве, производстве продуктов питания и медицине. Сам термин «биотехнологии» был введен венгерским инженером, которого звали Карл Эреки. Произошло это в 1917 году.
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.
С развитием биотехнологий связана разработка антибиотиков.
В 1928 году Александр Флеминг открыл плесень Penicillium.
Виды биотехнологий
Существует несколько видов биотехнологий:
Практическое применение биотехнологий
Есть 4 крупные промышленные области, в которых активно применяются наработки биотехнологии:
Медицина
Биотехнологии в медицине используются с целью поиска и производства лекарств, фармакогеномике, а также в генетическом тестировании — генетическом скрининге.
Фармакогеномика представляет собой объединение фармакологии и геномики. Это технология, которая занимается анализом влияние генетического состава на реакцию индивидуума на тот или иной лекарственный препарат.
Заметно значение биотехнологии в открытии и производстве традиционных малых молекул лекарств, в том числе препаратов — продуктов биотехнологии (биологических препаратов).
Сельское хозяйство
Биотехнологии в сельском хозяйстве стали причиной появления генетически модифицированных сельскохозяйственных культур. Это биотехнологические культуры — растения, используемые в сельском хозяйстве, ДНК которых модифицирована при помощи методов генной инженерии.
Такие продовольственные культуры отличаются устойчивостью к определенным вредителям, болезням, стрессовым условиям окружающей среды, устойчивостью к различным химическим обработкам.
Химическая промышленность
1917 год был примечателен еще и тем, что в это время Хаим Вейцман в Великобритании применил бактерии Clostridium acetobutylicum чтобы получить ацетон. В то время ацетон был стратегически важным продуктом.
Пищевая промышленность
Различные молочные культуры молочнокислой ферментации дают возможность получить йогурт, квашеную капусту и пр. Также на биологических процессах основаны другие традиционные технологии: производство сыра, хлеба.
Будущее биотехнологий
Биотехнологии, несмотря на весь пафос и инновационность названия – одна из наиболее древних отраслей, появившаяся тогда, когда само понятие науки еще не было устоявшимся. При этом, безо всяких сомнений, сегодня биотехнологии в широком смысле данного понятия являются одним из наиболее перспективных и многообещающих направлений изучения возможностей использования живых организмов.
Фактически же человечество впервые столкнулось в биотехнологиями (в самом простом и широком понимании) в тот же момент, когда они столкнулись с «биотой» – то есть биологически активным населением самых разнообразных сущностей на нашей планете: при выпечке хлеба, пивоварении (в обоих случаях это дрожжевые культуры) и при самых первых, робких, шагах в селекции тех растений, которые помогали прокормиться.
Конечно, осознанное и планомерное развитие биотехнологий началось позже, фактически – не так давно по меркам науки, в конце XVII века, когда было открыто существование микроорганизмов. Огромную роль в этом открытии сыграл петербургский академик К. С. Кирхгов, который открыл явление биологического катализа и пытался биокаталитическим путем получить сахар из доступного отечественного сырья (в первую очередь – свеклы). А термину «биотехнологии» мы обязаны венгерскому инженеру Карлу Эреки, которые впервые использовал его в своих работах в 1917 году. Большая заслуга в первоначальном становлении биотехнологий, как направлению науки биологии, также отдается и одному из самых известнейших микробиологов – Луи Пастеру, благодаря открытиям которого никто более не сомневался в том, что биотехнологии являются самостоятельным научным направлением.
Первый же патент в области биотехнологий был выдан в 1891 году в США – японский биохимик Дз. Такамине открыл методику использования ферментных препаратов в промышленных целях: применять диастазу для осахаривания растительных отходов.
В XX веке развитие биотехнологий обрело новый вид и множество направлений – в частности, они начали оказывать влияние на другие отрасли и области хозяйственно-экономической деятельности человека. Стоит сказать лишь, что активное развитие бродильной и микробиологической промышленности дало нам сотни, если не тысячи, методик и препаратов, существенно улучшающих жизнь каждого человека: стало возможным производство антибиотиков, пищевых концентратов, а также осуществление контроля за ферментацией продуктов растительного и животного происхождения, что безумно важно для обеспечения продовольствием.
Выделение и очищение до приемлемого уровня первого антибиотика – пенициллина, стало возможным лишь в 1940 году, одновременно выведя всю отрасль биотехнологий на совершенно новый уровень и ставя новые задачи, такие как: поиск и отработка технологий производства лекарственных веществ, продуцируемых микроорганизмами, работа над удешевлением и повышением уровня безопасности при приеме лекарственных препаратов пациентом и так далее.
В сегодняшнем мире биотехнологии уже фактически неразрывно связаны с инженерией (в том числе и генной), энергетикой, медициной, сельским хозяйством, экологией и многими другими отраслями и научными направлениями мысли.
За последние 100 лет благодаря безудержному прогрессу во всех направлениях спектр задач и методики их решения в биотехнологиях значительно поменялись. В основе т.н. «новой» биотехнологии лежат уже очень продвинутые и высокотехнологичные методы генной и клеточной инженерии, с помощью которых проводится множество сложных операций, в том числе – воссоздание из отдельных фрагментов клеток их жизнеспособных копий.
На стыке биотехнологии и других научных областей могут рождаться самые интересные и неожиданные решений, позволяющие глубже узнавать и использовать потенциал самых разнообразных живых организмов. Как следствие, мы больше узнаем о тех процессах, с помощью которых мы получаем:
– Материалы и композиты
– Топливо и способы синтеза
– Лекарственные препараты и вакцины
– Методы диагностики и профилактики заболеваний, в том числе генетически обусловленных
– Не говоря о процессах старения, являющихся в некотором смысле «философским камнем» мира биотехнологий, есть множество абсолютно приземленных и, простите, «простых» перспектив применения в реальной жизни с её практикой.
В первую очередь здесь, конечно, неоправданно нелюбимые необразованным читателем/зрителем/слушателем «генно-модифицированные организмы», пресловутый «ГМО». На самом деле человечество, с того самого мгновения, как оно сменило кочевничество на оседлый образ жизни и начало обрабатывать землю и разводить скот, занималось созданием «генно-модифицированных» культур в сельском хозяйстве. Без этого у нас бы не было урожая в принципе, так как условия биоценоза (то есть устойчивого развития организмов) просто не позволили бы вырастить ни корову, ни пшеницу. И именно поэтому биотехнологии в области растительных культур могут решить множество проблем, от голода и обеспечения продуктами, до улучшения качества жизни всех людей вследствие гармонизации уровней питательности самых разнообразных продуктов растительного происхождения.
Не нужно думать, что биотехнологии сегодня достигли пика собственного развития – такое мнение было бы в корне неверно. Происходит дальнейшая фрагментация «биотехнологий» на емкие направления, занимающиеся собственными прикладными задачами. К примеру, в России была принята «Комплексная программа развития биотехнологий», в рамках которой планируется создание глобально конкурентоспособного секта биоэкономики и предприятий, работающих в этой области. При этом ожидается, что к 2020 году объем этого сектора составил не менее 1% ВВП, а к 2030 – не менее 3% ВВП Российской Федерации. Это не просто амбициозные планы, это суровая реальность, которой необходимо соответствовать.
На какие отрасли могут оказать влияние биотехнологии в самом ближайшем будущем? Почти на все, ведь мы видим дальнейшую интеграцию различных научных и прикладных областей друг с другом.
Возьмем для примера космическую отрасль, которая уже сегодня активно работает с микроорганизмами, применяя настоящие биотехнологические методы. К примеру, благодаря отправке различных видов микроорганизмов на МКС, мы знаем, что огромное число бактерий устойчиво к жесткому космическому излучению самых разнообразных спектров и волн. Более того, мы обнаружили на Земле микроорганизмы, находящиеся в состоянии анабиоза (грубо говоря: «спячки»), которые вышли из него только будучи облучены космическими лучами. Они просто не могли образоваться на нашей планете, они были занесены к нам в процессе формирования Солнечной системы с других космических объектов нашей галактики.
Как еще биотехнологии могут повлиять на освоение людьми ближайшего к нам космоса? Представьте себе даже простую исследовательскую экспедицию к другим планетам в пределах нашей локальной группы – например, к Марсу. Помимо психологической устойчивости экипажа такой экспедиции (а полет в одну сторону будет длиться минимально год при текущем уровне развития ракетных и других видов двигателей, пригодных для межпланетного сообщения), ей понадобится приличный запас продовольствия и топлива. Даже сейчас на МКС невозможно доставить годовой запас продовольствия для группы из 3-5 космонавтов – это слишком тяжело и потребуется несколько ракет-носителей. Что уж говорить о долгосрочной космической миссии, в рамках которой возможности пополнения запасов «по-дороге» просто не будет.
Поэтому и потребуется наладить бесперебойное выращивание пищи на месте – только такая схема обеспечит безопасность и миссии полета, и колонизации. С этим согласны и ученые «Национальной лаборатории им. Беркли» в США, которые и предлагают, как-раз, прибегнуть к использованию последних достижений в области синтетической биологии. Что это значит?
Исследователи подсчитали, что для экспедиции на Марс продолжительностью примерно около двух с половиной лет, использование современных методов, применяемых в биотехнологиях, позволит в два с половиной раза сократить потребность в горючем топливе и на ⅓ – в продовольствии. В докладе исследователи отметили, что последние разработки на стыке биологии и нанотехнологий также помогут в строительстве жилых модулей. Непосредственно на другой планете, будь то Марс или какая-то другая. Все необходимые для этого материалы можно синтезировать прямо на месте, а строительные блоки получать по технологии многослойной 3D-печати.
Естественно, есть у биотехнологий и многочисленные «противовесы» и сдерживающие факторы, первыми из которых идут социально-этические и религиозные предпосылки. Человек может, фактически, использовать возможности живых организмов для решения самых разнообразных задач в бесконечном цикле, но, на практике, лишь до определенного момента – некоторой черты, переходить которую «нельзя». В первую очередь это касается полного клонирования живых организмов (вспомним овечку «Долли» и все то, что о ней говорилось). Сегодня это запрещено в большинстве развитых стран, а людям, которые вопреки всему готовы этим заниматься, приходится искать и финансирование, и условия для работы там, где они не нарушают никаких законов – например, в нейтральных водах мирового океана (которые не контролируются национальными законами ни одной страны).
При этом, конечно, никто сегодня не исключает того факта, что в будущем полное клонирование человека станет возможным. Как это простимулирует всю отрасль биотехнологий и какие новые наукоемкие направления работы в ней появятся вслед за этим событием – покажет будущее.
Это что касается общего развития биотехнологий, как большой научной и промышленной отрасли на стыке технологий и биологии. А на какие профессии и сферы занятости влияют широкие «биотехнологии», как понятия? На самом деле, их множество. Попробуем перечислить лишь наиболее интересные и перспективные.
Это специалист по замещению существующих и формально устаревающих решений в различных отраслях новыми методиками из области биотехнологий (например биотопливо вместо дизельного топлива, или органические строительные материалы вместо цемента, бетона и стали).
Это специалист по планированию, проектированию и созданию технологий замкнутого цикла с участием генетически модифицированных организмов и микроорганизмов (биореакторы, системы производства еды в городских условиях).
Это специалист, занимающийся проектированием городов нового типа, с использованием последних достижений в области биотехнологий, в том числе чистых биологических энергоресурсов и систем контроля загрязнения окружающей среды.
Это специалист по созданию новых лекарственных биопрепаратов с заданными свойствами, которые смогут заменить искусственно синтезированные лекарства.
Это специалист по внедрению генно-модифицированных культур в сельском хозяйстве, занимающийся также и внедрением биотехнологических решений и получением результата с заданными свойствами, которые могут быть самыми разными: высокая урожайность, повышенная стойкость к неблагоприятным погодным условиям и паразитам.
Это специалист по обустройству и обслуживанию агропромышленных хозяйств на крышах и стенах небоскребов и жилых домов, то есть в условиях городской застройки. Здесь могут быть как продукты питания, так и разведение домашнего скота.
Это специалист, применяющий свойства и организацию живой природы и живых организмов (в том числе и человека) для создания автоматизированных систем и усовершенствования вычислительной техники. Например, распределенные вычислительные сети на базе микроорганизмов уже сегодня решают специфические задачи, неподвластные компьютерному моделированию.