Современные биотехнологии. Генная инженерия

Общие сведения о биотехнологиях

Технологии использования живых организмов и биологических процессов для производства и переработки различных продуктов называются биотехнологиями.

Некоторые биотехнологические процессы известны с древних времен и использовались в хлебопечении, приготовлении уксуса, сыра, различных способах переработки кожи и растительных волокон. Много столетий назад началось производство алкогольных напитков.

Появление термина “биотехнологии” относится к 70-м годам прошлого столетия и связано с успехами молекулярной генетики. Современные биотехнологии основаны главным образом на культивировании микроорганизмов (бактерий и микроскопических грибов), животных и растительных клеток. Используя микробиологический синтез, получают кормовые и пищевые белки, ферменты, аминокислоты, антибиотики, витамины и др. Новое развитие получили биотехнологии с созданием генной инженерии. С применением генных технологий и естественных биоорганических материалов синтезируются биологически активные вещества – гормональные препараты и соединения, стимулирующие иммунитет. С помощью методов генетической инженерии получены бактерии, продуцирующие в промышленных масштабах интерферон, инсулин, гормон роста человека. Культуры растительных клеток используются для получения медицинских препаратов, селекции растений с нужными свойствами.

Развитие биотехнологий необходимо для обеспечения населения продовольствием, минеральными ресурсами, энергией. Разрабатываются и внедряются биологические методы очистки воды.

Генная инженерия

Генная технология включает методы молекулярной биологии и генетики, связанные с целенаправленным конструированием новых, не существующих в природе сочетаний генов. Генная инженерия возникла в начале 70-х годов XX века и называлась тогда технологией рекомбинантных ДНК. В ее основе лежит извлечение из клеток организма гена или группы генов, кодирующих нужный признак, и соединение их с молекулами ДНК, способными проникать в клетки другого организма и размножаться в них. Основная цель генной инженерии – видоизменить ДНК, закодировав ее для производства белка с нужными свойствами. На начальной стадии развития генных технологий был получен ряд биологически активных соединений – инсулин, интерферон и др. Современные генные технологии объединяют химию нуклеиновых кислот и белков, микробиологию, генетику, биохимию и открывают новые пути решения многих проблем генетики, медицины и сельского хозяйства.

Заданные операции с фрагментами ДНК позволяют производить два вида белков: ферменты рестриктазу и ДНК-лигазу. Первый выполняет функцию катализатора при расщеплении ДНК на определенные фрагменты нуклеотидов, а другой катализирует объединение двух фрагментов ДНК.

ДНК-лигаза может встроить в ДНК чужеродный фрагмент. Чужеродный фрагмент вырезается из молекулы донора ДНК. ДНК, в которую встраивается чужеродный фрагмент, называется плазмидой. Образовавшийся продукт называется рекомбинантной ДНК.

С помощью рекомбинантной ДНК можно синтезировать разнообразные гены и вводить их в клоны (колонии идентичных организмов) для направленного синтеза белков. Способность рекомбинантной ДНК управлять синтезом белков расширяет область применений микроорганизмов в биотехнологии. Появляется возможность сравнительно недорого производить многие природные ферменты. Открываются пути совершенствования технологии получения биокатализаторов, не существующих в природе.

Изменения в структуре и содержании современной биотехнологии, связанные с применением методов генетической инженерии, можно кратко сформулировать следующим образом:

1 Существенно повысилась продуктивность промышленных микроорганизмов – продуцентов ряда классических продуктов: аминокислот, ферментов и других путем введения дополнительных генов, увеличения их количества и активности.

2 Удалось изменить питательные потребности микроорганизма. Можно сказать, что микроорганизмы заставили есть то, что дают.

3 Микроорганизмы научили синтезировать несвойственные вещества, тем самым увеличилось разнообразие биотехнологической продукции.

4 Подверглась пересмотру вся логика селекции микроорганизмов – продуцентов. Ранее ученые искали активный штамм и создавали под него конкретную технологию. В настоящее время берут приспособленный к условиям производства штамм и вводят генную конструкцию, которая обеспечивает синтез целевого продукта.