Биотехнология и сельское хозяйство

10

Министерство образования Российской Федерации

Сибирский Государственный Технологический Университет

Кафедра Физиологии

РЕФЕРАТ

На тему: Биотехнология.

Выполнил: Студент гр.32-6

Мулява Владимир Валерьевич             

Проверила:Сунцова Людмила Николаевна

Красноярск 2001г.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

БИОТЕХНОЛОГИЯ  НА СЛУЖБЕ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА, ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И НАУКИ

1. Биотехнология и сельское хозяйство

Биотехнология и растениеводство

Биотехнология и животноводство.

2. Технологическая биоэнергетика

Получение этанола как топлива.

Получение метана и других углеводородов.

Получение водорода как топлива будущего.

Пути повышения эффективности фотосинтетических систем.

Биотопливные элементы.

3. Биотехнология и медицина

Антибиотики.

Гормоны.

Интерфероны, интерлейкины, факторы крови.

Моноклокальные антитела и ДНК-или РНК-пробы.

Рекомбинантные вакцины и вакцины-антигены.

Ферменты медицинского назначения.

4. Биотехнология и пищевая промышленность

5. Биогеотехнология

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список используемой литературы.

ВВЕДЕНИЕ

С древних времен известны отдельные биотехнологические процессы, используемые в различных сферах практической дея­тельности человека. К ним относятся хлебопечение, виноделие, приготовление кисло-молочных продуктов и т. д. Однако биоло­гическая сущность этих процессов была выяснена лишь в XIX в., благодаря работам Л. Пастера. В первой половине XX в. сфера приложения биотехнологии пополнилась микробиологическим производством ацетона и бутанола, антибиотиков, органических кислот, витаминов, кормового белка.

Немаловажный вклад в биотехнологические разработки внесли советские исследователи: в СССР в 30-е годы были построены первые заводы по получению кормовых дрожжей на гидролизатах древесины, сельскохозяйственных отходах и сульфитных щелоках, под руководством В. Н. Шапошникова успешно внедрена технология микробиологического производства ацетона и бутанола. Большую роль в создание основ отече­ственной биотехнологии внесло учение Шапошникова о двухфаз­ном характере брожения. В 1926 г. в СССР были исследованы биоэнергетические закономерности окисления углеводородов микроорганизмами. В последующие годы биотехнологические разработки широко использовались в нашей стране для расши­рения «ассортимента» антибиотиков для медицины и животно­водства, ферментов, витаминов, ростовых веществ, пестицидов.

С момента создания в 1963 г. Всесоюзного научно-исследо­вательского института биосинтеза белковых веществ в на­шей стране налаживается крупнотоннажное производство бога­той белками биомассы микроорганизмов как корма. В 1966 г. микробиологическая промышленность была выделена в отдель­ную отрасль (Главное управление микробиологической промыш­ленности при Совете Министров СССР — Главмикробиопром). Имеются ценные разработки по получению новых источников энергии биотехнологическим путем (технологическая биоэнерге­тика), отметим большое значение биогаза - заменителя топлива, получаемого из недр земли.

Значительные успехи, достигнутые во второй половине XX в. в фундаментальных исследованиях в области биохимии, био­органической химии и молекулярной биологии, создали предпо­сылки для управления элементарными механизмами жизнедея­тельности клетки, что явилось мощным импульсом для развития биотехнологии. Выяснение роли нуклеиновых кислот в передаче наследственной информации, расшифровка генетического кода, раскрытие механизма индукции и репрессии генов, совершен­ствование технологии культивирования микроорганизмов, клеток и тканей растений и животных позволили разработать методы

генетической и клеточной инженерии, с помощью которых можно искусственно создавать новые формы высокопродуктивных орга­низмов. Генетическая и клеточная инженерия рассматривается как принципиально новое направление биологической науки, которое сегодня ставят в один ряд с расщеплением атома, прео­долением земного притяжения и созданием средств электроники (Ю. А. Овчинников, 1985).

В разработку генноинженерных методов советские исследова­тели включились в 1972 г. Следует указать на успешное осу­ществление проекта «Ревертаза» — получение в промышленных масштабах обратной транскриптазы в СССР.

С 1970 г. в нашей стране ведутся интенсивные исследования по селекции культур для непрерывного культивирования в про­мышленных целях.

Развитие методов для изучения структуры белков, выяснение механизмов функционирования и регуляции активности фермен­тов открыли путь к направленной модификации белков и привели к рождению инженерной энзимологии. Иммобилизованные фер­менты, обладающие высокой стабильностью, становятся мощным инструментом для осуществления каталитических реакций в раз­личных отраслях промышленности.

Все эти достижения поставили биотехнологию на новый уро­вень, качественно отличающийся от прежнего возможностью сознательно управлять клеточными процессами. В современном звучании биотехнология — это промышленное использование биологических процессов и агентов на основе получения высоко­эффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свойствами.

Биотехнология — междисциплинарная область научно-технического прогресса, возникшая на стыке биологических, химических и технических наук.

Биотехнологический процесс включает ряд этапов: подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование продуктов. Многоэтапность процесса обусловли­вает необходимость привлечения к его осуществлению самых различных специалистов: генетиков и молекулярных биологов, биохимиков и биооргаников, вирусологов, микробиологов и кле­точных физиологов, инженеров-технологов, конструкторов био­технологического оборудования и др.

В Комплексной программе научно-технического прогресса стран — членов СЭВ в качестве первоочередных задач биотехно­логии определены создание и широкое народнохозяйственное освоение:

— новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов для медицины (интерферонов, инсулина, гормонов роста человека, моноклональных антител и т.д.), позволяющих осуществить в здравоохранении раннюю диагностику и лечение тяжелых заболеваний — сердечно-сосудистых, злокачественных, наследственных, инфекционных, в том числе вирусных;

— микробиологических средств защиты растений от болезней и вредителей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений; новых высокопродуктивных и устойчивых к неблаго­приятным факторам внешней среды сортов и гибридов сельско­хозяйственных растений, полученных методами генетической и клеточной инженерии;

— ценных кормовых добавок и биологически активных ве­ществ (кормового белка, аминокислот, ферментов, витаминов, ветеринарных препаратов и др.) для повышения продуктивности животноводства; новых методов биоинженерии для эффективной профилактики, диагностики и терапии основных болезней сель­скохозяйственных животных;

— новых технологий получения хозяйственно ценных продук­тов для использования в пищевой, химической, микробиологи­ческой и других отраслях промышленности;

— технологий глубокой и эффективной переработки сельско­хозяйственных, промышленных и бытовых отходов, использова­ния сточных вод и газовоздушных выбросов для получения биогаза и высококачественных удобрений.

По оценкам специалистов, мировой рынок биотехнологиче­ской продукции уже к середине 90-х годов достигнет уровня 130—150 млрд. руб. (Ю. А. Овчинников, 1985).

На пути решения поставленных задач биотехнологию подсте­регают немалые трудности, связанные с исключительной слож­ностью организации живого. Любой биообъект — это целостная система, в которой нельзя изменить ни один из элементов, не меняя остальных, нельзя произвольно перекомбинировать их, придавая организму то или иное желаемое свойство, например бактерии — способность к сверхсинтезу требуемой аминокислоты, сельскохозяйственному растению — устойчивость к фитопатоген-ным грибкам. Любое воздействие на объект вызывает не только желаемые, но и побочные эффекты; перестройка генома сказы­вается сразу на многих признаках организма. У человека суще­ствуют гены, отвечающие за злокачественное перерождение клеток. Высказывалось немало идей о необходимости превентив­ных генетических операций, пока не было установлено, что эти гены необходимы и для нормального роста. Помимо этого, экосистема также представляет собой целостную систему и изме­нения каждого из ее компонентов сказываются на остальных компонентах. Не исключено, что плазмида, с помощью которой трансплантирован желаемый ген культурному растению, будет далее передаваться сорнякам. Не будет ли в результате генных манипуляций превращаться в сорняк само культурное растение?

Успехи, достигнутые в области генетической и клеточной инженерии на простейших биологических системах, прокариотных организмах, вселяют уверенность в преодолимость рассмот­ренных трудностей. Что касается более сложных систем, а имен­но эукариотных организмов, то здесь делаются лишь первые шаги, идет накопление фундаментальных знаний.

БИОТЕХНОЛОГИЯ  НА СЛУЖБЕ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА, ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И НАУКИ

Биотехнологические разработки могут внести немаловажный вклад в решение комплексных проблем народного хозяйства, здравоохранения и науки.

Для удовлетворения пищевых потребностей необходимо уве­личить эффективность растениеводства и животноводства. Имен­но на это, в первую очередь, нацелены усилия биотехнологов. Кроме того, биотехнология предлагает как источник кормового (возможно, и пищевого) белка клеточную массу бактерий, гри­бов и водорослей.

Во-вторых, повышение цен на традиционные источники энер­гии (нефть, природный газ, уголь) и угроза исчерпания их запа­сов побудили человечество обратиться к альтернативным путям получения энергии. Биотехнология может дать ценные возобнов­ляемые энергетические источники: спирты, биогенные углеводо­роды, водород. Эти экологически чистые виды топлива можно получать путем биоконверсии отходов промышленного и сельско­хозяйственного производства.

В-третьих, уже в наши дни биотехнология оказывает реаль­ную помощь здравоохранению. Нет сомнений в терапевтической ценности инсулина, гормона роста, интерферонов, факторов свер­тывания крови и иммунной системы, тромболитических фермен­тов, изготовленных биотехнологическим путем. Помимо получе ния лечебных средств, биотехнология позволяет проводить ран­нюю диагностику инфекционных заболеваний и злокачественных новообразований на основе применения препаратов антигенов, моноклональных антител, ДНК/РНК-проб. С помощью новых вакцинных препаратов возможно предупреждение инфекционных болезней.

В-четвертых, биотехнология может резко ограничить масшта­бы загрязнения нашей планеты промышленными, сельскохозяй­ственными и бытовыми отходами, токсичными компонентами ав­томобильных выхлопов и т. д. Современные разработки нацелены

на создание безотходных технологий, на получение легко раз­рушаемых полимеров (в частности, биогенного происхождения: поли--оксибутирата, полиамилозы) и поиск новых активных микроорганизмов-разрушителей полимеров (полиэтилена, поли­пропилена, полихлорвинила). Усилия биотехнологов направлены также на борьбу с пестицидными загрязнениями — следствием неумеренного и нерационального применения ядохимикатов.

Биотехнологические разработки играют важную роль в добы­че и переработке полезных ископаемых, получении различных препаратов и создании новой аппаратуры для аналитических целей.

1. Биотехнология и сельское хозяйство

Биотехнология и растениеводство

Культурные растения стра­дают от сорняков, грызунов, насекомых-вредителей, нематод, фитопатогенных грибов, бактерий, вирусов, неблагоприятных погодных и климатических условий. Перечисленные факто­ры наряду с почвенной эрозией и градом значительно снижают урожайность сельскохозяйственных растений. Известно, какие разрушительные последствия в картофелеводстве вызывает коло­радский жук, а также гриб Phytophtora — возбудитель ранней гнили (фитофтороза) картофеля. Кукуруза подвержена опустоши­тельным «набегам» южной листовой гнили, ущерб от которой в США в 1970 г. был оценен в 1 млрд. долларов.

В последние годы большое внимание уделяют вирусным за­болеваниям растений. Наряду с болезнями, оставляющими види­мые следы на культурных растениях (мозаичная болезнь табака и хлопчатника, зимняя болезнь томатов), вирусы вызывают скрытые инфекционные процессы, значительно снижающие уро­жайность сельскохозяйственных культур и ведущие к их вырож­дению.

Биотехнологические пути защиты растений от рассмотренных вредоносных агентов включают: 1) выведение сортов растений, устойчивых к неблагоприятным факторам; 2) химические сред­ства борьбы (пестициды) с сорняками (гербициды), грызунами (ратициды), насекомыми (инсектициды), нематодами (нематоциды), фитопатогенными грибами (фунгициды), бактериями, ви­русами; 3) биологические средства борьбы с вредителями, ис­пользование их естественных врагов и паразитов, а также ток­сических продуктов, образуемых живыми организмами.

Наряду с защитой растений ставится задача повышения про­дуктивности сельскохозяйственных культур, их пищевой (кормо­вой) ценности, задача создания сортов растений, растущих на засоленных почвах, в засушливых и заболоченных районах. Раз­работки нацелены на повышение энергетической эффективности различных процессов в растительных тканях, начиная от погло­щения кванта света и кончая ассимиляцией СО2 и водно-солевым обменом.

Выведение новых сор­тов растений. Традицион­ные подходы к выведению новых сортов растений — это селекция на основе гибридизации, спонтан­ных и индуцированных мутаций. Методы селекции не столь отда­ленного будущего включают гене­тическую и клеточную инженерию.

Генетическую инженерию пред­лагают использовать для выведе­ния азотфиксирующих растений. В природных услови­ях азотфиксирующие клубенько­вые бактерии, представители рода Rhizobium, вступают в симбиоз с бобовыми. Комплекс генов азотфиксации (nif) из этих или иных бактерий предлагают вклю­чить в геном злаковых культур. Трудности связаны с поиском подходящего вектора, поскольку широко используемые для подоб­ных целей Agrobacterium с плазмидами Ti и Ri не заселяют злаки. Планируют модификацию генома Agrobacterium, чтобы бакте­рия могла вступать в симбиоз со злаками и передавать им гене­тическую информацию. Другим решением проблемы могла бы быть трансформация растительных протопластов посредством ДНК. К компетенции клеточной инженерии относят создание но­вых азотфиксирующих симбиотических ассоциаций «растение — микроорганизм».