Биологические науки/11. Биоинженеия и биоинформатика

Ресенчук О.С., Капинос Д.А., Гаркушина М.М., Россихин В.В.

Национальный технический университет «ХПИ», г. Харьков

ВИДЫ И НАПРАВЛЕНИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАУКИ

Биотехнология как наука является важнейшим разделом современной биологии, которая, как и физика, стала в конце XX в. одним из ведущих приоритетов в мировой науке и экономике.
По прогнозам, в 21 века биотехнологические товары будут составлять четверть всей мировой продукции.         В нашей стране значительное расширение научно-исследовательских работ и внедрение их результатов в производство также было достигнуто в 80-е годы. В этот период в стране была разработана и активно осуществлялась первая общенациональная программа по биотехнологии, были созданы межведомственные биотехнологические центры, подготовлены квалифицированные кадры специалистов-биотехнологов, организованы биотехнологические лаборатории и кафедры в научно-исследовательских учреждениях и вузах. Что касается более современных биотехнологических процессов, то они основаны на методах рекомбинантных ДНК, а также на использовании иммобилизованных ферментов, клеток или клеточных органелл. Современная биотехнология — это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных биологических объектов для интенсификации производства или получения новых видов продуктов различного назначения. Можно выделить 3 основных направления биотехнологической науки:

1. Промышленная биотехнология

Красная биотехнология (медицина) считается важнейшей сферой использования биотехнологий. Биотехнологический метод играет все большую роль для разработки новых медикаментов (например, для лечения рака). Биотехнологии имеют большое значение также для осуществления диагностики (чипы ДНК, биосенсоры

Зеленая биотехнология используется в сфере современной селекции растений. С помощью биотехнологических методов разрабатываются эффективные средства противодействия против насекомых, грибков, вирусов и гербицидов. Особое значение для сферы зеленой биотехнологии имеет генная инженерия. Она создает предпосылки для переноса определенных генов одного вида на другие растения и влияет, таким образом, на развитие соответствующих устойчивых свойств и характеристик.

Серая биотехнология применяется в сфере охраны окружающей среды. Биотехнологические методы используются для санации почв, очистки канализационных стоков, отработанного воздуха и газов, а также для переработки отходов.

Белая биотехнология охватывает сферу применения биотехнологий в химической промышленности. В задачи белой биотехнологии входят эффективное и безопасное для окружающей среды производство таких субстанций, как алкоголь, витамины, аминокислоты, антибиотики и ферменты.

Синяя биотехнология специализируется на техническом применении организмов и процессов морской биологии. В центре исследований находятся биологические организмы Мирового океана.

2. Клеточная инженерия: 1.Получение гибридов. 2. Составление генетических карт.3. «Гибридные» клетки. 4. Изучение клеточных механизмов. 5. Клонирование.

Начало клеточной инженерии относят к 1960-м гг., когда возник метод гибридизации соматических клеток. Соматическую гибридизацию, т. е. получение гибридов без участия полового процесса, проводят, культивируя совместно клетки различных линий одного вида или клетки различных видов.

С помощью гибридных клеток, полученных от клеток человека и мыши и человека и китайского хомячка, была проделана важная для медицины работа по картированию генов в хромосомах человека. Гибриды между опухолевыми клетками и нормальными клетками иммунной системы (лимфоцитами) – т. н. гибридомы – обладают свойствами обеих родительских клеточных линий. Подобно раковым клеткам, они способны неограниченно долго делиться на искусственных питательных средах (т. е. они «бессмертны») и, подобно лимфоцитам, могут вырабатывать моноклональные (однородные) антитела определённой специфичности. Такие антитела применяют в лечебных и диагностических целях, в качестве чувствительных реагентов на различные органические вещества и т. п.

Другое направление клеточной инженерии – манипуляции с безъядерными клетками, свободными ядрами и другими фрагментами, сводящиеся к комбинированию разнородных частей клетки. Эти эксперименты, а также микроинъекции в клетку хромосом, красителей и т. п. проводят для выяснения взаимных влияний ядра и цитоплазмы, факторов, регулирующих активность генов, и т. п.

Путём соединения клеток разных зародышей на ранних стадиях их развития выращивают мозаичных животных, или химер, состоящих из двух различающихся генотипами видов клеток. С помощью таких экспериментов изучают процессы дифференцировки клеток и тканей в ходе развития организма.

Ведущиеся уже не одно десятилетие опыты по пересадке ядер соматических клеток в лишённые ядра (энуклеированные) яйцеклетки животных с последующим выращиванием зародыша во взрослый организм с кон. 20 в. получили широкую известность как клонирование животных.
3. Генная инженерия. 1. Повышение продутивности микрооргинизмов.2. Новые источники практически всех полезных веществ. 3. Трансгенные организмы.

Родившись в начале 70-х годов, она добилась сегодня больших успехов. Методы генной инженерии преобразуют клетки бактерий, дрожжей и млекопитающих в "фабрики" для масштабного производства любого белка. Это дает возможность детально анализировать структуру и функции белков и использовать их в качестве лекарственных средств. В настоящее время кишечная палочка стала поставщиком таких важных гормонов как инсулин и соматотропин. Цель прикладной генетической инженерии заключается в конструировании таких рекомбинантных молекул ДНК, которые при внедрении в генетический аппарат придавали бы организму свойства, полезные для человека. Например, получение «биологических реакторов» - микроорганизмов, растений и животных, продуцирующих фармакологически значимые для человека вещества, создание сортов растений и пород животных с определёнными ценными для человека признаками. Методы генной инженерии позволяют провести генетическую паспортизацию,  диагностировать генетические заболевания,  создавать  ДНК-вакцины, проводить генотерапию различных заболеваний.

Технология рекомбинантных ДНК использует следующие методы:

1. Специфическое расщепление ДНК рестрицирующими нуклеазами, ускоряющее выделение и манипуляции с отдельными генами;

2. Быстрое секвенирование всех нуклеотидов очищенном фрагменте ДНК, что позволяет определить границы гена и аминокислотную последовательность, кодируемую им;

3. Конструирование рекомбинантной ДНК;

4. Гибридизация нуклеиновых кислот, позволяющая выявлять специфические последовательности РНК или ДНК с большей точностью и чувствительностью, основанную на их способности связывать комплементарные последовательности нуклеиновых кислот;

5. Клонирование ДНК: амплификация in vitro с помощью цепной полимеразной реакции или введение фрагмента ДНК в бактериальную клетку, которая после такой трансформации воспроизводит этот фрагмент в миллионах копий;

6. Введение рекомбинантной ДНК в клетки или организмы.