Биотехнология • большая российская энциклопедия

Биотехнологии в сельском хозяйстве

Защита растений от вредителей

В середине XX века стали широко применять пестициды — химические вещества, которые уничтожают насекомых-вредителей, сорняки, возбудителей болезней растений. Самый знаменитый из них — ДДТ.

Со временем выяснилось, что многие пестициды вредны для животных и человека. Например, ДДТ сохраняется в окружающей среде в течение 20 лет. Ещё и накапливается в жировой ткани многих организмов.

Благодаря биотехнологиям появились новые средства для защиты растений. Например, препараты, полученные с помощью бактерий Bacillus thuringiensis, эффективны против листогрызущих вредителей. Производственные штаммы этих бактерий синтезируют токсин, который попадает в кишечник насекомых и уничтожает их. Для человека и животных этот штамм безопасен.

Эффект токсина бактерии Bacillus thuringiensis. На нижней тарелке листья арахиса защищены токсином Bacillus thuringiensis от вредителей. На верхней тарелке листья без защиты повреждены личинкой насекомого

Вещества, синтезируемые микроскопическими грибами Beauveria bassiana и Verticillium lecanii смертельны для насекомых-вредителей. Их используют в борьбе с личинками колорадского жука на картофеле.

Производство кормов для животных

Микроорганизмы накапливают много легкоусваиваемого белка, витамины и микроэлементы. Выращивание дрожжей и бактерий не требует больших полей и сложных технологий. Поэтому существуют корма на основе самих микроорганизмов.

Например, водоросль хлорелла продуцирует белки, углеводы, жиры и витамины. Изменение среды, на которой растёт хлорелла, регулирует количество белка, жиров и углеводов, которое она накопит. Поэтому хлореллу используют в качестве пищевой добавки к рациону сельскохозяйственных животных и птиц. Кроме того, она повышает плодородие почв и всхожесть семян.

Культура хлореллы в лаборатории

С помощью молочнокислого брожения консервируют корма для животных, этот процесс называется силосование.

Слайд 1ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯЛекции – 26 часов, лабораторные занятия – 12 часов, УСР

– 2 часаЭкзаменЛитература: Кузнецов А.Е. Научные основы экобиотехнологии. Учеб. пособие для студентов / А.Е. Кузнецов, Н.Б. Градова. – М.: Мир, 2006. Прикладная экобиотехнология: учеб. пособие: в 2 т. / А.Е. Кузнецов . – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. Волова Т.Г. Экологическая биотехнология: учеб. пособие для университетов / Т.Г. Волова. – Новосибирск: Хронограф, 1997.Экологическая биотехнология / под ред. К. Форстера, Д. Вейза. – Л.: Химия, 1990. Glazer A.N. Microbial biotechnology: fundamentals of applied microbiology / A.N. Glazer, H. Nikaido. – Cambridge University Press, 2007. Егорова Т.А. Основы биотехнологии: Учеб. пособие для высших педагогических учебных заведений / Т.А. Егорова, С.М. Клунова, Е.А. Живухина. – М.: Изд. центр «Академия», 2003. Волова, Т.Г. Биотехнология / Т.Г. Волова. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2002.

Земледелие

Применение человеком методов биотехнологии в сельском хозяйстве успешно решает целый ряд вопросов:

создание болезнестойких и высокоурожайных сортов растений;
производство удобрений на основе бактерий (нитрагин, агрофил, азотобактерин и др.), в том числе компосты и сброженные (метановое брожение) отходы животноводства;
разработка безотходных технологий для сельского хозяйства.

Растениям в природе необходим азот, но усваивать азот из воздуха они не способны, а вот некоторые бактерии, клубеньковые и цианобактерии, в природе производят около 90% от общего числа связанного азота, обогащая им почву.

В сельском хозяйстве используют растения, содержащие на свои корнях клубеньковые бактерии:

люцерна;
люпин;
горох;
бобовые культуры.

Эти культуры используют в севообороте для обогащения почвы азотом.

Для борьбы с болезнетворными микроорганизмами в растениеводстве вместо фунгицидов используют пробиотики.

Биотехнология при участии генно-инженерных разработок предлагает для борьбы с патогенными микроорганизмами использовать бактерии с нужными свойствами, способные подавить рост патогенных микробов и не имеющие побочных негативных действий.

К ним относятся элитные штаммы бактерий Bacillus subtilis и Licheniformis, полученные в результате направленной селекции. Попадая в организм растения или животного, элитные штаммы микроорганизмов начинают быстро размножаться и подавляют патогенную микрофлору.

Элитные штаммы, как и антибиотики, нейтрализуют вредные микроорганизмы, но не имеют их негативных сторон:

не возникает зависимость или привыкание;
не происходит накопление в организме ядов или токсинов;
не вырабатывается иммунитет.

Применение в сельском хозяйстве пробиотиков успешно в отношении более 70 патогенных микроорганизмов, вызывающих заболевания растений, включая ранее не подлежащие лечению совсем. Помимо этого, элитные штаммы благотворно воздействуют на вегетацию растений в целом:

созревание плодов требует меньшего времени;
значительно уменьшается содержание в плодах нитратов и других токсинов;
сокращается необходимость в минеральных подкормках растений.

Регенеративная медицина

Регенеративная медицина занимается разработкой решений по замене утраченных тканей и органов или ускорению их заживления.

«Красная» биотехнология использует стволовые клетки, превращая их в другие клетки со специализированной функцией — нервные или сердечные, печени или крови. Стволовые клетки происходят от эмбриона и из взрослых тканей, например костного мозга или жира. Обычные взрослые клетки можно перепрограммировать в стволовые7.

Один из методов восстановления тканей — биопринтинг. Стволовые клетки размещают на натуральном или синтетическом материале. Для создания объёмной ткани используют оборудование для 3D-печати. В напечатанной ткани стимулируют образование сосудов и нервов, добавляя факторы роста и клетки-предшественники8.

Трансплантация продуктов биопринтинга направлена на ускорение заживления при значительной потере ткани, как в случае серьёзной травмы кости. У хряща ограниченная способность к восстановлению, поэтому печатная версия может стать подходящей заменой разрушенному. Проводятся исследования в области печати кожи, нервной ткани, клеток печени9.

Что такое биотехнология?

Многие будут удивлятьсячто такое биотехнология«Ну, это очень просто, поскольку это тип технологии, основанный на сложных химических методах, которыми обладает природа, сочетающий в себе принципы человеческой науки, которая помогает этому виду в его повседневной жизни. Точно так же это имеет большое значение во многих областях, являясь основным источником его реализации для производства лекарственных средств, а также производства продуктов питания, пригодных для употребления и не наносящих серьезного вреда здоровью. здоровье.

Точно так же этот термин имеет несколько своеобразную структуру в своем названии, поскольку термин «Биотехнология» происходит от 3-х древнегреческих словосочетаний, устанавливающих в своем сочетании второе представление об этой великой науке, которая ежедневно спасает жизни, а также сохраняет безопасная для окружающей среды и человеческий вид с максимально возможным качеством жизни. Эта концепция описывает биотехнологию как науку, специализирующуюся на изучении научных навыков природы и их воздействия на людей для их выживания.

Упомянутая наука может быть использована для улучшения или изменения генетики многих живых существ, при этом животные и растения в наибольшей степени затронуты в этой области, поскольку некоторые продукты тестируются на животных и биохимические вещества на людях полностью запрещены. С другой стороны, эти действия имеют некоторые ограничения, поскольку некоторые законы о защите животных осуждают любого человека, который с помощью химических тестов причиняет вред животному.

Важно отметить, что этот термин был установлен в 1919 году в книге под названием «Биотехнология в мясном и молочном производстве», написанной великим венгерским инженером-агрономом по имени «Кароли Эреки», заложившим в этом письме первые принципы этой науки. , с целью улучшения процессов, связанных с производством мясных продуктов, таких как получение молока и его производных

Эти принципы все еще используются сегодня, в дополнение к тому, что они претерпели множество изменений в пользу природы.

В 1992 году несколько стран мира пришли к единому мнению для формирования специального соглашения, которое называется «Конвенция о биологическом разнообразии», вступающего в силу немедленно, для защиты всех видов, составляющих окружающую среду нашей планеты. Кроме того, это соглашение стало основной основой для создания правовых рамок для защиты животных и прекращения злоупотреблений со стороны предприятий, которые вредным образом использовали животных для тестирования всей своей продукции.

С другой стороны, договор смягчает многие действия, связанные с модификацией широко известной «дезоксирибонуклеиновой кислоты», также известной как «ДНК», в отношении смешивания пород животных химическими средствами, клонирования животных или любых генетических изменений. , что подразумевает сочетание как устранение некоторого участка в составе ДНК. Кроме того, использование кислот природного происхождения, таких как плавление, также координируется и контролируется соглашением, чтобы эти процессы не наносили вреда окружающей среде.

В настоящее время использование этой отрасли науки распространено, так как с развитием техники стало возможным наблюдать случаи клонирования животных, не имевших повреждений, изменяющих их физическую, психическую или генетическую целостность, а также для создания лекарственных средств, которые являются основным решением болезней, которые могут поразить человека, возвращая его в оптимальное здоровое состояние. Наконец, эта наука внесла большой вклад в пользу природы, получив наиболее широкое признание под названием «Переработка отходов».

Значение энзимов

Ферменты (энзимы) – биокатализаторы процессов, увеличивающие скорость протекания реакции в порядки раз в сравнении с химическими катализаторами. Под действием ферментов выход продукции составляет почти 100%, при этом сами ферменты в процессе реакции не расходуются.

Естественным источником ферментов в природе являются бактерии и дрожжи, известно более 3000 ферментов.

Все энзимы по способу получения делят на 2 группы:

внеклеточные;
внутриклеточные.

Ферменты часто применяются человеком на производствах:

пищевом;
фармацевтическом;
кожевенном;
текстильном;
химическом;
в сельском хозяйстве.

Основные виды и термины

Биотехнология — это наука создания различных веществ путем использования биологически естественных компонентов. Фактически это манипулирование животными и растительными клетками для получения нужных результатов.

Сегодня, в век компьютерных технологий, биотехнология сделала существенный шаг вперёд. На различных факультетах в университетах и в лабораторных условиях проводятся многочисленные изыскания, основная цель которых заключается в том, чтобы создать действенные лекарства и существенно упростить жизнь человека. Основными направлениями, задачами и темами этой науки являются:

биомедицина;
биоинженерия;
гибридизация.

В биоинженерии изучают различные области медицины, а также влияние клеток и наследственных факторов с генами на развитие заболеваний. Это направление позволяет не только разработать суперсовременные технологии лечения различных патологий, но и предупреждает возникновение тяжелых болезней, которых можно было избежать путем редактирования ДНК.

Специализация биомедицина — это узкоспециализированный раздел медицинских знаний, объектом которого являются патологические состояния, строение тела человека и возможности коррекции различных болезней. В эту дисциплину также включается наномедицина, в которой жизнедеятельность биологических видов изучается на молекулярном уровне.

Высшим достижением биотехнологии считается генная инженерия, под которой понимают совокупность технологий и знаний получения ДНК и РНК. Это управление генами живых существ и растений, что позволяет получать заданные свойства у клеток. Например, ученые со специальностью биология планируют с помощью технологии исправления генома человека решать проблемы с различными онкологическими заболеваниями.

Также к этому разделу науки относится клонирование, что позволяет за счет использования специальных технологий получать идентичные генетические организмы, выведенные вегетативным бесполым размножением. На сегодняшний день клонированы были не только растения, но и десятки видов животных, в том числе лошади, кошки, собаки и овцы. Технологически возможно даже копирование человека, однако нормативная база и нравственные аспекты не позволяют людям этой профессии заниматься такой работой.

Слайд 27антибиотики (Penicillium spp.); гиббереллины и цитокинины (Fusarium spp., Botrytis spp.); каротиноиды

(астаксантин, Rhaffia rhodozima,); белок (Candida, Saccharomycopsis lipolytica); спирты (Saccharomyces cerevisiae, Kluyveromyces fragilis); сыры типа рокфор и камамбер (Penicillium spp.); соевый соус (Aspergillus oryzae).

ГРИБЫ

ПРОСТЕЙШИЕ

Противоопухолевые препараты круцин и трепаноза (Trypanosoma (Schizotrypanum cruzi)), астазилид (Astasia longa), парамилон (Astasia spp., Euglena spp.).Потенциальные продуценты белка и гетерополисахаридов.

кормовой и пищевой белок (Chlorella spp., s Scenedesmuspp);пищевые и витаминные добавки (Ulva spp., Porfira spp., Undaria spp., Rhodimenia spp., Alaria spp.);глицерол (Dunaliella bardawil)

ВОДОРОСЛИ

Биотехнология в области медицины

Применение биотехнологии играет важную роль в области медицины, например в производстве антител, вакцин, антибиотиков и гормонов.

антибиотики

Производство антибиотиков входит в сферу применения биотехнологии. Антибиотики — это соединения, вырабатываемые микроорганизмами для подавления роста других микроорганизмов.
Микроорганизмы используемые в качестве продуктов антибиотиков: грибы Цефалоспориаз (Chepalosporium) в производстве антибиотика цефалоспорин для уничтожения бактерий;

бактерия Стриптомецеты (Streptomyces griseus) производит антибиотик стрептомицин для уничтожения бактерий, устойчивых к антибиотику пенициллину и цефалоспоринам;
грибы Пеницилл (Penicillium) производят антибиотик пенициллин для борьбы с инфекцией, вызванной стафилококком.
интерферон

Интерферон — это белок, который естественным образом образуется иммунными клетками, например белками крови и фибробластами. Коммерчески интерферон производится по технологии рекомбинантной ДНК. Интерфероны модулируют реакцию иммунной системы на атаку вируса, бактерий, рака и других чужеродных элементов. Интерфероны непосредственно не убивают клетку-вирус, но интерфероны повышают реакцию иммунной системы на рост раковых клеток. Другими словами, интерферон — это белковое соединение, способное стимулировать защиту человеческого организма для борьбы с болезнетворными микробами.

производство вакцины

Вакцины, используемые для предотвращения нападения болезни на организм, получают из микроорганизмов. Вакцина может быть получена из вирусов и бактерий, которые были ослаблены или токсинов, которые были взяты из этих микроорганизмов.

производство антител

Производство антител с использованием принципа слияния протоплазмы. Слияние протоплазмы происходит путем объединения двух клеток из одной и той же ткани или из клеток организма, которые различаются в электрическом поле. Слияние производит клетки, которые могут производить антитела.
Антитело может быть использовано для обнаружения гормона гонадотропина в моче беременных женщин. Таким образом, антитела могут быть использованы для определения беременности. Это свойство также можно использовать для раннего обнаружения и уничтожения раковых клеток.

производство гормонов

Путем разработки ДНК используют микроорганизмы для производства гормона. Гормон-это биологически активное вещество поступающее в кровь и выполняющее сигнальные функции: гормон роста, кортизон, тестостерон.

Плюсы и минусы ГМО (генетически модифицированный организм)

Использование человеком в повседневной жизни генно-модифицированных бактерий и дрожжей для получения измененных организмов имеет как положительные, так и отрицательные стороны.

К плюсам генно-модифицированных организмов относят:

производство любых органов для трансплантации, которые не будут отторгаться;
производство исходного материала для биотоплива;
производство лекарственных препаратов;
создание растений для технических целей (производство тканей и т.д.).

Известные минусы генно-модифицированных продуктов:

себестоимость генно-модифицированных овощей и фруктов почти на 30% выше натуральных;
семена и плоды ГМ-растений нежизнеспособны;
поля с ГМ-посадками требуют повышенного количества пестицидов и гербицидов;
культурные ГМ-растения способны производить гибриды с дикими растениями.

Бактерии вырабатывают энергию, добывают полезные ископаемые, очищают воду и почву – недавно обнаружены бактерии, поедающие даже пластиковые пакеты (!) – катализируют производственные процессы, используются в синтезе фармацевтических препаратов и во многих других сферах жизни человека.

Биотехнология в сельском хозяйстве

Применение биотехнологии широко задействовано в области сельского хозяйства с использованием метода рекомбинации ДНК. Этот процесс осуществляется для удаления высших генов из одного организма в другой через посредство микроорганизмов. Это применение можно увидеть из процесса получения рекомбинантной ДНК.

выращивание растений с улучшенным содержанием элемента азота

Азот (N2) — это важнейшие элементы белка, ДНК и РНК. У бобовых растений обнаруживаются клубеньки на его корнях. В этих клубеньках живут бактерии Ризобии, которые могут связывать свободный азот из воздуха, поэтому растения бобовых культур могут покрывать потребности в самом азоте.
С помощью применения биотехнологии исследователи пытаются разработать так, чтобы бактерии Ризобии жили в корнях многих культур. Это улучшит способность бактерий связывать азот с помощью метода рекомбинации генов. Эти меры направлены на сокращение или ликвидацию использования азотных удобрений, которые в настоящее время широко применяются на сельскохозяйственных землях и вызывают неблагоприятные побочные эффекты.

помогают растениям в устойчивости к вредителям

Растения, устойчивые к вредителям, могут быть созданы с помощью генной инженерии с рекомбинацией генов и культивированием клеток. Например, чтобы получить урожай картофеля без иммунных заболеваний необходимы гены, определяющие природу иммунного заболевания. Из этих генов вырастают картофельные растения, устойчивые к болезням. Эти растения картофеля затем можно размножать и распространять. Питание растений при этом происходит в обычном порядке.

выращивание риса

Рекомбинантная технология ДНК может быть использована для получения трансгенных растений риса. Они способны вырабатывать полезный белок и устойчивость к холодам. Получить рисовые растения, устойчивые к холоду, можно путем введения в хромосомы рисового растения генов, устойчивых к холоду больше, чем у животных, живущих в холодных местах.

хлопковое растение против насекомых

Введение в посев хлопчатника методом рекомбинантной ДНК особого белка. Этот белок вступит в реакцию с ферментами, вырабатываемыми желудком насекомого. Эти реакции превращают фермент в яд. Таким образом, насекомые, питающиеся такими растениями, будут отравляться и погибать.

цветы не увядают, а плоды устойчивы к гниению

Гормон, вызывающий увядание цветов, — это этилен. Увядание на цветках происходит из-за наличия гена, чувствительного к короне цветков. Если ген был заменен на гены, которые менее чувствительны,то завядание цветков может задержаться. С помощью этого метода были разработаны трансгенные гвоздики, способные выживать свежими в течение 3 месяцев. В то время как гвоздики обычно цветут только 3 дня.

Гормон этилен также стимулирует созревание плодов. Если активность гена, продуцирующего этилен, будет подавлена с помощью генной инженерии, то плод будет оставаться свежим в течение длительного времени. Например, помидор Флавр Савр, который выдерживает гниль.

Слайд 13БИОТЕХНОЛОГИЯ В МЕДИЦИНЕВакцины живые, «убитые», «химические» обезвреженные токсиныАнтибиотики 1929 г. –

А. Флеминг открыл пенициллин, 1938 г. – Г. Флори и Э. Чейн выделили пенициллин в чистом кристаллическом виде, 1940-1950 гг. – с помощью пенициллина спасены жизни более 15 млн человек Витамины синтез витаминов В2, В12, одна из стадий синтеза витамина СИнсулинГормон роста (соматотропин)10 чел на 1 млн населения — карликиИммуномодуляторы (интерферон, интерлейкины)Иммунодепресанты (циклоспорин А)Кровезаменители (полиглюкин)Стероидные гормоныМедицинские ферменты (лизоцим, стрептокиназа, β-галактозидаза, протеаза, L-аспарагиназа)Коферменты (инозин, рибоксин, убихинон)

Биотехнология значение в современном мире

Биотехнология имеет огромное значение в современном мире, предоставляя нам возможности для решения множества проблем и улучшения нашей жизни. В России она становится все более значимой и привлекательной сферой для изучения и карьеры.

Одной из главных областей, где биотехнология играет важную роль, является медицина. С ее помощью мы можем разрабатывать новые и более эффективные лекарства, предотвращать и лечить болезни, а также создавать инновационные методы диагностики и лечения. Биотехнологические разработки, такие как генная терапия и инженерия тканей, открывают новые горизонты для борьбы с раком, генетическими заболеваниями и другими тяжелыми патологиями.

В сельском хозяйстве биотехнология позволяет увеличить урожайность и качество сельскохозяйственных культур, а также создавать растения, устойчивые к болезням и вредителям. Это помогает обеспечивать население продуктами питания, улучшает экологическую устойчивость и снижает негативное воздействие на окружающую среду.

Биотехнология также находит применение в промышленности. Например, она может быть использована для производства биологически разлагаемых материалов, биопластиков и биодизельного топлива. Это способствует снижению использования нефти и минимизации негативного воздействия на природные ресурсы.

Благодаря биотехнологии мы также можем более эффективно использовать природные ресурсы и решать проблемы экологического загрязнения. Биоразлагаемые материалы и методы очистки окружающей среды на основе биотехнологии способствуют сохранению природы и созданию более чистой и здоровой среды для нас и будущих поколений.

Понимание и изучение биотехнологии предоставляют широкий спектр возможностей для тебя в будущем.

Биотехнология в современной медицине

Биотехнология, как наука, зарекомендовала себя в конце ХХ века, а именно в начале 70-х годов. Все началось с генетической инженерия, когда ученые смогли перенести генетический материал из одного организма к другому без осуществления половых процессов. Для этого была использовано рекомбинантная ДНК или рДНК. Такой метод применяется для изменения или улучшения определенного организма.

Чтобы создать молекулу рДНК нужно:

извлечь молекулу ДНК из клетки животного или растения;
обработать изолированную клетку и плазмиду, а затем смешать их;
затем, измененная плазмида переносится в бактерию, а та в свою очередь приумножает копии информации, что были внесены в нее.

Медицинские биотехнологии подразделяются на 2 большие группы:

Диагностические, которые, в свою очередь, бывают: химическими (определение диагностических веществ и параметров обмена); физическими (определение физических полей организма);
Лечебные.

К медицинской биотехнологии относят такие производственные процессы, в ходе которых создаются биообъекты или вещества медицинского назначения. Это ферменты, витамины, антибиотики, отдельные микробные полисахариды, которые могут применяться как самостоятельные средства или как вспомогательные вещества при создании различных лекарственных форм, аминокислоты.

Так, методы биотехнологий применяются:

для производства человеческого инсулина путем использования генно-модифицированных бактерий;
для создания эритропоэтина (гормона, стимулирующего образование эритроцитов в костном мозге.

Медицинская генетика в будущем сможет не только предотвращать появление на свет неполноценных детей путем диагностирования генетических заболеваний, но и проводить пересадку генов для решения существующей проблемы.

Биотехнология в будущем даст человечеству огромные возможности не только в медицине, но и в других направлениях современных наук.