БІОТЕХНОЛОГІЯ - В. Г. Герасименко - 2006

ВСТУП

XXI століття називають «золотим сторіччям» біології. Це стосується і одного з її напрямів — біотехнології.

Біотехнологія — це напрям біології, який вивчає застосування біологічних об’єктів та хіміко-біологічних процесів з метою отримання різноманітної продукції для вирішення народногосподарських проблем.

Власне, ще з давніх часів людство використовує окремі біотехнологічні процеси у різних сферах практичної діяльності. Однак лише з 70-х років минулого сторіччя біотехнологія як самостійна наука сформувалась на базі молекулярної біології, клітинної та генетичної інженерії, широкого використання методів мікробіології, біохімії, біоорганічної хімії та інших наук. Нині нова біотехнологія є одним з пріоритетних напрямів сучасної науки, які забезпечують прискорення науково-технічного прогресу, а також дійовим засобом для подолання сировинних, продовольчих, енергетичних, екологічних та економічних проблем. її використовують при розв’язанні багатьох практичних питань, пов’язаних з підвищенням ефективності охорони здоров’я людей і тварин, збільшенням продовольчих ресурсів та забезпеченням промисловості сировиною, використанням рентабельних поновлювальних джерел енергії і організації безвідходних виробництв, зменшенням шкідливих антропогенних впливів на довкілля та в інших галузях діяльності людини.

Біотехнологія, як наука, є більш зрілим етапом у розвитку біології, яка нині і в майбутньому займатиметься створенням цілого з елементів, вивчених раніше (Глеба Ю., 2002).

Могутнім підґрунтям нової біотехнології є встановлення Ейвері О. (1944) біологічної ролі ДНК. Було доведено, що ця полімерна хімічна сполука є носієм спадкової інформації. Згодом Кріком Ф., Уотсоном Д. (1953) було зроблено епохальне відкриття: встановлено структурну організацію ДНК у вигляді подвійної спіралі. Завдяки цій події наступні кроки, що було здійснено у напрямку з’ясування біохімічних механізмів функціонування ДНК, привели до повного розуміння молекулярних основ біологічної специфічності.

Найвидатнішим досягненням біотехнології на початку нового XXI століття стало завершення створення детальної карти генома людини, що дозволить краще зрозуміти взаємозв’язок людини з іншими організмами нашої планети, збагнути, що робить людей схожими один з одним і що відрізняє нас від інших організмів, озброїть нас більш досконалими підходами для з’ясування причин виникнення хвороб і пошуку нових методів лікування.

Викликає подив той факт, що довжина послідовності нуклеотидів у ДНК людини лише втричі перевершує цей параметр у черв’яка Caenorhabditis elegans і водночас свідчить про складність механізмів контролю розвитку, які необхідно вивчити для пояснення такого складного явища, як поява людини (Дей П., 2002).

Упродовж 60 останніх років, які охоплюють час від відкриття Ейвері О., крім згаданого вище, в біології зроблено надзвичайно важливі відкриття: розроблено технологію одержання рекомбінантних молекул ДНК, яка є основою генної інженерії, гібридомну технологію, секвенування геномів бактерій, дріжджів, нематоди, рослинного організму арабідопсиса, а також людини. Зроблено перші кроки генної терапії і успішні спроби клонування тварин, конструювання штучних хромосом, розроблено умови і створено можливості для перенесення генів, що дозволяє долати видові бар’єри, які обмежують можливості класичної селекції, розшифровано структуру нуклеосоми і комплексу РНК — полімерази.

Понад 30 років тому розроблено методи локалізації генів з елементами, які контролюють експресію, а ще важливішим є розробка прийомів перенесення цих елементів будь-якому мікроорганізму або рослині, що дає можливість модифікувати організми таким чином, щоб одержати нові лінії зі зміненими властивостями, які відповідають нашим бажанням. У свою чергу, функціонування модифікованого організму дозволить отримати інформацію про поведінку в геномі конкретного гена, тобто ідентифікувати функції генів (функціональна геноміка), про взаємодію генів і контролюючих експресію цих генів послідовностей, що дає можливість використати нові властивості для забезпечення потреб людства.

Важливим досягненням, яке дозволяє здійснювати генно-інженерні маніпуляції, є відкриття ферментів, за участю яких здійснюються операції «розрізання» і «зшивання» фрагментів ДНК.

Вражаючими також є швидкість і розмах, з якими наукові дослідження трансформуються у процес одержання нових фармацевтичних препаратів або сільськогосподарських продуктів. Ліки, одержані завдяки біотехнології, наприклад, інсулін, соматотропний гормон, інтерферони або вакцина проти поліомієліту, дають можливість створення більш ефективних препаратів з меншими побічними діями, оскільки вони будуть спрямовані на специфічні молекули-мішені, які зазнали змін у процесі захворювання.

У сільському господарстві вражає швидкість сприйняття американськими фермерами генетично модифікованих (ГМ) культур сільськогосподарських рослин для виробництва продуктів харчування і підвищення їх якості. Яскравим прикладом є розробка біотехнології синтезу вітаміну А у «золотому рисі». Близько двох третин усіх продовольчих товарів торгової мережі США містять ГМ-інгредієнти. Однак у багатьох розвинених країнах (зокрема країнах ЄС) використання ГМ-продукції зустрічає сильну опозицію. Натомість діабетики, не задумуючись, використовують для лікування інсулін, одержаний завдяки модифікованим мікроорганізмам.

Використання генетичної інженерії дасть можливість отримати ГМ-рослини не тільки для виробництва продуктів харчування, але й для вирішення екологічних проблем — для очищення забруднених хімічними речовинами і токсичними металами територій (фіторемедітація) та використання ГМ-рослин як «фабрик» або «реакторів» для виробництва фармацевтичних білків (у першу чергу вакцин) та інших біологічно активних речовин.

Встановлено можливість елімінації із забруднених ґрунтів кадмію і свинцю за допомогою окремої лінії індійської гірчиці (Brassica Juncea); за участю аеробних і анаеробних мікроорганізмів здійснювати утилізацію пестицидів, алканів, бензолу, толуолу, ксилолу, поліциклічних ароматичних вуглеводнів.

Внаслідок проведених глибоких фундаментальних генно-інженерних досліджень було доведено можливість переміщення генів від однієї таксономічної групи живих організмів до іншої попри їх статеву несумісність. Це одна із суттєвих переваг біотехнологічного підходу для вирішення прикладних питань, яка дозволяє гени, що цікавлять дослідника, з елементами, які контролюють їх експресію, перемістити з одного до іншого організму і забезпечити їх експресію. Так, джерелом генів засухо- і холодостійкості рослин можуть бути клітини тварин або бактерії.

З урахуванням таких унікальних властивостей хлоропластів, як їх спроможність набагато інтенсивніше, ніж E.coli або рослини з перенесеними в їх ядра генами, синтезувати і накопичувати білки, вчені працюють над розробкою відповідної біотехнології (Малига П., 2002).

Створено нові методи і технології генетичної інженерії рослин для розробки біотехнології виробництва фармацевтичних білків, перш за все антитіл (Глеба Ю., 2002), експресії соматотропного гормона людини в хлоропластах тютюну, фармацевтичних і діагностичних препаратів та оральних вакцин рослинами (Малига П, 2002).

Існує думка про можливість одержання біологічно активних речовин шляхом трансформації рослин вірусами (Блюм Я., 2002). Рослини тютюну використовуються для виробництва вакцинального препарату, який має бути специфічним для кожного хворого на неходжкиновську лімфому (різновидність раку), шляхом перенесення за допомогою вірусного вектора гена, що асоційований з лімфомою пацієнта, для синтезу специфічного білка. При цьому слід зазначити, що вартість одержаного таким чином терапевтичного білка є набагато нижчою, ніж при використанні для цієї мети культури клітин ссавців (Ервін Б., 2002).

Використання генів, що кодують біосинтез білкової оболонки вірусів, та вбудовування їх в геном рослин забезпечують ефективний захист останніх від шкідників (Кентлі М., 2002).

На думку Пітера Дея (США), учасника електронного «круглого столу» з визнаними у світі науковими авторитетами у сфері біотехнології і генетики, який був організований в Україні (проф. Блюм Я.Б.) у 2001р., біотехнологія стане одним із найбільш важливих засобів для впровадження стійкого збалансованого виробництва, що буде необхідним у новому сторіччі для того, щоб забезпечити населення Землі, яке швидко зростає, продуктами харчування. Нині у світі голодують понад 800 млн чоловік, переважно у країнах Південної Азії і Африки. Бідність є причиною недоїдання трьох чвертей населення Землі, яке проживає у сільській місцевості. Біотехнологія дає нам новий потужний інструмент, який доповнює уже існуючі способи підвищення продуктивності сільського господарства і, як наслідок, стимулювання економічного росту в бідних країнах.

У менш розвинених країнах (порівняно з Європою), в тому числі в Україні, біотехнологія могла б стати таким же трампліном у світ багатства і добробуту, яким стала для багатьох азіатських країн електроніка і комп’ютерна технологія (Блюм Я., Глеба Ю., 2002).

США і ЄС є найпотужнішими світовими центрами наукових досліджень в галузі біотехнології. Китай, Бразилія та Індія стали на шлях прискореного впровадження досягнень генної інженерії перш за все у галузі сільськогосподарського виробництва, зокрема рослинництва (Кентлі М, 2002). На сьогодні США зберігають свої чільні позиції, за ними або поряд іде Західна Європа, а Китай останнім часом здійснив величезний ривок вперед, особливо у сфері сільськогосподарської біотехнології. Сьогодні на Китай припадає 6 % світових посівів генетично модифікованих сільськогосподарських культур.

На думку Блюма Я. (2002), незважаючи на значне відставання України від лідерів, у нас поки що зберігається критичний потенціал для розвитку знань і технологій та їх впровадження у виробництво.

Для використання досягнень нової біотехнології в галузях агропромислового комплексу України необхідна підготовка висококваліфікованих фахівців з молекулярної біології, генетичної і клітинної інженерії для забезпечення наукоємного виробництва. Вирішення цього питання потребує забезпечення навчального процесу необхідною літературою.

Наразі в Україні немає вітчизняного україномовного підручника з біотехнології у тваринництві і ветеринарній медицині для студентів аграрних вищих закладів освіти. Навчальний посібник з біотехнології, виданий 1989 року, не відповідає сучасним вимогам, і, крім того, є російськомовним.

Підготовлений підручник складений згідно з вимогами Програми з біотехнології і позбавлений недоліків попереднього видання.

Завданням курсу є вивчення студентами сучасного стану біотехнології, фундаментальних основ і практичного використання її розробок у ветеринарній медицині, тваринництві, екології та суміжних галузях народного господарства.

Під час вивчення курсу загальної біотехнології студенти засвоюють основи клітинної і генетичної інженерії як метод конструювання, спрямований на одержання нової генетичної інформації за допомогою гібридизації і реконструкції клітин, створення гібридних (рекомбінантних) ДНК, а також практичні напрями використання культури клітин, рекомбінантних ДНК для отримання біологічно активних речовин.

Важливим розділом спеціальної біотехнології є інженерна ензимологія, яка базується на використанні іммобілізованих ферментів. Шляхом іммобілізації одержано нові форми препаратів біологічно активних речовин з пролонгованою дією, які використовуються як для виробництва біотехнологічної продукції, так і самостійно як профілактичні та лікувальні засоби.

У спеціальній біотехнології вивчаються промислові біотехнології одержання профілактичних, діагностичних, лікарських, кормових і біологічно активних речовин — антибіотиків, гормонів, інтерферонів, білків, незамінних амінокислот тощо, які використовуються у ветеринарній і гуманній медицині, тваринництві та харчовій промисловості.

При вивченні курсу біотехнології передбачено також засвоєння біоконверсних технологій, які забезпечують утилізацію та біоконверсію відходів тваринництва і рослинництва у біогаз, високоякісне органічне добриво і білково-вітамінні кормові добавки, сприяють захисту навколишнього середовища від антропогенного забруднення та дозволяють підтримувати санітарно- гігієнічне й екологічне благополуччя довкілля.

Знання, які одержать студенти при вивченні як фундаментальних основ біотехнології, так і діючих біотехнологій, дадуть можливість підготувати конкурентоспроможного фахівця для роботи в умовах агропромислового виробництва, для прискорення входження України у світове освітнє співтовариство, світову організацію торгівлі, Євросоюз тощо.