Зміст
Введення
Методи біотехнології, і її перспективи
Біотехнологія сільськогосподарських рослин. Перспективи
Підвищення врожайності
Природний захист рослин
Стійкість до гербіцидів
Стійкість до несприятливих факторів середовища
Висновок
Список використаної літератури
Введення
Біотехнологія - це наука про методи і технології виробництва різних цінних речовин і продуктів з використанням природних біологічних об'єктів (мікроорганізмів, рослинних і тваринних клітин), частин клітин (клітинних мембран, рибосом, мітохондрій, хлоропластів) і процесів.
Коріння біотехнології йдуть в далеке минуле і пов'язані з хлібопеченням, виноробством та іншими способами приготування їжі, відомими людині ще в давнину. Наприклад, такий біотехнологічний процес, як бродіння за участю мікроорганізмів, був відомий і широко застосовувався ще в стародавньому Вавілоні, про що свідчить опис приготування пива, що дійшов до нас як записи на дощечці, виявленої в 1981 р. при розкопках Вавилона.
Наукою біотехнологія стала завдяки дослідженням і роботам французького вченого, основоположника сучасної мікробіології та імунології Луї Пастера (1822-1895).
У ХХ столітті відбувався бурхливий розвиток молекулярної біології і генетики із застосуванням досягнень хімії та фізики. Найважливішим напрямом досліджень є розробка методів культивування клітин рослин і тварин. І якщо ще зовсім недавно для промислових
цілей вирощували лише бактерії і гриби, то зараз з'явилася можливість не тільки вирощувати будь-які клітки для виробництва біомаси, але і управляти їх розвитком, особливо у рослин. Таким чином, нові науково-технологічні підходи втілилися в розробку біотехнологічних методів, що дозволяють маніпулювати безпосередньо генами, створювати нові продукти, організми і змінювати властивості вже існуючих. Головна мета застосування цих методів - більш повне використання потенціалу живих організмів в інтересах господарської діяльності людини. У 70-і роки з'явилися й активно розвивалися такі найважливіші галузі біотехнології, як генетична (або генна) та клітинна інженерія, які поклали початок «нової» біотехнології, на відміну від «старої» біотехнології, заснованої на традиційних мікробіологічних процесах. Так, звичайне виробництво спирту в процесі бродіння - це "стара" біотехнологія, але використання в цьому процесі дріжджів, поліпшених методами генної інженерії з метою збільшення виходу спирту, - "нова" біотехнологія.
Методи біотехнології, її перспективи
Генна та клітинна інженерія - є найважливішими методами (інструментами), які лежать в основі сучасної біотехнології. Методи клітинної інженерії спрямовані на конструювання кліток нового типу. Вони можуть бути використані для відтворення життєздатною клітини з окремих фрагментів різних кліток, для об'єднання цілих кліток, що належали різним видам з утворенням клітки, несучої генетичний матеріал обох вихідних клітин, і інших операцій.
Генно-інженерні методи спрямовані на конструювання нових, не існуючих в природі сполучень генів. У результаті застосування генно-інженерних методів можна отримувати рекомбінантні (модифіковані) молекули РНК і ДНК, для чого проводиться виділення окремих генів (закодовують потрібний продукт), з клітин якого-небудь організму. Після проведення певних маніпуляцій з цими генами здійснюється їх введення в інші організми (бактерії, дріжджі і ссавці), які, отримавши новий ген (гени), будуть здатні синтезувати кінцеві продукти зі зміненими, в потрібному людині напрямку, властивостями. Іншими словами, генна інженерія дозволяє отримувати задані (бажані) якості змінюваних або генетично модифікованих організмів або так званих «трансгенних» рослин і тварин.
Найбільше застосування генна інженерія знайшла в сільському господарстві і в медицині.
Люди завжди замислювалися над тим, як можна навчитися керувати природою, і шукали способи отримання, наприклад, рослин з поліпшеними якостями: з високою врожайністю, більш великими і смачними плодами або з підвищеною холодостійкістю. З давніх часів основним методом, який використовувався в цих цілях, була селекція. Вона широко застосовується до теперішнього часу і спрямована на створення нових і поліпшення вже існуючих сортів культурних рослин, порід свійських тварин і штамів мікроорганізмів з цінними для людини ознаками і властивостями.
Селекція будується на відборі рослин (тварин) з вираженими сприятливими ознаками і надалі схрещуванні таких організмів, у той час як генна інженерія дозволяє безпосередньо втручатися в генетичний апарат клітини. Важливо відзначити, що в ході традиційної селекції отримати гібриди з шуканої комбінацією корисних ознак вельми складно, оскільки до потомства передаються дуже великі фрагменти геномів кожного з батьків, в той час як генно-інженерні методи дозволяють працювати частіше за все з одним або кількома генами, причому їх модифікації не зачіпають роботу інших генів. В результаті, не втрачаючи інших корисних властивостей рослини, вдається додати ще один або кілька корисних ознак, що дуже цінно для створення нових сортів
і нових форм рослин. Стало можливим змінювати у рослин, наприклад, стійкість до клімату і стресів, або їх чутливість до комах або хвороб, поширеним у певних регіонах, до посухи і т.д. Вчені сподіваються навіть отримати такі породи дерев, які були б стійкі до пожеж. Ведуться широкі дослідження з поліпшення харчової цінності різних сільськогосподарських культур, таких як кукурудза, соя, картопля, томати, горох та ін
Історично, виділяють «три хвилі» у створенні генно-модифікованих рослин:
Перша хвиля - кінець 1980-х років - створення рослин з новими властивостями стійкості до вірусів, паразитів або гербіцидів. У рослинах «першої хвилі» додатково вводили всього один ген і змушували його «працювати», тобто синтезувати один додатковий білок. «Корисні» гени «брали» або у вірусів рослин (для формування стійкості до даного вірусу), або в грунтових бактерій (для формування стійкості до комах, гербіцидів).
Друга хвиля - початок 2000-х років - створення рослин з новими споживчими властивостями: олійні культури з підвищеним вмістом і зміненим складом масел, фрукти і овочі з великим вмістом вітамінів, більш поживні зернові і т.д.
У наші дні вчені створюють рослини «третьої хвилі», які в найближчі 10 років з'являться на ринку: рослини-вакцини, рослини-біореактори для виробництва промислових продуктів (компонентів для різних видів пластику, барвників, технічних мастил і т.д.), рослини - фабрики ліків і т.д.
Генно-інженерні роботи в тваринництві мають іншу задачу. Цілком досяжною метою при сучасному рівні технології є створення трансгенних тварин з певним цільовим геном. Наприклад, ген якого-небудь цінного гормону тварини (наприклад, гормону росту) штучно впроваджується в бактерію, яка починає продукувати його у великих кількостях. Ще один приклад: трансгенні кози, в результаті введення відповідного гена, можуть виробляти специфічний білок, фактор VIII, який перешкоджає кровотечі у хворих, що страждають на гемофілію, або фермент, тромбокінази, сприяє розсмоктуванню тромбу в кровоносних судинах, що актуально для профілактики і терапії тромбофлебіту у людей. Трансгенні тварини виробляють ці білки набагато швидше, а сам спосіб значно дешевше традиційного.
В кінці 90-х років XX ст. вчені США впритул підійшли до отримання сільськогосподарських тварин методом клонування клітин ембріонів, хоча цей напрямок потребує ще подальших серйозних дослідженнях. А от у ксенотрансплантації - пересадки органів від одного виду живих організмів іншому, - досягнуті безсумнівні результати. Найбільші успіхи отримані при використанні свиней, які мають в генотипі перенесені гени людини, в якості донорів різних органів. У цьому випадку спостерігається мінімальний ризик відторгнення органу.
Вчені також припускають, що перенесення генів допоможе знизити алергію людини до коров'ячого молока. Цілеспрямовані зміни в ДНК корів повинні привести також до зменшення вмісту в молоці насичених жирних кислот і холестерину, що зробить його ще більш корисним для здоров'я. Потенційна небезпека застосування генетично модифікованих організмів виражається у двох аспектах: безпека продовольства для здоров'я людей та екологічні наслідки. Тому найважливішим етапом при створенні генно-модифікованого продукту повинна бути його всебічна експертиза щоб уникнути небезпеки того, що продукт містить протеїни, що викликають алергію, токсичні речовини або якісь нові небезпечні компоненти.
Біотехнологія сільськогосподарських рослин. Перспективи
Починаючи з кам'яного віку люди відбирали рослини з задовольняють їх характеристиками і зберігали їх насіння на наступний рік. Відбираючи найкраще насіння, перші агрономи здійснили первинне генетичне модифікування рослин і таким чином одомашнили їх задовго до того, як були відкриті основні генетичні закономірності. Сотні років фермери та селекціонери рослин користувалися перехресним схрещуванням, гібридизацією та іншими підходами до модифікації геному, що приводять до збільшення врожайності, поліпшення якості продукції та підвищенню стійкості рослин до комах-шкідників, хвороботворних мікроорганізмів та несприятливих умов середовища.
У міру поглиблення знань про генетику рослин людина почала здійснювати цілеспрямоване перехресне схрещування (кроссбрідінг) володіють бажаними характеристиками або не мають небажаних ознак сортів рослин і міжвидову гібридизацію з метою отримання нових сортів, що зберегли кращі якості обох батьківських ліній. В даний час практично будь-яка сільськогосподарська культура є результатом кроссбрідінга, гібридизації або застосування обох підходів. На жаль, ці методи нерідко дороги, вимагають великих витрат часу, неефективні і мають суттєві практичні обмеження. Наприклад, для створення за допомогою традиційного кроссбрідінга сорти кукурудзи, стійкого до певних комах, знадобився б не один десяток років, причому без гарантованого результату.
Біотехнологічні підходи дозволяють сучасним селекціонерам виділяти окремі гени, відповідальні за бажані ознаки, і переміщати їх з геному однієї рослини в геном іншого. Цей процес набагато більш точний і вибірковий, ніж традиційне схрещування, в ході якого тисячі генів, що володіють невідомими функціями, переміщаються з одного сорту або виду рослин в іншій.
Біотехнологія дозволяє і те, що не під силу природі - переміщення генів між рослинами, тваринами і мікроорганізмами. Це відкриває величезні можливості для поліпшення якості врожаю. Наприклад, ми можемо взяти бактеріальний ген, токсичний для хвороботворного грибка, і вмонтувати його в геном рослини. Рослина при цьому починає синтезувати фунгіцидний білок і в боротьбі з грибком не потребує допомоги ззовні.
Підвищення врожайності
Сучасні селекціонери-біотехнологи ставлять перед собою ті ж завдання, що і при традиційному кроссбрідінге та інших методах модифікації геному: підвищення врожайності; стійкість до хвороботворних бактерій, грибків і вірусів; здатність виживати в несприятливих умовах середовища (при заморозках і засухах); стійкість до шкідників , таким як комахи, бур'яни та круглі черв'яки (нематоди).
Природний захист рослин
Рослини, як і тварини, володіють вродженими механізмами захисту від різних комах і захворювань. В даний час вчені ведуть активний пошук сполук, які активізували б ці природні механізми, не завдаючи при цьому шкоди навколишньому середовищу.
Біотехнологія також відкриває великі перспективи в роботі над створенням нових біопестіцідов, таких як білки мікроорганізмів і жирні кислоти, токсичні для певних сільськогосподарських шкідників, але нешкідливі для людини, тварин, риб, птахів та корисних комах. Унікальність механізмів дії біопестіцідов забезпечує захист від шкідників, стійких до традиційних засобів.
Вже в 30-х роках минулого століття фермери почали використовувати як біопестіціда мікроорганізм Bacillusthuringiensis (Bt), природним місцем існування якого є грунт. Деякі білки, синтезовані B. thuringiensis, смертельні для певних комах, в тому числі для кукурудзяного метелика (Ostrinianubilalis), щорічно завдає сільському господарству США шкоди в 1,2 мільярда доларів. Використання аерозолів, що містять бактерії Bt, дозволяє знищити комах-шкідників, не вдаючись до хімічних засобів.
Можливості біотехнології дозволяють нам переносити гени білків, отруйних для певних шкідників (але не для людей, тварин і корисних комах), в геном рослин, якими ці шкідники харчуються. Рослина, яка раніше була джерелом їжі, стає смертельним для шкідника, що скасовує необхідність обприскування плантацій хімічними пестицидами.
Стійкість до гербіцидів
Продуктивність сільськогосподарської культури залежить від присутності в середовищі проживання бур'янів, що вступають з основною культурою в конкуренцію за поживні речовини і вологу. Для знищення небажаних рослин сільськогосподарські плантації, як правило, обприскуються гербіцидами, які більшою чи меншою мірою токсичні не тільки для бур'янів.
За допомогою біотехнологічних прийомів можна підвищити стійкість культурних рослин до гербіцидів і таким чином у кілька разів зменшити надходження токсичних речовин в навколишнє середовище.
Стійкість до несприятливих факторів середовища
Крім описаних вище біологічних факторів, що перешкоджають росту і розвитку рослин, існує ще цілий ряд абіотичних стресових впливів, регулярно надаються природою на сільськогосподарські культури - це посухи, холод, спека, підвищена кислотність або засоленість грунтів. Селекціонерам за допомогою кроссбрідінга вдалося створити достатню кількість сортів рослин, стійких до біологічних факторів навколишнього середовища, проте відносно стійкості до абіотичних стресів все не так просто. Основним лімітуючим моментом в даному випадку є відсутність у багатьох видів культурних рослин диких родичів, що володіють стійкістю до того чи іншого фактору середовища.
Репродуктивна несумісність, що обмежує можливості традиційного кроссбрідінга, абсолютно не впливає на можливості біотехнології рослин, тому що гени практично будь-якого організму можуть використовуватися для поліпшення існуючих сортів сільськогосподарських культур. В даний час вчені роблять великі досягнення в розробці сортів, здатних рости і давати врожай у різних природних умовах. Як приклад можна навести генетично модифіковані сорти помідорів і каноли (різновид ріпаку), які можуть переносити в 100 разів вищий рівень солоності грунту, ніж традиційні сорти. Дослідники також ідентифікували велику кількість генів, відповідальних за природну стійкість деяких рослин і бактерій до холоду, спеки та посухи. Мексиканські вчені створили сорти кукурудзи та папайї, стійкі до підвищеного вмісту у грунті алюмінію, який надає негативний вплив на продуктивність сільського господарства багатьох країн, що розвиваються.
Крім збільшення продуктивності сортів за рахунок надання їм стійкості до захворювань, шкідників, бур'янів і впливів навколишнього середовища, сільськогосподарські біотехнологи працюють над безпосереднім підвищенням врожайності культур. Японські вчені вмонтували гени, що забезпечують фотосинтез рослин кукурудзи, в геном рису. Це підвищило ефективність засвоєння енергії сонячного світла і накопичення в зерні крохмалю, і врожайність нового сорту рису виявилася на 30% вище в порівнянні з вихідним рівнем. Іншим підходом, але з тією ж кінцевою
метою, є блокування певних генів рослини, що призводить до перерозподілу поживних речовин між різними частинами рослини. Урожайність значно зростає при переважному накопиченні крохмалю або жирних кислот не в листках рослини, а, наприклад, у бульбах картоплі або насінні ріпаку.
Біотехнологічні методи також дозволяють підвищувати ефективність засвоєння рослинами необхідних їм мікроелементів. Наприклад, мексиканські вчені створили генетично модифіковані рослини, коріння яких секретують у навколишнє середовище лимонну кислоту. У результаті відбувається невелике підкислення грунтів та перехід містяться в ній мінералів, в тому числі кальцію, фосфору і калію, в розчинну форму, що робить їх доступними для рослин.
Азот є найважливішим елементом, що лімітує ріст рослин, і вчені, які працюють в різних областях, крок за кроком наближаються до розгадки секретів симбіотичних відносин, що дозволяють азотфіксуючих бактерій поглинати атмосферний азот і віддавати його рослинам, що надають їм притулок в кореневих бульбочках:
- Генетики-ботаніки з Угорщини та Англії ідентифікували рослинний ген і відповідний білок, що дозволяє рослинам вступати у взаємодію з грунтовими азотфіксуючими бактеріями;
- Генетики-мікробіологи з університету Квінсленда (Австралія) ідентифікували бактеріальний ген, що стимулює формування кореневих бульбочок;
- В результаті спільної роботи молекулярних біологів Європейського Союзу, США та Канади був повністю розшифрований геном одного з видів азотфіксуючих бактерій;
- Вчені, які займаються хімією білків, розшифрували точну структуру ферменту, що перетворює атмосферний азот в прийнятну для рослин форму.
Висновок
Центральна проблема біотехнології - інтенсифікація біопроцесів як за рахунок підвищення потенціалу біологічних агентів і їх систем, так і за рахунок удосконалення обладнання, застосування біокаталізаторів (іммобілізованих ферментів і клітин) у промисловості, аналітичної хімії, медицині.
В основі промислового використання досягнень біології лежить техніка створення рекомбінантних молекул ДНК. Конструювання потрібних генів дозволяє керувати спадковістю і життєдіяльністю тварин, рослин і мікроорганізмів і створювати організми з новими властивостями. Зокрема, можливе управління процесом фіксації атмосферного азоту і перенесення відповідних генів із клітин мікроорганізмів в геном рослинної клітини.
Біотехнологія - типове породження нашого бурхливого, ді намічного XXI ст. Вона відкриває нові обрії перед людиною ческим розумом. Проблеми біотехнології надзвичайно багато образні, починаючи від суто технічних (наприклад, зниження каталітичної активності ферментів при їх іммобілізації) і закінчуючи тонкими інтелектуальними проблемами, пов'язаними з зубожінням фундаментальної науки у зв'язку з домінірова ням чисто проблемно-прикладних розробок.
Список використаної літератури
«Біотехнологія проблеми та перспективи» - Єгоров Н.С., Москва, «Вища школа» 1987 р.
«Сільськогосподарська біотехнологія» - Калашнікова О.О., Шевелуха В.С., Воронін Є.С., «Вища школа» 2003 р.
Сайт http://www.biotechnolog.ru
Сайт http://www.sgi.od.ua/st/52-biotexnologiya-v-selskom-xozyajstve-rasteniya.html