Biotehnologie

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă revizuită de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 26 septembrie 2021; verificările necesită 14 modificări .

Biotehnologia (din Gr. βίος - „viață”, τέχνη - „artă, îndemânare, abilitate”, λόγος - „cuvânt, sens, gândire, concept”) este o disciplină care studiază posibilitățile de utilizare a organismelor vii , a sistemelor sau a produselor lor. activitatea lor vitală pentru rezolvarea sarcinilor tehnologice, precum și posibilitatea de a crea organisme vii cu proprietățile necesare prin inginerie genetică .

Biotehnologia este adesea menționată ca utilizarea ingineriei genetice în secolele 20 și 21 , dar termenul se referă și la o gamă mai largă de procese de modificare a organismelor biologice pentru a satisface nevoile umane, începând cu modificarea plantelor și animalelor prin selecție artificială și hibridizare . Cu ajutorul metodelor moderne, producția biotehnologică tradițională a reușit să îmbunătățească calitatea produselor alimentare și să crească productivitatea organismelor vii.

Până în 1971, termenul „biotehnologie” a fost folosit mai ales în industria alimentară și agricultură. Începând cu anii 1970, oamenii de știință au folosit termenul pentru a se referi la metode de laborator, cum ar fi utilizarea ADN-ului recombinat și a culturilor celulare in vitro .

Biotehnologia se bazează pe genetică , biologie moleculară , biochimie , embriologie și biologie celulară, precum și disciplinele aplicate ale tehnologiei chimice și informației și robotică.

Istoria biotehnologiei

Termenul de „biotehnologie” a fost folosit pentru prima dată de inginerul maghiar Karl Ereki în 1917 .

Utilizarea microorganismelor sau a enzimelor lor în producția industrială , care asigură procesul tehnologic, este cunoscută încă din cele mai vechi timpuri, cu toate acestea, cercetarea științifică sistematică a făcut posibilă extinderea semnificativă a arsenalului de metode și mijloace de biotehnologie.

Așadar, în 1814, academicianul din Sankt Petersburg K. S. Kirchhoff ( biografie Copie de arhivă din 17 octombrie 2019 pe Wayback Machine ) a descoperit fenomenul catalizei biologice și a încercat să obțină biocatalitic zahăr din materiile prime disponibile (până la mijlocul secolului al XIX -lea). secolul, zahărul era obținut numai din trestie de zahăr ). În 1891, în SUA, biochimistul japonez Dz. Takamine a primit primul brevet pentru utilizarea preparatelor enzimatice în scopuri industriale: omul de știință a propus utilizarea diastazei pentru zaharificarea deșeurilor vegetale.

La începutul secolului al XX-lea, industria fermentativă și microbiologică se dezvoltau activ . În aceiași ani s-au făcut primele încercări de stabilire a producției de antibiotice, concentrate alimentare obținute din drojdie, pentru controlul fermentației produselor de origine vegetală și animală.

Primul antibiotic - penicilina  - a fost izolat și purificat la un nivel acceptabil în 1940 , ceea ce a dat noi provocări: căutarea și stabilirea producției industriale de substanțe medicinale produse de microorganisme, munca pentru reducerea costurilor și creșterea nivelului de biosecuritate a noilor medicamente. .

Tipuri de biotehnologie

Bioinginerie

Bioingineria (sau ingineria biomedicală) este o disciplină care vizează aprofundarea cunoștințelor în domeniul ingineriei, biologiei și medicinei și îmbunătățirea sănătății umane prin dezvoltări interdisciplinare care combină abordările ingineriei cu realizările științei biomedicale și ale practicii clinice. Bioingineria/ingineria biomedicală este aplicarea abordărilor tehnice pentru rezolvarea problemelor medicale în scopul îmbunătățirii îngrijirii sănătății. Această disciplină de inginerie își propune să folosească cunoștințele și experiența pentru a găsi și rezolva probleme din biologie și medicină. Bioinginerii lucrează în beneficiul umanității, ocupându-se de sistemele vii și aplicând tehnologii avansate pentru a rezolva problemele medicale. Specialiștii în inginerie biomedicală pot participa la crearea de instrumente și echipamente, la dezvoltarea de noi proceduri bazate pe cunoștințe interdisciplinare, la cercetări care vizează obținerea de noi informații pentru rezolvarea de noi probleme. Printre realizările importante ale bioingineriei, se pot aminti dezvoltarea articulațiilor artificiale, imagistica prin rezonanță magnetică , stimulatoare cardiace , artroscopie , angioplastie, proteze cutanate bioinginerești, dializă renală, aparate cord-plămân. De asemenea, unul dintre principalele domenii ale cercetării în bioinginerie este utilizarea metodelor de modelare computerizată pentru a crea proteine ​​cu noi proprietăți, precum și modelarea interacțiunii diverșilor compuși cu receptorii celulari în scopul dezvoltării de noi produse farmaceutice („design de medicamente”).

Biomedicina

O ramură a medicinei care studiază corpul uman din punct de vedere teoretic , structura și funcționarea acestuia în condiții normale și patologice , stări patologice, metode de diagnosticare , corectare și tratare a acestora [1] . Biomedicina include cunoștințele și cercetările acumulate, mai mult sau mai puțin medicina generală , medicina veterinară , stomatologia și științele biologice fundamentale, precum chimia , chimia biologică , biologia , histologia , genetica , embriologia , anatomia , fiziologia , patologia , ingineria biomedicală [2] , zoologie , botanică și microbiologie [3] [4] . [5]

Nanomedicina

Urmărirea, fixarea, proiectarea și controlul sistemelor biologice umane la nivel molecular, folosind nanodispozitive și nanostructuri [6] . O serie de tehnologii pentru industria nanomedicală au fost deja create în lume. Acestea includ livrarea direcționată a medicamentelor către celulele bolnave [7] , laboratoare pe un cip și noi agenți bactericizi.

Biofarmacologie

Ramura a farmacologiei care studiază efectele fiziologice produse de substanțele de origine biologică și biotehnologică. De fapt, biofarmacologia este rodul convergenței a două științe tradiționale - biotehnologia și anume acea ramură a acesteia, numită „roșu”, biotehnologia medicală și farmacologia , interesată anterior doar de substanțele chimice cu greutate moleculară mică, ca urmare a interes comun.

Obiectele cercetării biofarmacologice sunt studiul produselor biofarmaceutice , planificarea producției lor, organizarea producției. Agenții terapeutici biofarmacologici și agenții de prevenire a bolilor se obțin folosind sisteme biologice vii, țesuturi ale organismelor și derivații acestora, folosind mijloace biotehnologice, adică substanțe medicinale de origine biologică și biotehnologică.

Bioinformatica

Un set de metode și abordări [8] , inclusiv:

  1. metode matematice de analiză computerizată în genomica comparativă (bioinformatica genomică);
  2. dezvoltarea de algoritmi si programe de predictie a structurii spatiale a proteinelor ( bioinformatica structurala );
  3. studiul strategiilor, metodologiilor computaționale adecvate și managementul general al complexității informaționale a sistemelor biologice [9] .

Bioinformatica folosește metode din matematica aplicată , statistică și informatică . Bioinformatica este folosită în biochimie , biofizică , ecologie și în alte domenii.

Alinierea secvenței

O metodă bioinformatică bazată pe plasarea a două sau mai multe secvențe de ADN , ARN sau monomeri proteici unul sub celălalt, astfel încât zone similare din aceste secvențe să fie ușor vizibile. Asemănarea structurilor primare a două molecule poate reflecta relațiile lor funcționale, structurale sau evolutive [10] . Algoritmii de aliniere a secvenței sunt de asemenea utilizați în NLP .

Bionics

Știință aplicată despre aplicarea în dispozitive și sisteme tehnice a principiilor de organizare, proprietăți, funcții și structuri ale naturii vii, adică formele viețuitoarelor din natură și omologii lor industriali. Mai simplu spus, bionica este o combinație de biologie și tehnologie. Bionica consideră biologia și tehnologia dintr-un unghi complet nou, explicând ce caracteristici comune și ce diferențe există în natură și tehnologie.

Distinge:

  • bionica biologică , care studiază procesele care au loc în sistemele biologice;
  • bionica teoretică , care construiește modele matematice ale acestor procese;
  • bionica tehnică , care utilizează modele de bionică teoretică pentru a rezolva probleme de inginerie.

Bionica este strâns legată de biologie , fizică , chimie , cibernetică și științe inginerești: electronică , navigație , comunicații , științe maritime și altele.

Bioremediere

Un complex de metode de curățare a apei, a solului și a atmosferei folosind potențialul metabolic al obiectelor biologice - plante , ciuperci , insecte , viermi și alte organisme .

Selecție artificială

Admiterea selectivă la reproducere a animalelor, plantelor sau altor organisme cu scopul de a reproduce noi soiuri și rase. Precursorul și metoda principală a creșterii moderne . Rezultatul selecției artificiale este diversitatea soiurilor de plante și a raselor de animale.

Clonarea

Apariția în mod natural sau obținerea mai multor organisme identice genetic prin reproducere asexuată (inclusiv vegetativă ). Termenul „clonare” în același sens este adesea folosit în legătură cu celulele organismelor multicelulare. Clonarea se mai numește și obținerea mai multor copii identice ale moleculelor ereditare (clonarea moleculară). În cele din urmă, clonarea este adesea denumită și metode biotehnologice utilizate pentru a obține în mod artificial clone de organisme, celule sau molecule. Un grup de organisme sau celule identice genetic este o clonă.

Clonarea umană

O metodologie predictivă care constă în crearea unui embrion și apoi creșterea din embrionii care au genotipul unui anumit individ, existent în prezent sau existent anterior. Până acum, tehnologia clonării umane nu a fost dezvoltată. În prezent, niciun caz de clonare umană nu a fost înregistrat în mod fiabil. Și aici apar o serie de întrebări atât teoretice, cât și tehnice. Cu toate acestea, astăzi există metode care ne permit să spunem cu un grad ridicat de încredere că principala problemă a tehnologiei a fost rezolvată. Temerile sunt cauzate de momente precum un procent mare de eșecuri în clonare și posibilitatea asociată a apariției unor oameni inferiori. La fel și întrebări de paternitate, maternitate, moștenire, căsătorie și multe altele. Din punctul de vedere al principalelor religii mondiale ( creștinism , islam , iudaism ), clonarea umană este fie un act problematic, fie un act care depășește dogmele și impune teologilor să justifice clar una sau alta poziție a ierarhilor religioși . În unele state , utilizarea acestor tehnologii în legătură cu oamenii este oficial interzisă - Franța , Germania , Japonia . Aceste interdicții, însă, nu înseamnă intenția legiuitorilor acestor state de a se abține de la utilizarea clonării umane în viitor, după un studiu detaliat al mecanismelor moleculare de interacțiune dintre citoplasma ovocit - primitor și nucleul somaticului . celulă - donator , precum și îmbunătățirea tehnicii de clonare în sine .

Biotehnologie educațională

Biotehnologia educațională este utilizată pentru diseminarea biotehnologiei și pentru formarea personalului în acest domeniu. Ea dezvoltă materiale interdisciplinare și strategii educaționale legate de biotehnologie (de exemplu, producția de proteine ​​recombinate) accesibile întregii societăți, inclusiv persoanelor cu nevoi speciale, cum ar fi deficiențe de auz și/sau de vedere. [unsprezece]

Hibridare

Procesul de formare sau producere a hibrizilor , care se bazează pe combinarea materialului genetic al diferitelor celule dintr-o singură celulă. Poate fi efectuată în cadrul aceleiași specii (hibridare intraspecifică) și între diferite grupuri sistematice (hibridare la distanță, în care sunt combinați genomi diferiți ). Prima generație de hibrizi este adesea caracterizată de heteroză , care se exprimă prin adaptabilitate mai bună, fecunditate mai mare și viabilitate a organismelor. Cu hibridizarea la distanță, hibrizii sunt adesea sterili .

Inginerie genetică

În ciuda faptului că primele experimente de succes privind transformarea celulelor cu ADN exogen au fost făcute încă din anii 1940 de Avery , McLeod și McCarthy , primul preparat comercial de insulină recombinată umană a fost obținut la începutul anilor 1980 sau 1982 [12] [13 ]. ] . Introducerea de gene străine în genomul celulelor bacteriene se realizează folosind așa-numitul. ADN-urile vectoriale , cum ar fi plasmidele prezente în celulele bacteriene, precum și bacteriofagii și alte elemente genetice mobile pot fi utilizate ca vectori pentru a transfera ADN-ul exogen în celula primitoare.

Puteți obține o nouă genă:

  1. Tăierea acestuia din ADN-ul genomic al gazdei folosind o endonuclează de restricție, care catalizează ruperea legăturilor fosfodiesterice dintre anumite baze azotate din ADN în regiuni cu o anumită secvență de nucleotide ;
  2. Sinteză chimico-enzimatică;
  3. Sinteza ADNc pe baza ARN-ului mesager izolat dintr-o celulă folosind enzimele reversază și ADN polimerază , în timp ce izolează o genă care nu conține secvențe nesemnificative și care poate fi exprimată cu condiția ca o secvență promotor adecvată să fie selectată în sistemele procariote fără modificări ulterioare; care este cel mai adesea necesar pentru transformarea sistemelor de gene eucariote procariote care conțin introni și exoni .

După aceea, molecula de ADN vector este tratată cu o enzimă de restricție pentru a forma o rupere dublu catenară, iar gena este „lipită” în vector în „golul” rezultat folosind enzima ADN ligază , iar apoi celulele receptoare sunt transformate cu astfel de molecule recombinante, de exemplu, celule de E. coli . Când sunt transformate folosind, de exemplu, ADN plasmidic ca vector, este necesar ca celulele să fie competente pentru pătrunderea ADN-ului exogen în celulă, pentru care, de exemplu, este utilizată electroporarea celulelor primitoare. După intrarea cu succes în celulă, ADN-ul exogen începe să se replice și să fie exprimat în celulă.

Plante transgenice

Plantele transgenice  sunt acele plante care au fost „transplantate” cu genele altor organisme.

Cartoful rezistent la gândacul de Colorado a fost creat prin introducerea unei gene izolate din genomul solului bacilul Thuringian Bacillus thuringiensis , care produce proteina Cry , care este o protoxină, în intestinele insectelor această proteină se dizolvă și este activată la un adevărat toxină care are un efect dăunător asupra larvelor de insecte și adulților Pulverizarea cu spori de Bacillus thuringiensis a fost folosită pentru protecția plantelor înainte de obținerea primei plante transgenice, dar cu o eficiență scăzută, producția de endotoxină în țesuturile plantei a crescut semnificativ eficacitatea protecției și, de asemenea, a crescut eficiența economică datorită faptului că planta însuși a început să producă o proteină protectoare. Prin transformarea unei plante de cartof cu Agrobacterium tumefaciens s-au obținut plante care sintetizează această proteină în mezofila frunzelor și în alte țesuturi vegetale și, în consecință, nu sunt afectate de gândacul cartofului de Colorado. Această abordare este folosită și pentru a crea alte plante agricole rezistente la diferite tipuri de insecte.

Animale transgenice

Cele mai frecvent utilizate animale transgenice sunt porcii . De exemplu, există porci cu gene umane - au fost crescuți ca donatori de organe umane.

Inginerii genetici japonezi au introdus gena spanacului în genomul porcilor , care produce enzima FAD2, care poate transforma acizii grași saturați în linoleic  , un acid gras nesaturat. Porcii modificați au cu 1/5 mai mulți acizi grași nesaturați decât porcii normali. [paisprezece]

Porcii verzi strălucitori sunt porci transgenici crescuți de un grup de cercetători de la Universitatea Națională din Taiwan prin introducerea în ADN-ul embrionar a genei proteinei fluorescente verzi , împrumutate de la meduza fluorescentă Aequorea victoria . Embrionul a fost apoi implantat în uterul unei femele de porc. Purceii strălucesc în verde în întuneric și au o nuanță verzuie pe piele și pe ochi la lumina zilei. Scopul principal al creșterii unor astfel de porci, conform cercetătorilor, este posibilitatea de observare vizuală a dezvoltării țesuturilor în timpul transplantului de celule stem.

Aspect moral

Multe personalități religioase moderne și unii oameni de știință avertizează comunitatea științifică împotriva entuziasmului excesiv pentru astfel de biotehnologii (în special, tehnologii biomedicale) precum ingineria genetică , clonarea și diferite metode de reproducere artificială (cum ar fi FIV ).

O persoană în fața celor mai noi tehnologii biomedicale , un articol de V. N. Filyanova , cercetător senior la RISS :

Problema biotehnologiilor este doar o parte a problemei tehnologiilor științifice, care își are rădăcinile în orientarea omului european spre transformarea lumii, cucerirea naturii, care a început în epoca modernă. Biotehnologiile, care s-au dezvoltat rapid în ultimele decenii, la prima vedere, aduc o persoană mai aproape de realizarea unui vis de lungă durată de a depăși bolile, de a elimina problemele fizice și de a atinge nemurirea pământească prin experiența umană. Dar, pe de altă parte, ele dau naștere la probleme complet noi și neașteptate, care nu se limitează la consecințele utilizării pe termen lung a produselor modificate genetic, la deteriorarea fondului genetic uman din cauza nașterii unei mase de oameni născuți. doar datorită intervenției medicilor și a celor mai noi tehnologii. În viitor, se pune problema transformării structurilor sociale, renaște fantoma „fascismului medical” și eugeniei, condamnată la procesele de la Nürnberg .

Vezi și

Notă

  1. ↑ Definiția medicinei . Preluat la 30 mai 2013. Arhivat din original la 8 iulie 2009.
  2. ↑ Bronzino, Joseph D. (aprilie 2006). Manualul de inginerie biomedicală, ediția a treia. Presa C.R.C. ISBN 978-0-8493-2124-5 . http://crcpress.com/product/isbn/9780849321245 Arhivat 24 februarie 2015 la Wayback Machine
  3. ↑ „Bacteriology at The Free Online Dictionary”. http://www.thefreedictionary.com/bacteriologist Arhivat 6 iunie 2011 la Wayback Machine . Consultat pe 2007-03-11.
  4. ↑ Virologie la Dicționarul online gratuit. http://www.thefreedictionary.com/virology Arhivat 6 iunie 2011 la Wayback Machine . Consultat pe 2007-03-11.
  5. ↑ Oxford Dictionary of Biochemistry and Molecular Biology, Oxford: Oxford Scienxe Publications, 1997. ISBN 0-19-854768-4 .740 pp.
  6. ↑ Nanomedicine, Volumul I: Capabilități de bază Arhivat 14 august 2015 la Wayback Machine , de Robert A. Freitas Jr. 1999, ISBN 1-57059-645-X
  7. ↑ LaVan DA, McGuire T., Langer R. Sisteme la scară mică pentru livrarea in vivo a medicamentelor  // Nature Biotechnology  : journal  . - Nature Publishing Group , 2003. - Vol. 21 , nr. 10 . - P. 1184-1191 . - doi : 10.1038/nbt876 .
  8. ↑ E. Kunin Supa dintr-un cui. Cel mai important evoluționist a vorbit despre Multivers și despre principiul antropic. // Lenta.ru, 1 decembrie 2012 . Data accesului: 30 mai 2013. Arhivat din original pe 9 august 2014.
  9. ↑ Ivan Y. Torshin Bioinformatica în era post-genomică: rolul biofizicii Arhivat 27 decembrie 2006 la Wayback Machine , Novapublishers, 2006, ISBN 1-60021-048-1
  10. ↑ Mount DM. Bioinformatică: Analiza secvenței și a genomului  . — al 2-lea. - Cold Spring Harbor Laboratory Press: Cold Spring Harbor, NY., 2004. - ISBN 0-87969-608-7 .
  11. ↑ Los Colores de la Biotecnologia . Biotehnologie S.i. Consultat la 29 octombrie 2016. Arhivat din original pe 29 octombrie 2016.
  12. ↑ Filatov O. Yu., Malyshev I. Yu. Biotehnologii celulare în endocrinologie (manual pentru studenții facultății de medicină și studenții facultății de învățământ postuniversitar). - M., 2010.
  13. ↑ Tof, Ilanit (1994). „Tehnologia ADN-ului recombinant în sinteza insulinei umane” Arhivat la 30 noiembrie 2007 la Wayback Machine . Editura Little Tree.
  14. ↑ Gene Cooking: Mutanții sunt cei mai gustoși! Arhivat 31 octombrie 2013 la Wayback Machine  (accesat 19 decembrie 2011)

Literatură

  • Glick B., Pasternak J. Biotehnologie moleculară. Principii și aplicare. — M .: Mir, 2002.
  • Egorova T. A., Klunova S. M., Zhivu hin E. A. Fundamentele biotehnologiei. - M. , 2003.
  • Patrushev L.I. Expresia genelor. - M . : Nauka, 2000. - ISBN 5-02-001890-2 .
  • Shevelukha, V. S., Kalashnikova, E. A., Degtyarev, S. V. și colab., Biotehnologia agricolă. - M. , 1998. - 416 p. — ISBN 5-06-003535-2 .
  • Manual de microbiologie industrială și biotehnologie. a 2-a ed. — Wash., 1999.
  • Sasson A. Biotehnologie: Realizări și speranțe. - M . : Mir, 1987. - 60.000 de exemplare.

Lectură recomandată

Link -uri

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
 Bioinginerie
Domenii de bioinginerie
Articole similare
Oamenii de știință
Popularizatori