|
Реферат: Биотехнология (Биология)
БИОТЕХНОЛОГИЯ
Вот как объясняет ставшее за последнее время очень популярным словом
«технология» «Словарь иностранных слов»: «Технология (от греческого fechne
- искусство, ремесло, наука -{- logos - понятие, учение) — совокупность
знаний о способах и средствах проведения производственных процессов...»
Слову «биотехнология» немногим за десять лет. Оно настолько молодо,
что определение его не попало пока ни в один из словарей. Но факультеты
биотехнологии в институтах уже появились.
Биотехнология — многоотраслевая наука. Но, пожалуй, наиболее почетное
место в ней занимает, помимо генной инженерии, наука об искусственном
культивировании изолированных клеток и тканей и о ростовых либо
ингибирующих веществах.
Оторванная от коллектива себе подобных клетка в пробирке сохраняет
«память» - генетическую информацию, заложенную родителями. Но специальность
(специализацию) она утрачивает и образует при делении нечто аморфное,
напоминающее по форме морскую губку — каллус (в переводе с латинского
«мозоль»). Это ткань, которая возникает не только в пробирке, но и в
естественных условиях при ранении растения. Помимо утраты узкой
специализации клетка порой начинает вести себя, словно пациент сумасшедшего
дома. Например, активные гены вдруг
застопориваются, а «спавшие» ни с того ни с сего начинают интенсивно
работать. Клетка в «клетке», то есть в пробирке, может резко изменить
соотношение ферментных и структурных белков. В ней увеличивается число
молекул РНК, синтезирующих в
обилии те белки, к производству которых клетка ранее относилась с
прохладцей.
Однако стоит предоставить «узнице» определенные условия, как она
вновь приобретает какую-то специализацию, причем не обязательно «старую»:
взятая из корня или листа клетка образует целое растение. Регенерации
полноценных растений из
каллуса добиваются в принципе двумя путями: дифференциацией побегов и
корней посредством изменения соотношения гормонов цитокинина и ауксина или
образованием эмбриоидов. Этот соматический (асексуальный) эмбриогенез
впервые был прослежен
к 1959 году у моркови; со временем его стали применять при производстве
жизнеспособных растений у разных видов.
Небезынтересно, что в лабораториях обнаружили способность
изолированных клеток некоторых видов растений закаляться. Так, если клетки
без закалки еле переносят температуру —20° С, то с закалкой способны
выдержать и —35° С, а клетки
сибирской яблони с закалкой терпят мороз ниже 50° С. Вот только клетки
теплолюбивого лимона никаким закалкам не поддаются. Появилась возможность
отбора клеток с большой морозостойкостью из каллуса пшеницы и ели.
Изолированные клетки сохраняют способность синтезировать вещества,
присущие ей т vivo, то есть в теле живого организма, — витамины, гормоны,
алкалоиды, кумарины, стеронды и так далее. Это заинтересовало биологов с
точки зрения утилизации этих веществ для промышленности.
В лабораториях обнаружена еще одна способность клеток: отдели одну от
других или посади ее на питательную среду поодаль от сородичей, и она
наотрез откажется делиться и размножаться. Экспериментаторы, естественно,
предполагают, что «телепатия» клеток имеет химическую природу, однако
выделить и рассмотреть «в лицо» виновника «телепатии» до сих пор не
удалось. Прямо не вещество, а привидение - очень уж мала его концентрация.
Киевскому соратнику Р. Г. Бутенко —
Ю. Ю. Глебе все же удалось заставить клетку, «страдающую» от одиночества,
делиться в мельчайшей капельке питательной среды.
Чем дольше занималась лаборатория Р. Г. Бутенко культурой клеток, тем
больше интересных явлений открывалось перед ее сотрудниками. Ну хотя бы то,
что клетки каллуса, имеющие единственного предка — одну прапрапра... (и так
далее) клетку,
оказываются через несколько поколений генетически различными. Может быть,
изучив это явление, мы обнаружим, что предком обезьяны и человека был
прозаический кольчатый червь.
Изменения, наблюдаемые в изолированной культуре, могут возникать
вследствие мутаций специфических генов и хромосомных перестроек. Частота,
тип и стабильность изменчивости зависят от генотипа исходного растения и
физиолого-биохимического
состояния («настроения») клетки. Высказано предположение, что условия
изолированной культуры приводят к глубокой клеточной дестабилизации.
Широкий спектр вариантов, образующихся из культивируемого материала,
является отражением дестабилизации, за которой следуют действие отбора и
вторичные наследственные изменения в популяции клеток.
Наблюдаемая изменчивость имеет большое значение при применении
культуры клеток и тканей для улучшения сельскохозяйственных культур.
Воздействие мутагенами - веществами или радиацией, вызывающими
наследственные изменения, увеличивает частоту измененных клеток, а
использование селективных условий (например, повышенного инфекционного
фона) создает предпосылки для размножения только измененных в нужном
человеку направлении клеток. Однако многие исследователи, памятуя,
вероятно, строки стихотворения Федора
Тютчева («Природа — сфинкс. И тем она верней своим искусом губит
человека...»), отказываются от использования мутагенов, чтобы избежать
добавочных нежелательных мутаций. Тем более, что мутантных клеточных линий
возникает вполне достаточно и
без их вмешательства.
В клетках каллуса часто меняется и число хромосом. Каллус растения
гаплопаппус, например, через два года оказался состоящим на 95 процентов из
полиплоидных (содержащих в ядре более двух геномов) клеток с числом наборов
основного (базисного) числа хромосом, равным восьми и более. В США получены
полиплоидные формы табака из клеток каллуса, культивируемых вне организма,
отли-
чающиеся рядом хозяйственно ценных признаков. Выход полиплоидных форм
оказался настолько значительным, что этот метод рекомендован для
экспериментального получения полиплоидов. Такие же результаты получены у
лимона и клевера ползучего.
Да и вообще регенерировавшиеся из каллуса растения часто отличаются от
своих родителей числом хромосом. Генетически идентичное воспроизведение
генотипов через дифференциацию в культуре каллуса в настоящее время можно
осуществить у сравни-
тельно немногих видов.
Для селекции генетическая изменчивость клеток каллуса может
представить определенный интерес. На основе регенерации в культуре тканей и
органов растений получены высокопродуктивные формы подсолнечника. К
сожалению, у таких важнейших сельскохозяйственных культур, как зерновые и
бобовые, активировать морфогенез на питательных средах пока удается редко,
но есть успехи при работе и с
этими «непокорными» культурами.
На питательных средах при высокой интенсивности освещения ныне
выращивают растения-гаплоиды из пыльцевых зерен. У них вдвое меньше
хромосом, чем в обычных соматических клетках стеблей, листвы и корня
родительского растения. Из них при удвоении хромосом путем обработки
колхицином или закисью азота под давлением (есть и иные пути удвоения)
получают дигаплоиды (или, допустим, тетрагаплоиды, если основной набор
учетверен). Они гомозиготны, то есть обеспечивают проявление свой-
ственных им признаков устойчиво на протяжении многих поколений. У них, как
говорят генетики, не выщепляются новые признаки, если, конечно, не
появляются мутации - внезапные новые наследственные признаки. Гомозиготные
линии нередко
используют в селекции на гетерозис - достоверное повышение продуктивности,
качества или иного показателя против родительских форм, вовлеченных в
гибридизацию.
Используют гаплоиды и иначе. В Китае с помощью культуры пыльников
выведены короткостебельные, скороспелые и высокоурожайные сорта риса.
Применение в этой стране питательных сред, включающих картофельный
экстракт, привело к ранее недостижимому — получению гаплоидов у ржи, что
открыло новые возможности в селекции этой перекрестноопыляющейся культуры.
Получены инте-
ресные результаты у ячменя, перца, мака, люцерны, винограда, тополя, яблони
и масличного рапса. У последней культуры, проведенной через культуру
пыльников, несколько уменьшили и надеются уменьшить еще более содержание
вредных гликозидных соединений. Всего в Китае к 1984 году из пыльцевых
зерен выращено около 40 видов растений. Изучение популяций пшеницы, риса,
кукурузы и табака из
пыльников показало, что около 90 процентов удвоенных гаплоидов является
генетически однородными, хотя у 10 процентов все же отмечена нестабильность
числа хромосом и их структуры.
В нашей стране эффективный способ получения пшеницы из пыльцы в
культуре пыльников разработан саратовскими учеными В. М. Сухановым, В. С.
Тырновым и Н. Н. Салтыковой.
Самое интересное, что иногда и гибридизацию удается провести в
чашках Петри,
пробирках, вообще в каких-либо сосудах, в которые помещают изолированную от
растения семяпочку. На нее наносят пыльцу, преодолевая таким образом
самонесовместимость — отказ растения дать семена, если его пытаются
оплодотворить собственной пыльцой.
В пробирке случается порой преодолеть несовместимость довольно
отдаленных видов, и даже родов растений. Однако бывает и так, что скрестить
растения, относящиеся к двум разным видам или родам, удается, но полученные
от гибридизации семена не желают прорастать — сказывается несовместимость,
допустим, зародыша с эндоспермом. Это обычное явление при скрещивании
пшеницы и ржи (есть, однако, и другие факторы, препятствующие прорастанию).
В таких случаях с успехом прибегают к
отделению зародыша от эндосперма на ранних этапах развития зерновки и
помещению зародыша на искусственную питательную среду, состоящую из многих
компонентов.
При выращивании молодых эмбрионов добились завязывания жезнеспособных
семян у межродовых гибридов - ячмень X рожь, элимус X пшеница, трнпсакум X
кукуруза; томат культурный X томат перуанский, чина пурпурная X чина
членистая, лядвенец тонкий X лядвенец топяной, донник желтый X донник
белый, фасоль обыкновенная X фасоль остролистная (тепарн), клевер сходный X
клевер гибридный (розовый), слива североамериканская X слива персидская. М.
Ф.Терновский с сотрудниками получил межвидовой гибрид табака с новыми
свойствами устойчивости благодаря культуре на искусственной питательной
среде каллусов из неспособных к прорастанию гибридных семян. Таким же путем
получены нормальные гибриды первого поколения от скрещивания днплоидных и
тетраплоидных форм райграса.
И наконец, еще одно важное достоинство использования питательных
сред. В пробирке удается слить воедино соматические клетки разных видов.
Для этого, правда, их приходится беззастенчиво «раздевать» — освобождать от
оболочки с помощью
специальных ферментов. После этой процедуры мы имеем дело уже не с клеткой,
а с протопластом. Протопласты двух видов кидают в один протопласт -
гетерокариот, который через некоторое время обзаводится новой «одежкой».
Так удается объединять даже животные клетки с растительными, например
клетку табака с обнаженной
клеткой дрозофилы. Надо сказать, что такие клетки, хотя и пытаются
делиться, но впустую. К делению способны пока лишь слитые клетки видов в
пределах одного рода, изредка - различных родов и семейств. Но как знать!
Со временем будет преодолена и
эта несовместимость, и селекционеры получат гибриды, которые им и во сне не
снились.
К настоящему времени удалось совместить протопласты и получить
соматические гибриды картофеля и томата, правда, с мизерным урожаем плодов
и клубней. А вот соматическая гибридизация устойчивых к болезням и
вредителям диких диплоидных видов картофеля (2х) с культурными диплоидными
{2х) может представить практический интерес: 2х + 2х = 4х - это как раз
оптимальный уровень плоидности у картофеля.
Неожиданны результаты канадца К. Н. Као, который получил
гетерокариотическне (с совмещенными ядрами) клетки из слившихся
протопластов
сон и табака сизого (табачного дерева), способные к делепию, и линии клеток
сои и табака с синхронным делением хромосом.
При использовании культуры клеток и тканей удается быстро размножить
новый сорт, если культуру в производстве размножают вегетативно, или линию
для производства гибридных семян у овощных, декоративных и других
возделываемых растении. Чаще всего размножают (клонируют) верхушки побегов
(такое размножение не совсем точно называют культурой меристемы - ведь,
кроме последней, в процесс включаются и другие элементы) и латеральную
(боковую) меристему - образовательную, интенсивно делящуюся ткань.
Возрастает использование культур тканей для клоннрования соцветий, цветков,
боковых почек, листьев и корней, культуры
каллуса и в отдельных случаях культуры клеток. У спаржи для размножения
наиболее пригодны верхушки побегов, у пасленовых и краснокочанной капусты -
кусочки (экспланты) листа, у цветной капусты и нарцисса - частички
соцветий, у лилейных,
ирисовых (касатиковых) и амариллисовых - экспланты из луковиц, клубней,
ризомов (коротких мясистых корневищ), листьев, соцветий и семяпочек, у
птицемлечника - экспланты из стебля, листьев, завязи, чашелистиков и даже
луковичной чешуи,
у глоксинии - высечки из листьев и цветоножек, у лука порея - кусочки
луковицы, у герани при получении диплоидных растений - экспланты пыльников.
Наиболее экономически выгодно размножение в культуре тканей
селекционных сортов цветов: орхидей, агав, бегоний, хризантем, цикламена,
драцены, ириса, лилий, нарцисса, флокса и других.
Новой областью применения клонирования в стерильной среде верхушек
побегов и других эксплантов стало размножение пород кустарников, плодовых
культур и ананаса.
Из каллуса от зубчиков чеснока получили безвирусные растения.
Экономически оправдано размножение методом стерильной культуры гетерозисных
гибридных семян овощных и декоративных культур.
Культура тканей растении, главным образом верхушек побегов
(меристем), играет очень важную роль в освобождении семенного метериала от
вирусов. Цветоводы первыми обнаружили, что растения, выращенные не из
клубней или луковиц, а из деля-
щихся клеток, помещенных в питательную среду, вирусными болезнями, как
правило, не поражены и дают здоровое вегетативное потомство клубней и
луковиц. Этот прием взяли на вооружение и картофелеводы-семеноводы.
Получение свободных или, вернее, почти свободных от вирусов растений
- обычный прием первичного семеноводства некоторых сельскохозяйственных
культур: картофеля, клевера, люцерны и хмеля,овощных (хрена, ревеня,
шампиньона, цветной капусты), плодовых культур (малины, красной н черной
смородины, яблони, сливы), а также декоративных растений (хризантемы,
гвоздики, пеларгонии, фрезии, цимбидиума, гортензии, нарцисса, лилии,
гиацинта, ириса, тюльпана, гладиолуса) Некоторых физиологов задолго до
того, как они осознали себя в роли биотехнологов, заинтересовали
биорегуляторы растений и ранее всего стимуляторы роста.
В начале второй мировой войны был открыт ауксин. Сначала его получали
из верхушки колеоптиля (бесцветного чехла, защищающего первый молодой лист)
кукурузы. Но это был поистине каторжный труд: за 10 дней восемь лаборанток
немецкого биохимика-фанатика Ф.Кегля переработали 100 тысяч проростков и
получили в результате количество активного вещества, достаточное лишь для
уста-
новления кислой природы ауксина. Для того чтобы таким путем добыть из
колеоптилей кукурузы 250 миллиграммов ауксина, лаборанткам пришлось бы
проработать, не прерываясь на сон и еду, по крайней мере 400 лет.
К счастью, вскоре был найден обильный и доступный источник ауксина.
Им оказалась человеческая моча. Как установили дотошные химики, в среднем
каждый житель планеты ежедневно может давать для нужд биохимии, физиологии
и сельского
хозяйства примерно 1—2 митлиграмма ауксина.
Под названием ауксин объединен целый ряд веществ - регуляторов роста.
Важнейшее из них получило наименование гетероаукснна и представляет собой
бета-индолил-уксусную кислоту, или ИУК. ИУК в изобилии образуется
микроорганизмами -
дрожжами, грибами и бактериями.
ИУК эффективно используют для ускорения образования корней у черенков
плодово-ягодных и других растений. В настоящее время синтезирован целый
ряд ауксинов, среди которых особенно большой активностью обладает бета-
нафтил-уксусная кислота (НУК).
Близко к группе гетероауксинов стоят гербициды, представляющие собой
производные фенокси-уксусной кислоты. В культуре клеток, тканей и органов
чаще всего применяют 2,4-дихлорфенокси-уксусную кислоту (2,4-Д), 2,4,6-
трихлорфенокси-уксусную кислоту и 2-метил-4-хлорфенокси-уксусную кислоту.
Обладают активностью и используются как свободные кислоты, так и
растворимые в воде натриевые и
аммонийные соли этих кислот, а также их эфиры. Кроме того, идут в дело еще
и этаноламиновые соли. Эти гербициды были открыты одновременно в начале
второй мировой войны в США и Великобритании.
2,4-Д может заменить (гетероауксин в культуре тканей, причем он в 10
с лишним раз активнее последнего вызывает образование корней, распад
крахмала, усиливает дыхание. Очень слабые концентрации гербицида действуют
благоприятно на про-
растание семян и на развитие микроорганизмов.
В Японии некогда приметили интересное заболевание молодых растении
риса, вызываемое грибом Gibbcrclla fujukuroi. Наряду с гибелью растений у
некоторых экземпляров, оставшихся в живых, можно было наблюдать энергичный
рост стеблей и
листьев. Как выяснилось, ускорение роста вызывается соединениями,
являющимися продуктами обмена веществ гриба. Эти вещества (терпеноиды),
выделенные в чистом виде получили название гиббереллинов.
Гиббереллины способны стимулировать не только рост, но и цветение. Их
применяют в основном для ускорения прорастания ячменя при изготовлении
солода и для повышения урожайности винограда.
Позднее был открыт ряд соединений, оказывающих сильное стимулирующее
действие на деление растительных клеток - цитокининов. Из них наиболее
активен кинетин. Очень активным соединением явилась дифенилмочевина,
выделенная из
кокосового молока.
Для выявления эффекта действия ростовых веществ необходимы
поразительно малые их концентрации. Одного грамма гетероауксина, например,
достаточно для 10(в13 степени) растений. Чтобы рассадить эти растения,
предоставив каждому площадь питания в квадратный сантиметр, потребовалась
бы пашня площадью более 900 квадратных километров. Чтобы развести грамм
гетероауксина до недеятельной кон-
центрации, необходимо 200 миллиардов литров, для доставки которых
потребовалось бы 400 тысяч железнодорожных составов.
Активность ростовых веществ растений на единицу массы по активности
не уступает активности животных гормонов. Так, активность ауксина для овса
превосходит активность эстрона для мышей в 10 раз, тороксина для человека -
в 100 и андростерона для каплунов — в 1000 раз.
К активным веществам, играющим существенную роль в культуре тканей,
принадлежат и витамины. Так, тиамин (анейрин, витамин В1) участвует в
процессе роста корней. Многократные пассажи (посевы клеток) кончиков корней
без него невозможны. Для роста корней, помимо питательных веществ и
тиамина, необходимы и другие витамины. Например, горох и редис нуждаются
еще в никотиновой кислоте,
на томаты благоприятно действует витамин B6 (еще лучше с никотиновой
кислотой). А вот лен может обойтись одним тиамином.
В зернах злаков тиамин находится в алейроновом слое и, следовательно,
не может присутствовать в полированном рисе. Поэтому преимущественное
употребление его в пищу населением Восточной Азии приводило к вспышкам бери-
бери.
При автоклавировании (автоклавы - герметичные аппараты для выполнения
работ при повышенной температуре и давлении для стерилизации) тиамин
расщепляется на пиримидин и тиазол. Для роста корней томата, оказывается,
достаточно одного тиазола, а для некоторых фитопатогенных грибов - только
пиримидина (при необходимости организм сам синтезирует второй компонент
тиамина). Возможно, это имеет какое-то значение при симбиозе (например, у
лишайников или микротрофных растений), а также паразитизме.
Аскорбиновая кислота (витамин С) важна для роста побегов. Введение
аскорбиновой кислоты ускоряет укоренение черенков и стимулирует прорастание
пыльцы. Предполагают, что она имеет отношение к обмену ростовых веществ у
растений.
Действие аскорбиновой кислоты основано на ее окислительно-
восстановнтельных свойствах: в окислительной форме аскорбиновая кислота
превращается в вещество, тормозящее рост. Не исключено, что она вызывает
актизирование ростового вещества
из его неактивной формы.
Культивируемые штаммы дрожжей нуждаются для своего развития в
веществах биоса — комплексе витаминов. К биосу принадлежит мезоинозит,
бнотин (некогда скоропалительно названный витамином Н, а ныне зачисленный в
группу витамина В) и пантотеновая кислота. Впрочем, пантотеновая кислота
может быть заменена бета-аланином, при помощи которого дрожжи, вероятно,
сами синтезируют пантотеновую кислоту. Дрожжи нуждаются и в тиамине.
Все эти вещества природные штаммы дрожжей синтезируют сами, а вот
культурные дрожжи такую способность утратили - у них наблюдают постепенно
усиливающуюся гетеротрофность - склонность к питанию готовыми органическими
веществами и потерю способности к синтезу одного или нескольких активных
веществ биоса.
В никотиновой кислоте нуждаются корни некоторых растений. Она
встречается постоянно у высших и низших растений. Предполагается, что
никотиновая кислота - универсальное активное вещество.
Пиридоксин (адермин, витамин Be) усиливает рост корней, например, у
томатов и моркови. Под влиянием женского полового гормона млекопитающих
животных - эстрона (фолликулярного гормона) усиливается вегетативное
развитие растений.
Паста с эстроном, нанесенная на цветочные почки дремы, задерживает развитие
тычинок и усиливает развитие завязей. А вот тестостерон - мужской половой
гормон работает прямо противоположно эстрону.
В росте листьев участвуют производные пурина: мочевая кислота и
аденин. Более или менее заметным образом реагирует живая плазма на действие
Н+ или ОН- -ионов. Движение плазмы стимулирует гистидин.
Биорегуляторы используют и в растениеводстве и в животноводстве. В
растениеводстве они, кстати, зачастую помогают сохранить в культуре старые
сорта. Например, виноделы Франции не стремятся к внедрению новых сортов
винограда. Французы любят свои вина, заслужившие за столетия мировую
известность.
То же можно сказать и об обыкновенном картофеле. И в Европе, и в
Америке старые «проверенные» временем сорта удерживаются в производстве
десятилетиями. Никакая реклама новейших сортов население не соблазняет-
привычка решает выбор.
Сорт картофеля Ранняя Роза (Эрли Роуз), выведенный в США в 1861 году, до
сих пор встречается если не на полях, то в огородной культуре на
Американском и Европейском континентах. Еще более стар сорт Гарнет Чили -
прадед большинства американских сортов и ряда европейских; его и по сей
день высаживают близ Сан-Франциско. Столетний юбилей «справил» сорт Айрнш
Коблер; полустолетний возраст у американских сортов Катадин и Чиппева.
Кстати, и пищевой промышленности, перерабатывающей картофель в
хлопья, чипсы, гарни, гранулы, в замороженный и жареный «французский
картофель», также приходится придерживаться десятилетиями «стандартных»
сортов, отвечающих усло-
виям переработки, ибо сортов картофеля, пригодных для выработки некоторых
продуктов, крайне мало. После освоения процесса и техники переработки
одного-двух сортов заводам экономически невыгодно «настраиваться»
(перестраивать технологию и обновлять технику) на новые сорта картофеля.
Тем более что даже такое «простое» требование пищевой промышленности к
селекционерам, как непременная устойчивость сортов к механическим
повреждениям, повергает последних в глубокое уныние (а подобных требований
к перерабатываемому сорту десятки).
Вот почему биотехнологи стремятся как-то помочь старым апробированным
сортам - улучшить их продуктивность, качество или товарный вид.
Привередливые американцы, например, предпочитают апельсины ярко-оранжевой
окраски. Химики предложили для удовлетворения вкуса потребителей
обрабатывать апельсины веществом с малоудобоваримым названием: (2-пара-
диэтиламиноэтоксибензаль) -па-
ра-метоксиацетонфенон.
За десять дней обработки этим биорегулятором количество каротиноидов
возросло в 16 раз. И окраска стала много живее, и полезного провитамина А
значительно прибавилось.
Правда, химики с этим препаратом несколько «пере-химичили»: после
обработки в корке нередко образовывались красные каротиноиды, придававшие
цитрусовым зловещий бордовый цвет, что несколько настораживало
непосвященных. Поэтому прибегли к другим биорегуляторам - диэтилоктиламину
и диэтилнониламину. Содержание каротиноидов увеличивалось всего в два -
пять раз, и ярко-оранжевые
плоды пошли нарасхват. И мякоть стала по цвету ярко-оранжевой, и сок
гляделся попраздничнее.
Нашли также вещества, которые не только глаз тешат, но и аромат
цитрусовых усиливают. Пройдешь мимо магазина в задумчивости, но невольно
вздохнешь полной грудью и вернешься, вспомнив, что забыл к чаю лимон
купить.
Все известные биорегуляторы либо «подстегивают», либо депрессируют
гены (сдерживают их на туго натянутых вожжах), либо вообще «выключают».
Например, упоминавшийся выше биорегулятор с названием, требующим недюжинной
памяти, приостанавливал последующие превращения гамма-каротина, что
благоприятствовало окраске плодов. В будущем подобным способом надеются
повысить содержание действующих веществ в лекарственных растениях.
Искусственному дозариванию зеленых плодов томата помогает обработка
их регуляторами роста: зарубежным препаратом этрел, отечественными -
гидрелом, дигидрелом или декстрелом (они равноценны по физиологической
активности). За 7—10 дней хранения при температуре 18—20° С обработанные
этими препаратами плоды созревают на 90 процентов. Искусственно дозаренные
плоды по питательной ценности ничуть не уступают естественно дозревшим.
У люцерны обнаружен природный регулятор роста триаконтанол -
соединение спиртовой природы, включающее 30 атомов углерода. Он
концентрируется главным образом в кутикуле - надкожице, покрывающей
поверхность листьев. В концентрации
1 микрограмм на литр трнаконтанол повышает урожай картофеля на 20
процентов. Обработка им семян овощных культур усиливает рост растений и
повышает урожайность на 17—25 процентов. Полагают, что триаконтанол
активирует некоторые ферменты или влияет на мембраны, интенсифицируя
процессы метаболизма - обмена веществ.
В начале 20-х годов медики обнаружили, что если крысам вводить
экстракты из гипофиза - мозгового придатка, расположенного у основания
мозга, то они начинают расти заметно охотнее и достигают размеров хорошо
откормленного кота. Действующим веществом оказался вырабатываемый гипофизом
гормон роста, получивший название соматотропина, или соматотропного гормона
(СТГ). При избытке этого гормона в организме вырастают крупные животные -
гиганты в пределах своей популяции; недостаток же обусловливает карликовый
рост и всевозможные уродства - непропорциональное увеличение отдельных
частей тела.
В конце 60-х годов биохимики-медики выделили соматотропин в чистом
виде, изучили его состав и структуру. Выяснилось, что это белок, состоящий
из 191 аминокислотного остатка. Но ученых ждало разочарование. Хотя
соматотропины животных и были близки человеческому по своей структуре, но,
как оказалось, имели несколько иной аминокислотный состав, иную
последовательность аминокислот
в полипептидной цепи и даже иные размеры молекул. Кроме того, в отличие от
других гормонов они обладали видовой специфичностью - гормон животного не
действовал на человека. В общем-то соматотропные гормоны вполне
удовлетворили бы животноводов, если бы не одна трудность: получать их из
такого сырья, как гипофизы убойных животных, экономически нецелесообразно.
Ныне разрабатывают приемы синтеза соматотропных гормонов (СТГ) методами
генной инженерии. В лабораторных условиях Института биоорганической химии
имени М. М. Шемякина и Института молекулярной биологии синтезированные
гормоны уже «работают».
Биохимиков-«животноводов», включившихся в соревнование с химиками от
медицины в 40—50-х годах, при первых же, казалось бы. блестящих успехах
(были синтезированы гормоны роста животных - синтетические эстрогены)
осадили «коварные» медики, которые приписали новым препаратам некоторые
побочные явления.
Но химики-«животноводы» не успокоились. Они решили обратиться к
природным эстрогенам, таким как эстрадиол, эстрон, эстриол. Последние
быстро
включаются в обмен и быстро выводятся; кроме того, легко разрушаются при
варке и жарений мяса. И действие их весьма эффективно: при однократном
введении под кожу (так используют и другие гормоны) 50 миллиграммов
валерианата эстраднола сред-
несуточный прирост массы бычков увеличивается на 17—20 процентов.
Производные андрогенов - анаболические стероиды в тех же условиях при дозе
150—200 миллиграммов тоже повысили прирост массы животных на 15—20
процентов.
Микоэстраген - зеранол, получаемый из плесени кукурузы, по данным
исследователей нескольких стран, после однократного введения обеспечивает
в течение 120 дней прирост массы бычков на 10 процентов.
Реферат на тему: Биотехнология
Министерство образования Российской Федерации
Сибирский Государственный Технологический Университет
Кафедра Физиологии
РЕФЕРАТ
На тему: Биотехнология.
Выполнил: Студент гр.32-6
Мулява Владимир Валерьевич
Проверила:Сунцова Людмила Николаевна
Красноярск 2001г.
Содержание
ВВЕДЕНИЕ 3
БИОТЕХНОЛОГИЯ НА СЛУЖБЕ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА, ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И НАУКИ 5
1. Биотехнология и сельское хозяйство 5
Биотехнология и растениеводство 5
Биотехнология и животноводство. 10
2. Технологическая биоэнергетика 11
Получение этанола как топлива. 11
Получение метана и других углеводородов. 12
Получение водорода как топлива будущего. 13
Пути повышения эффективности фотосинтетических систем. 14
Биотопливные элементы. 14
3. Биотехнология и медицина 15
Антибиотики. 15
Гормоны. 17
Интерфероны, интерлейкины, факторы крови. 18
Моноклокальные антитела и ДНК-или РНК-пробы. 19
Рекомбинантные вакцины и вакцины-антигены. 20
Ферменты медицинского назначения. 21
4. Биотехнология и пищевая промышленность 21
5. Биогеотехнология 24
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 25
Список используемой литературы. 27
ВВЕДЕНИЕ
С древних времен известны отдельные биотехнологические процессы,
используемые в различных сферах практической деятельности человека. К ним
относятся хлебопечение, виноделие, приготовление кисло-молочных продуктов и
т. д. Однако биологическая сущность этих процессов была выяснена лишь в XIX
в., благодаря работам Л. Пастера. В первой половине XX в. сфера приложения
биотехнологии пополнилась микробиологическим производством ацетона и
бутанола, антибиотиков, органических кислот, витаминов, кормового белка.
Немаловажный вклад в биотехнологические разработки внесли советские
исследователи: в СССР в 30-е годы были построены первые заводы по получению
кормовых дрожжей на гидролизатах древесины, сельскохозяйственных отходах и
сульфитных щелоках, под руководством В. Н. Шапошникова успешно внедрена
технология микробиологического производства ацетона и бутанола. Большую
роль в создание основ отечественной биотехнологии внесло учение Шапошникова
о двухфазном характере брожения. В 1926 г. в СССР были исследованы
биоэнергетические закономерности окисления углеводородов микроорганизмами.
В последующие годы биотехнологические разработки широко использовались в
нашей стране для расширения «ассортимента» антибиотиков для медицины и
животноводства, ферментов, витаминов, ростовых веществ, пестицидов.
С момента создания в 1963 г. Всесоюзного научно-исследовательского
института биосинтеза белковых веществ в нашей стране налаживается
крупнотоннажное производство богатой белками биомассы микроорганизмов как
корма. В 1966 г. микробиологическая промышленность была выделена в
отдельную отрасль (Главное управление микробиологической промышленности при
Совете Министров СССР — Главмикробиопром). Имеются ценные разработки по
получению новых источников энергии биотехнологическим путем
(технологическая биоэнергетика), отметим большое значение биогаза -
заменителя топлива, получаемого из недр земли.
Значительные успехи, достигнутые во второй половине XX в. в фундаментальных
исследованиях в области биохимии, биоорганической химии и молекулярной
биологии, создали предпосылки для управления элементарными механизмами
жизнедеятельности клетки, что явилось мощным импульсом для развития
биотехнологии. Выяснение роли нуклеиновых кислот в передаче наследственной
информации, расшифровка генетического кода, раскрытие механизма индукции и
репрессии генов, совершенствование технологии культивирования
микроорганизмов, клеток и тканей растений и животных позволили разработать
методы
генетической и клеточной инженерии, с помощью которых можно искусственно
создавать новые формы высокопродуктивных организмов. Генетическая и
клеточная инженерия рассматривается как принципиально новое направление
биологической науки, которое сегодня ставят в один ряд с расщеплением
атома, преодолением земного притяжения и созданием средств электроники (Ю.
А. Овчинников, 1985).
В разработку генноинженерных методов советские исследователи включились в
1972 г. Следует указать на успешное осуществление проекта «Ревертаза» —
получение в промышленных масштабах обратной транскриптазы в СССР.
С 1970 г. в нашей стране ведутся интенсивные исследования по селекции
культур для непрерывного культивирования в промышленных целях.
Развитие методов для изучения структуры белков, выяснение механизмов
функционирования и регуляции активности ферментов открыли путь к
направленной модификации белков и привели к рождению инженерной
энзимологии. Иммобилизованные ферменты, обладающие высокой стабильностью,
становятся мощным инструментом для осуществления каталитических реакций в
различных отраслях промышленности.
Все эти достижения поставили биотехнологию на новый уровень, качественно
отличающийся от прежнего возможностью сознательно управлять клеточными
процессами. В современном звучании биотехнология — это промышленное
использование биологических процессов и агентов на основе получения
высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и
животных с заданными свойствами.
Биотехнология — междисциплинарная область научно-технического прогресса,
возникшая на стыке биологических, химических и технических наук.
Биотехнологический процесс включает ряд этапов: подготовку объекта, его
культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование продуктов.
Многоэтапность процесса обусловливает необходимость привлечения к его
осуществлению самых различных специалистов: генетиков и молекулярных
биологов, биохимиков и биооргаников, вирусологов, микробиологов и клеточных
физиологов, инженеров-технологов, конструкторов биотехнологического
оборудования и др.
В Комплексной программе научно-технического прогресса стран — членов СЭВ в
качестве первоочередных задач биотехнологии определены создание и широкое
народнохозяйственное освоение:
— новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов для
медицины (интерферонов, инсулина, гормонов роста человека, моноклональных
антител и т.д.), позволяющих осуществить в здравоохранении раннюю
диагностику и лечение тяжелых заболеваний — сердечно-сосудистых,
злокачественных, наследственных, инфекционных, в том числе вирусных;
— микробиологических средств защиты растений от болезней и вредителей,
бактериальных удобрений и регуляторов роста растений; новых
высокопродуктивных и устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды
сортов и гибридов сельскохозяйственных растений, полученных методами
генетической и клеточной инженерии;
— ценных кормовых добавок и биологически активных веществ (кормового белка,
аминокислот, ферментов, витаминов, ветеринарных препаратов и др.) для
повышения продуктивности животноводства; новых методов биоинженерии для
эффективной профилактики, диагностики и терапии основных болезней
сельскохозяйственных животных;
— новых технологий получения хозяйственно ценных продуктов для
использования в пищевой, химической, микробиологической и других отраслях
промышленности;
— технологий глубокой и эффективной переработки сельскохозяйственных,
промышленных и бытовых отходов, использования сточных вод и газовоздушных
выбросов для получения биогаза и высококачественных удобрений.
По оценкам специалистов, мировой рынок биотехнологической продукции уже к
середине 90-х годов достигнет уровня 130—150 млрд. руб. (Ю. А. Овчинников,
1985).
На пути решения поставленных задач биотехнологию подстерегают немалые
трудности, связанные с исключительной сложностью организации живого. Любой
биообъект — это целостная система, в которой нельзя изменить ни один из
элементов, не меняя остальных, нельзя произвольно перекомбинировать их,
придавая организму то или иное желаемое свойство, например бактерии —
способность к сверхсинтезу требуемой аминокислоты, сельскохозяйственному
растению — устойчивость к фитопатоген-ным грибкам. Любое воздействие на
объект вызывает не только желаемые, но и побочные эффекты; перестройка
генома сказывается сразу на многих признаках организма. У человека
существуют гены, отвечающие за злокачественное перерождение клеток.
Высказывалось немало идей о необходимости превентивных генетических
операций, пока не было установлено, что эти гены необходимы и для
нормального роста. Помимо этого, экосистема также представляет собой
целостную систему и изменения каждого из ее компонентов сказываются на
остальных компонентах. Не исключено, что плазмида, с помощью которой
трансплантирован желаемый ген культурному растению, будет далее
передаваться сорнякам. Не будет ли в результате генных манипуляций
превращаться в сорняк само культурное растение?
Успехи, достигнутые в области генетической и клеточной инженерии на
простейших биологических системах, прокариотных организмах, вселяют
уверенность в преодолимость рассмотренных трудностей. Что касается более
сложных систем, а именно эукариотных организмов, то здесь делаются лишь
первые шаги, идет накопление фундаментальных знаний.
БИОТЕХНОЛОГИЯ НА СЛУЖБЕ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА, ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И НАУКИ
Биотехнологические разработки могут внести немаловажный вклад в решение
комплексных проблем народного хозяйства, здравоохранения и науки.
Для удовлетворения пищевых потребностей необходимо увеличить эффективность
растениеводства и животноводства. Именно на это, в первую очередь, нацелены
усилия биотехнологов. Кроме того, биотехнология предлагает как источник
кормового (возможно, и пищевого) белка клеточную массу бактерий, грибов и
водорослей.
Во-вторых, повышение цен на традиционные источники энергии (нефть,
природный газ, уголь) и угроза исчерпания их запасов побудили человечество
обратиться к альтернативным путям получения энергии. Биотехнология может
дать ценные возобновляемые энергетические источники: спирты, биогенные
углеводороды, водород. Эти экологически чистые виды топлива можно получать
путем биоконверсии отходов промышленного и сельскохозяйственного
производства.
В-третьих, уже в наши дни биотехнология оказывает реальную помощь
здравоохранению. Нет сомнений в терапевтической ценности инсулина, гормона
роста, интерферонов, факторов свертывания крови и иммунной системы,
тромболитических ферментов, изготовленных биотехнологическим путем. Помимо
получе ния лечебных средств, биотехнология позволяет проводить раннюю
диагностику инфекционных заболеваний и злокачественных новообразований на
основе применения препаратов антигенов, моноклональных антител, ДНК/РНК-
проб. С помощью новых вакцинных препаратов возможно предупреждение
инфекционных болезней.
В-четвертых, биотехнология может резко ограничить масштабы загрязнения
нашей планеты промышленными, сельскохозяйственными и бытовыми отходами,
токсичными компонентами автомобильных выхлопов и т. д. Современные
разработки нацелены
на создание безотходных технологий, на получение легко разрушаемых
полимеров (в частности, биогенного происхождения: поли-?-оксибутирата,
полиамилозы) и поиск новых активных микроорганизмов-разрушителей полимеров
(полиэтилена, полипропилена, полихлорвинила). Усилия биотехнологов
направлены также на борьбу с пестицидными загрязнениями — следствием
неумеренного и нерационального применения ядохимикатов.
Биотехнологические разработки играют важную роль в добыче и переработке
полезных ископаемых, получении различных препаратов и создании новой
аппаратуры для аналитических целей.
1. Биотехнология и сельское хозяйство
Биотехнология и растениеводство
Культурные растения страдают от сорняков, грызунов, насекомых-вредителей,
нематод, фитопатогенных грибов, бактерий, вирусов, неблагоприятных погодных
и климатических условий. Перечисленные факторы наряду с почвенной эрозией и
градом значительно снижают урожайность сельскохозяйственных растений.
Известно, какие разрушительные последствия в картофелеводстве вызывает
колорадский жук, а также гриб Phytophtora — возбудитель ранней гнили
(фитофтороза) картофеля. Кукуруза подвержена опустошительным «набегам»
южной листовой гнили, ущерб от которой в США в 1970 г. был оценен в 1 млрд.
долларов.
В последние годы большое внимание уделяют вирусным заболеваниям растений.
Наряду с болезнями, оставляющими видимые следы на культурных растениях
(мозаичная болезнь табака и хлопчатника, зимняя болезнь томатов), вирусы
вызывают скрытые инфекционные процессы, значительно снижающие урожайность
сельскохозяйственных культур и ведущие к их вырождению.
Биотехнологические пути защиты растений от рассмотренных вредоносных
агентов включают: 1) выведение сортов растений, устойчивых к
неблагоприятным факторам; 2) химические средства борьбы (пестициды) с
сорняками (гербициды), грызунами (ратициды), насекомыми (инсектициды),
нематодами (нематоциды), фитопатогенными грибами (фунгициды), бактериями,
вирусами; 3) биологические средства борьбы с вредителями, использование их
естественных врагов и паразитов, а также токсических продуктов, образуемых
живыми организмами.
Наряду с защитой растений ставится задача повышения продуктивности
сельскохозяйственных культур, их пищевой (кормовой) ценности, задача
создания сортов растений, растущих на засоленных почвах, в засушливых и
заболоченных районах. Разработки нацелены на повышение энергетической
эффективности различных процессов в растительных тканях, начиная от
поглощения кванта света и кончая ассимиляцией СО2 и водно-солевым обменом.
Выведение новых сортов растений. Традиционные подходы к выведению новых
сортов растений — это селекция на основе гибридизации, спонтанных и
индуцированных мутаций. Методы селекции не столь отдаленного будущего
включают генетическую и клеточную инженерию.
Генетическую инженерию предлагают использовать для выведения
азотфиксирующих растений. В природных условиях азотфиксирующие клубеньковые
бактерии, представители рода Rhizobium, вступают в симбиоз с бобовыми.
Комплекс генов азотфиксации (nif) из этих или иных бактерий предлагают
включить в геном злаковых культур. Трудности связаны с поиском подходящего
вектора, поскольку широко используемые для подобных целей Agrobacterium с
плазмидами Ti и Ri не заселяют злаки. Планируют модификацию генома
Agrobacterium, чтобы бактерия могла вступать в симбиоз со злаками и
передавать им генетическую информацию. Другим решением проблемы могла бы
быть трансформация растительных протопластов посредством ДНК. К компетенции
клеточной инженерии относят создание новых азотфиксирующих симбиотических
ассоциаций «растение — микроорганизм».
В настоящее время выделены и клонированы гены sym, отвечающие за
установление симбиотических отношений между клубеньковыми азотфиксаторами и
растением-хозяином. Путем переноса этих генов в свободноживущие
азотфиксирующие бактерии (Klebsiella, Azotobacter) представляется возможным
заставить их вступить в симбиоз с ценными сельскохозяйственными культурами.
Методами генетической инженерии предполагают также повысить уровень
обогащения почвы азотом, амплифици-руя гены азотфиксации у Klebsiella и
Azotobacter.
Разрабатываются подходы к межвидовому переносу генов asm, обусловливающих
устойчивость растений к нехватке влаги, жаре, холоду, засоленности почвы.
Перспективы повышения эффективности биоконверсии энергии света связаны с
модификацией генов, отвечающих за световые и темновые стадии этого
процесса, в первую очередь генов cfx, регулирующих фиксацию СО2 растением.
В этой связи представляют большой интерес
разработки по межвидовому переносу генов, кодирующих хлорофилл а/b-
связывающий белок и малую субъединицу рибулозо-бис-фосфаткарбоксилазы —
ключевого фермента в фотосинтетической фиксации СО2.
Гены устойчивости к некоторым гербицидам, выделенные из бактерий и дрожжей,
были успешно перенесены в растения табака. Разведение устойчивых к
гербицидам растений открывает возможность их применения для уничтожения
сорняков непосредственно на угодьях, занятых сельскохозяйственными
культурами. Проблема состоит, однако, в том, что массивные дозы гербицидов
могут оказаться вредными для природных экосистем.
Некоторые культурные растения сильно страдают от нематод. Обсуждается
проект введения в растения новых генов, обусловливающих биосинтез и
выделение нематоцидов корневыми клетками. Важно, чтобы эти нематоциды не
проявляли токсичности по отношению к полезной прикорневой микрофлоре.
Возможно также создание почвенных ассоциаций «растение — бактерия» или
«растение — гриб (микориза)» так, чтобы бактериальный (грибной) компонент
ассоциации отвечал за выделение нематоцидов.
Важное место в выведении новых сортов растений занимает метод
культивирования растительных клеток in vitro. Регенерируемая из таких
клеток «молодая поросль» состоит из идентичных по генофонду экземпляров,
сохраняющих ценные качества избранного клеточного клона. В Австралии из
культивируемых in vitro клеточных клонов выращивают красные камедные
деревья (австралийские эвкалипты), отличающиеся способностью расти на
засоленных почвах. Предполагается, что корни этих растений будут выкачивать
воду из таких почв и тем самым понижать уровень грунтовых вод. Это приведет
к снижению засоленности поверхностных слоев почвы в результате переноса
минеральных солей в более глубокие слои с потоками дождевой воды. В
Малайзии из клеточного клона получена масличная пальма с повышенной
устойчивостью к фитопатогенам и увеличенной способностью к образованию
масла (прирост на 20—30%). Клонирование клеток с последующим их скринингом
и регенерацией растений из отобранных клонов рассматривают как важный метод
сохранения и улучшения древесных пород умеренных широт, в частности хвойных
деревьев. Растения-регенеранты, выращенные из клеток или тканей меристемы,
используют ныне для разведения спаржи, земляники, брюссельской и цветной
капусты, гвоздик, папоротников, персиков, ананасов, бананов.
С клонированием клеток связывают надежды на устранение вирусных заболеваний
растений. Разработаны методы, позволяющие получать регенеранты из тканей
верхушечных почек растений. В дальнейшем среди регенерированных растений
проводят отбор особей, выращенных из незараженных клеток, и выбраковку
больных растений. Раннее выявление вирусного заболевания, необходимое для
подобной выбраковки, может быть осуществлено методами иммунодиагностики, с
использованием моноклональных антител или методом ДНК/РНК-проб.
Предпосылкой для этого является получение очищенных препаратов
соответствующих вирусов или их структурных компонентов.
Клонирование клеток — перспективный метод получения не только новых сортов,
но и промышленно важных продуктов. При правильном подборе условий
культивирования, в частности при оптимальном соотношении фитогормонов,
изолированные клетки более продуктивны, чем целые растения. Иммобилизация
растительных клеток или протопластов нередко ведет к повышению их
синтетической активности. Табл. 6 включает биотехнологические процессы с
использованием культур растительных клеток, наиболее перспективные для
промышленного внедрения.
Коммерческое значение в основном имеет промышленное производство шиконина.
Применение растительных клеток, которые являются высокоэффективными
продуцентами алкалоидов, терпенов, различных пигментов и масел, пищевых
ароматических добавок (земляничной, виноградной, ванильной, томатной,
сельдерейной, спаржевой) наталкивается на определенные трудности, связанные
с дороговизной используемых технологий, низким выходом целевых продуктов,
длительностью производственного процесса.
Таким образом, биотехнология открывает широкие перспективы в области
выведения новых сортов растений, устойчивых к неблагоприятным внешним
воздействиям, вредителям, патогенам, не требующих азотных удобрений,
отличающихся высокой продуктивностью.
Таблица 1. Примеры клеточных культур — высокоэффективных продуцентов
ценных соединений (по О. Sahai, M. Knuth, 1985. К. Hahlbrock. 1986)
|Вид растения |Целевой продукт |Предполагаемое применение |
|Lithospermum |Шиконин и его |Красный пигмент, |
|erithrorhizon |производные |используемый в косметике |
|(воробейник) | |как «биологическая губная|
| | |помада», |
| | |антибактериальный агент, |
| | |используемый при лечении|
| | |ран, ожогов, геморроя |
|Nicotiana tabacum |Убихинон- 10 |Важный компонент |
|(табак) | |дыхательной и |
| | |фотосинтетической цепей |
| | |переноса электронов, |
| | |применяемый как витамин и |
| | |в аналитических целях |
|To же |Глутатион |Участник многих |
| | |окислительно-восстановитель|
| | |ных реакций в клетке, |
| | |приравнивается к витамину |
|Morinda citrifolia |Антрахиноны |Сырье для лакокрасочной |
| | |промышленности |
|Coleus blumei |Розмариновая |Жаропонижающее средство, |
| |кислота |проходящее клинические |
| | |испытания |
|Berberis stolonifera |Ятрорризин |Спазмолитическое |
|(барбарис) | |лекарственное средство |
Биодеградация пестицидов. Пестициды обладают мощным, но недостаточно
избирательным действием. Так, гербициды, смываясь дождевыми потоками или
почвенными водами на посевные площади, наносят ущерб сельскохозяйственным
культурам. Помимо этого, некоторые пестициды длительно сохраняются в почве,
что тоже приводит к потерям урожая. Возможны разные подходы к решению
проблемы: 1) усовершенствование технологии применения пестицидов, что не
входит в компетенцию биотехнологии; 2) выведение растений, устойчивых к
пестицидам; биодеградация пестицидов в почве.
К разрушению многих пестицидов способна микрофлора почвы. Методами
генетической инженерии сконструированы штаммы микроорганизмов с повышенной
эффективностью биодеградации ядохимикатов, в частности штамм Pseudomonas
ceparia, разрушающий 2, 4, 5-трихлорфеноксиацетат. Устойчивость того или
иного пестицида в почве меняется при добавлении его в сочетании с другим
пестицидом. Так, устойчивость гербицида хлорпро-фама увеличивается при его
внесении совместно с инсектицидами из группы метилкарбаматов. Оказалось,
что метилкарбаматы ингибируют микробные ферменты, катализирующие гидролиз
хлорпрофама.
Микробная трансформация пестицидов имеет и оборотную сторону. Во-первых,
быстрая деградация пестицидов сводит на нет их полезный эффект. Во-вторых,
в результате микробного превращения могут образоваться продукты, сильно
ядовитые для растений. При использовании гербицида тиобенкарба в Японии
наблюдали подавление роста и развития риса. Установлено, что подавляет не
сам гербицид, а его дехлорированное производное S-бензил-N,N-
диэтилтиокарбамат. Чтобы предотвратить образование такого производного,
тиобенкарб применяют в комбинации с метоксифеном, ингибитором
дехлорирующего фермента микроорганизмов.
Биологическая защита растений от вредителей и патогенов. Из широкого
спектра биологических средств защиты растений ограничимся рассмотрением
средств борьбы с насекомыми-вредителями и патогенными микроорганизмами.
Именно в этих областях имеются наибольшие перспективы.
К традиционным биологическим средствам, направленным против насекомых,
принадлежат хищные насекомые. В последние годы арсенал «оружия»
инсектицидного действия пополнен грибами, бактериями, вирусами, патогенными
для насекомых (энтомо-патогенными). Многие виды насекомых-вредителей (тля,
колорадский жук, яблоневая плодожорка, озимая совка и др.) восприимчивы к
заболеванию, вызываемому грибом Beauveria bussiana. Препарат боверин из
лиофильно высушенных конидий гриба сохраняет энтомопатогенность в течение
года после обработки почвы или растений. Препарат пецилолин из гриба
Poecilomyces fumoso-roseus применяют для борьбы с вредителями кустарников,
например смородины.
Важным источником бактериальных энтомопатогенных препаратов служит Bacillus
thuringiensis. Эти препараты обладают высокой устойчивостью и патогенны для
нескольких сотен видов насекомых-вредителей, в том числе для листогрызущих
насекомых — вредителей яблонь, винограда, капусты, лесных деревьев. Гены,
отвечающие за синтез одного из токсинов В. thuringiensis, были изолированы
и перенесены в растения табака. Необходимо, чтобы такие «энтомопатогенные»
растения не содержали веществ, токсичных для человека и животных.
Вирусные препараты отличаются высокой специфичностью действия, длительным
(до 10—15 лет) сохранением активности, устойчивостью к колебаниям
температуры и влажности. Из многих сотен известных энтомопатогенных вирусов
наибольшее применение находят вирусы ядерного полиэдроза, обладающие
высокой эффективностью действия на насекомых-вредителей. Насекомых
выращивают в искусственных условиях, заражают вирусом, из гомогенатов
погибших насекомых готовят препараты. Применяют отечественные препараты
вирин-ЭКС (против капустной совки), вирин-ЭНШ (против непарного
шелкопряда). В последние годы для культивирования вирусов широко применяю;
культуры клеток насекомых.
Комбинация из нескольких биологических средств нередко действует
на вредителей более эффективно, чем каждый в от дельности. Смертность
соснового шелкопряда резко возрастает, если вирус цитоплазматического
полиэдроза применяют в сочетании с препаратами из Вас. thuringiensis.
Эффективна комбинация биологических и химических средств защиты
растений от насекомых.
Среди новых средств защиты растений — вещества биогенного происхождения,
ингибирующие откладку яиц насекомыми или стимулирующие активность
естественных врагов насекомых вредителей: хищников, паразитов .
Разнообразны средства защиты растений от фитопатогенных микроорганизмов.
1. Антибиотики. Примерами могут служить триходермин и трихотецин,
продуцируемые грибами Trichoderma sp. и Trichotecium roseum. Эти
антибиотики используются для борьбы с корневыми гнилями овощных, зерновых и
технических культур.
2. Фитоалексины, естественные растительные агенты, инактивирующие
микробных возбудителей заболеваний. Эти соединения, синтезируемые
в тканях растений в ответ на внедрение фитопатогенов, могут
служить высокоспецифичными замените-
лями пестицидов. Фитоалексин перца успешно применяли при фитофторозе. Могут
быть использованы также вещества, стимулирующие синтез фитоалексинов в
растительных тканях.
3. Использование микробов-антагонистов, вытесняющих патогенный вид и
подавляющих его развитие.
4. Иммунизация и вакцинация растений. Вакцинные препараты стремятся вводить
непосредственно в прорастающие семена.
5. Введение в ткани растений специфичного агента (d-фактора), снижающего
жизнеспособность возбудителя.
Биологические средства — важная составная часть комплексной программы
защиты растений. Эта программа предусматривает проведение защитных
мероприятий агротехнического, биологического и химического плана наряду с
использованием устойчивых сортов растений. Задачей комплексной программы
является поддержание численности вредителей растений на экологически
сбалансированном уровне, не наносящем ощутимого вреда культурным растениям.
Биологические удобрения. Биологические (бактериальные) удобрения применяют
для обогащения почвы связанным азотом. Большое распространение получили
препараты нитрагин и азотобактерин — клетки клубеньковых бактерий и
азотобактера, к которым добавляют стабилизаторы (мелассу, тиомочевину) и
наполнитель (бентонит, почву). Азотобактерин обогащает почву не только
азотом, но и витаминами и фитогормонами, гиббереллинами и гетероауксинами.
Препарат фосфо-бактерин из Bacillus megaterium превращает сложные
органические соединения фосфора в простые, легко усвояемые растениями.
Фосфобактерин также обогащает почву витаминами и улучшает азотное питание
растений.
Растения синтезируют ряд соединений, регулирующих их рост и развитие
(фитогормоны, биорегуляторы). К их числу принадлежат ауксины, гиббереллины,
цитокинины. Созревание плодов стимулирует этилен. Эти биорегуляторы находят
применение в сельском хозяйстве. К числу новых, обнаруженных в последние
годы биорегуляторов относят пептиды, имеются перспективы их применения в
сельском хозяйстве.
Биотехнология и животноводство.
Большое значение в связи с интенсификацией животноводства отводится
профилактике инфекционных заболеваний сельскохозяйственных животных с
применением рекомбинантных живых вакцин и генноинженерных вакцин-антигенов,
ранней диагностике этих заболеваний с помощью моноклональных антител и
ДНК/РНК-проб.
Для повышения продуктивности животных нужен полноценный корм.
Микробиологическая промышленность выпускает кормовой белок на базе
различных микроорганизмов — бактерий,
грибов, дрожжей, водорослей. Богатая белками биомасса одноклеточных
организмов с высокой эффективностью усваивается сельскохозяйственными
животными. Так, 1 т кормовых дрожжей позволяет получить 0,4- 0,6 т свинины,
до 1,5 т мяса птиц, 25—30 тыс. яиц и сэкономить 5—7 т зерна (Р. С. Рычков,
1982). Это имеет большое народнохозяйственное значение, поскольку 80%
площадей сельскохозяйственных угодий в мире отводятся для производства
корма скоту и птице.
Одноклеточные организмы характеризуются высоким содержанием белка — от 40
до 80% и более. Белок одноклеточных богат лизином, незаменимой
аминокислотой, определяющей его кормовую ценность. Добавка биомассы
одноклеточных к недостаточным по лизину растительным кормам позволяет
приблизить их аминокислотный состав к оптимальному. Недостатком биомассы
одноклеточных является нехватка серусодержащих аминокислот, в первую
очередь метионина. У одноклеточных его приблизительно вдвое меньше, чем в
рыбной муке. Этот недостаток присущ и таким традиционным белковым кормам,
как соевая мука. Питательная ценность биомассы одноклеточных может быть
значительно повышена добавкой синтетического метионина.
Производство кормового белка на основе одноклеточных — процесс, не
требующий посевных площадей, не зависящий от климатических и погодных
условий. Он может быть осуществлен в непрерывном и автоматизированном
режиме.
В нашей стране производится биомасса одноклеточных, в особенности на базе
углеводородного сырья. Достигнутые успехи не должны заслонять проблемы,
возникающей при использовании углеводородов как субстратов для
крупномасштабного производства белка, — ограниченность их ресурсов.
Важнейшими альтернативными субстратами служит метанол, этанол, углеводы
растительного происхождения, в перспективе водород.
Очищенный этанол на мировом рынке стоит почти вдвое дороже метанола, но
этанол отличается очень высокой эффективностью биоконверсии. Из 1 кг
этанола можно получить до 880 г дрожжевой массы, а из 1 кг метанола-до 440
г. Биомасса из этанола особенно богата лизином — до 7%.
Большое значение для животноводства имеет обогащение растительных кормов
микробным белком. Для этого широко применяют твердофазные процессы.
Перспективными источниками белка представляются фото-трофные
микроорганизмы, в особенности цианобактерии рода Spirulina и зеленые
одноклеточные водоросли из родов Chlorella и Scenedesmus. Наряду с обычными
аппаратами для их выращивания используют искусственные водоемы. Добавление
к растительным кормам биомассы Scenedesmus позволяет резко повысить
эффективность усвоения белков животными.
Таким образом, существуют разнообразные источники сырья для получения
биомассы одноклеточных. Некоторые субстраты (этанол) дают столь
высококачественный белок, что он может быть рекомендован в пищу.
Цианобактерии рода Spirulina издавна используют в пищу ацтеки в Центральной
Америке и племена, обитающие на озере Чад в Африке.
2. Технологическая биоэнергетика
Технологическая биоэнергетика — одно из направлений биотехнологии,
связанное с эффективным использованием энергии, запасаемой при фотосинтезе.
Это может быть достигнуто путем: 1) превращения биомассы, накопленной в
результате фотосинтеза в дешевое и высококалорийное топливо — метан и
другие углеводороды, этанол и т. д.; 2) модификации самого процесса
фотосинтеза, в результате которой энергия света с максимальной
эффективностью используется на образование водорода или другого топлива,
минуя стадию фотоассимиляции СО2 и синтеза компонентов клетки. На уровне
теоретических разработок находится идея непосредственного преобразования
энергии Солнца в электрическую (биофотоэлектрические преобразователи
энергии).
Рассмотрим вначале путь, пролегающий через использование биомассы, в первую
очередь, растительной, ресурсы которой в мире огромны и оцениваются в 100
млрд. т по сухому веществу в год. Лишь незначительная часть ее расходуется
человечеством, но и эта часть дает до 14% потребляемой в мире энергии.
Биомасса — не только возобновляемый и почти даровой источник энергии, но и
альтернатива тающим запасам полезных иск | |
