Е. Н. Маслак

Биотехнология

Урок биологии в 9-м классе

Сегодня мы познакомимся с очень интересной темой «Биотехнология». Слово «биотехнология» состоит из двух смысловых частей: «био» и «технология». «Био» – «жизнь», а слово «технология» само образовано из двух частей: «техне» – мастерство и «логос» – учение. В современном языке «технология» имеет еще и значение «способ промышленного производства». Таким образом, биотехнология – это использование процессов жизнедеятельности организмов для получения промышленным способом необходимой человеку продукции. Запишите это определение в тетради.

Человек издавна использовал живые организмы для получения необходимой продукции, но сначала делал это далеко не в промышленных масштабах. Среди этих организмов одноклеточные грибы (пекарские и пивные дрожжи), молочнокислые бактерии. Теперь вы легко сможете привести примеры продукции, получаемой с помощью этих организмов.

Биотехнология затрагивает все области жизни современного человека.

Хотели бы вы узнать, как с помощью микроскопических организмов получают антибиотики? Можно ли получить витамины и лекарства с помощью микроорганизмов? Что называют «пищей Франкенштейна» и почему вокруг генетически модифицированных продуктов столько споров? Чем знаменита овечка Долли? Почему сейчас о ней ничего не пишут?

Как говорили древние, не стыдно не знать – стыдно не хотеть знать. Так о чем вам больше всего хотелось бы узнать? (Учащиеся отвечают по цепочке: определяют личностно значимые цели урока.)

Запишем в тетради таблицу:

Традиционная биотехнология	Новейшая биотехнология
Производства с использованием дрожжей Получение молочнокислой продукции	Производство антибиотиков, ферментов, витаминов Генная инженерия Клеточная инженерия

По стандарту биологического образования тема «Биотехнология» изучается очень кратко: весь материал изложен на двух страницах учебника (Пономарева И.Н., Корнилова О.А., Чернова Н.М. Основы общей биологии. 9-й класс. §31). Этот обязательный минимум вы прочитаете в учебнике дома, а сегодня на уроке мы рассмотрим интересующие вас вопросы из области биотехнологии.

Традиционная биотехнология

Одним из самых древних биотехнологических производств считают хлебопечение, при котором используется спиртовое брожение, вызываемое одноклеточными грибами – дрожжами.

К традиционной биотехнологии также относится и производство молочнокислых продуктов, основанное на использовании молочнокислого брожения – разложения сахара до молочной кислоты молочнокислыми бактериями: С₆Н₁₂О₆ → 2 С₃Н₆О₃. В зависимости от особенностей процесса, получаются разные продукты.

Простоквашу получают с помощью молочнокислых стрептококков.

Ацидофилин – с помощью ацидофильных палочек, молочнокислых стрептококков и кефирной грибковой закваски.

Кефир – с помощью молочнокислых стрептококков, молочнокислых палочек, уксуснокислых бактерий и молочных дрожжей (кефир – это продукт смешанного брожения: молочнокислого и спиртового).

Йогурт – с помощью молочнокислых стрептококков и болгарской палочки.

Сметану вырабатывают из сливок с помощью чистых культур молочнокислых стрептококков.

Творог – белковый молочнокислый продукт – получают сквашиванием молока чистыми культурами молочнокислых бактерий с применением сычужных ферментов и удалением части сыворотки с отпрессовыванием белковой массы.

Сыр – творожное изделие, подвергающееся созреванию (короткому 1–2 ч или очень длительному – до двух лет, как при производстве твердых сыров).

Производство сыра рассмотрим подробнее. Оно состоит из нескольких этапов.

Первый этап – образование казеинового сгустка. Молоко сквашивается и свертывается с помощью молочнокислых бактерий в сочетании с сычужным ферментом телят. Чаще всего используются молочнокислые стрептококки: Str. lactis, Str. thermophilus, молочнокислые палочки Lact. helvetcus, часто используют также пропионовокислые бактерии, а для некоторых сыров (для рокфора, например) используют микроскопические грибы – Pen. roqueforti.

Второй этап – обработка казеинового сгустка. Сгусток дробят при нагревании: он обезвоживается и образуется сырное зерно – белковые частицы размером 3–6 мм. В них находится большая часть микроорганизмов, а меньшая остается в сыворотке.

Третий этап – прессование сырного зерна в формах: 2–12 ч зерна обрабатывают пневматическим прессом для уплотнения, после прессования зерна соединяются в крупные куски – монолиты шаровидной, цилиндрической, прямоугольной и др. форм.

Четвертный этап – посол в солильных бассейнах. Чтобы придать продукту определенный вкус, сыр выдерживают 6–8 суток в растворе соли (22–24%) при 8–10 °С: соль способствует образованию корки, кроме того, соль и такая температура замедляют деятельность бактерий.

Пятый этап – созревание продукта в сырохранилищах. В среднем сыр созревает 8–10 месяцев, находясь на стеллаже в прохладной камере с температурой 12–14 °С при влажности воздуха около 90%. Каждые 2–3 дня его переворачивают. По мере созревания сыра микроорганизмы гибнут.

Примером традиционной биотехнологии может служить и виноделие. Вино – продукт спиртового брожения виноградного или плодово-ягодного сока с помощью дрожжей: С₆Н₁₂О₆ → 2 С₂Н₅ОН + 2 СО₂.

Благоприятными для дрожжей условиями являются: наличие сахара (10–15%), кислая среда, температура около 30 °С (при 50 °С брожение прекращается, а при понижении температуры оно замедляется).

Процесс производства вина также состоит из нескольких этапов: сбор винограда или плодов и ягод; отделение сока прессованием и его отстаивание; спиртовое брожение сока (периодический способ – в бочках, непрерывный – в резервуарах); снятие вина с осадка и фильтрация. Затем следует вторичное брожение, которое осуществляется одним из двух следующих способов.

Резервуарный способ: брожение происходит в большой емкости (в бассейне), к вину добавляют сахар и дрожжи, через 1–2 месяца вино охлаждают, отстаивают и разливают в бутылки.

Бутылочный способ: вино разливают в бутылки, добавляют сахар, дрожжи и материал для осветления, закупоренные бутылки выдерживают в подвалах 2–3 года при температуре 12 °С. При медленном брожении углекислый газ растворяется в воде, создавая в бутылке давление, вино приобретает прозрачность и «букет», дрожжевой осадок постепенно переводят на пробку и удаляют из бутылки.

Новейшая биотехнология

Микробиологический синтез витаминов

Так получают витамины группы В: дрожжи способны к синтезу витамина В₁, дрожжи из рода Candida продуцируют витамин В₂, актиномицеты и пропионовокислые бактерии синтезируют витамин В₁₂ и т.д.

Получение антибиотиков

Плесневый гриб рода Penicillium с конидиями

Антибиотики – это вещества микробного происхождения, убивающие другие микроорганизмы или тормозящие их развитие (т.е. обладающие бактерицидным или бактериостатическим действием).

Пенициллин (нарушает образование клеточных стенок у бактерий при их делении) синтезируется плесневым грибом Penicillium chrisogenum, стрептомицин (подавляет дыхательные системы у бактерий) и тетрациклин (подавляет синтез белков у бактерий) – актиномицетами и стрептомицетами. Известно около 6 тыс. антибиотиков природного происхождения и, кроме того, получают еще и полусинтетические антибиотики.

Эра антибиотиков началась в 1871–1872 гг., когда русские врачи В.А. Манассеин (1841–1901) и А.Г. Полотебнов (1838–1907) опубликовали статьи о подавлении роста бактерий плесневыми грибами. Они показали, что плесневые грибы можно использовать для лечения долго незаживающих ран в виде примочек, т.к. химически чистые вещества в те времена еще получать не могли. Результаты были очень хорошими, но были и побочные явления: не было стерильности, в рану попадал и мицелий, и споры, что приводило к нежелательным последствиям.

В 1927–1929 гг. английский ученый А.Флемминг занимался изучением стафилококков и заметил, что в чашках Петри, в которые попала зеленая плесень Penicillium notatum, стафилококки задерживали свой рост. Он назвал вещество, выделяемое плесенью, пенициллином, но в чистом виде его выделить не удалось. Только в 1940–1941 гг. американские ученые Флори и Чейн получили химически чистый препарат пенициллина. В 1941 г. Зинаидой Виссарионовной Ермольевой (прототип Татьяны Власенковой в романе В.Каверина «Открытая книга»), независимо от американских ученых, из культуры Penicillium crustosum был получен советский пенициллин. В годы войны специальная бригада врачей под руководством Н.Н. Бурденко провела испытания пенициллина в полевых условиях: ни у одного из 500 тяжелораненых, получавших пенициллин, не возникло обычных тогда осложнений в виде газовой гангрены или сепсиса.

Способность бактерий, грибов, актиномицетов синтезировать антибиотики – это защитное приспособление: синтез идет только в неблагоприятных условиях, поэтому при производстве антибиотиков нужно создать эти самые неблагоприятные условия (добавляют соль, изменяют состав воздуха и т.д.).

Производство ферментов

Колонии стрептомицетов на плотной питательной среде

Ферментные препараты применяются в более чем 200 отраслях промышленности: пищевой (хлебопечение, виноделие, пивоварение, производство кондитерских изделий, молочных продуктов, консервов и т.д.), легкой (текстильной, кожевенной, бумажной), медицинской и др.

Рассмотрим, например, этапы производства амилосубтилина. Амилосубтилин – это комплекс ферментов протеолитического (расширяют белки) и амилолитического (катализируют расщепление крахмала) действия, продуцируемый сенной палочкой (Bacillus subtilis).

Первый этап – выращивание посевного материала: на картофельных блоках –1 сутки; в колбах с жидкой питательной средой – 3 суток.

Второй этап – приготовление и стерилизация питательной среды. В ее состав входят: крахмал, кукурузный экстракт, дрожжевой экстракт, лактоза, минеральные соли, кашалотовый жир и некоторые другие вещества.

Третий этап – ферментация (выращивание  сенной палочки в жидкой питательной среде в больших емкостях – ферментерах) – 48–56 ч при периодической аэрации и пеногашении, с микробиологическими и биохимическими анализами через каждые 4 ч.

Четвертый этап – концентрирование и высушивание культуральной жидкости в специальной установке.

Последний этап – расфасовка и упаковка.

Генная инженерия

Генная инженерия – это совокупность методов, позволяющих посредством операций in vitro (в пробирке, вне организма), переносить генетическую информацию из одного организма в другой.

Цель генной инженерии в получении клеток (в первую очередь бактериальных), способных в промышленных масштабах вырабатывать некоторые «человеческие» белки; в возможности преодолевать межвидовые барьеры и передавать отдельные наследственные признаки одних организмов другим (использование в селекции растений, животных).

Формальной датой рождения генной инженерии считают 1972 г. В этот год группа исследователей во главе с американским биохимиком Полом Бергом, работавшим в Стэнфордском университете, что неподалеку от Сан-Франциско в Калифорнии, сообщила о создании вне организма первой рекомбинантной (гибридной) ДНК. Первая рекомбинантная молекула ДНК состояла из фрагментов ДНК кишечной палочки (Escherihia coli) группы генов бактериофага лямбда и полной ДНК вируса SV40, вызывающего развитие опухолей у обезьяны. Такая рекомбинантная структура теоретически могла обладать функциональной активностью в клетках как кишечной палочки, так и обезьяны. Она могла, как челнок, «ходить» между бактерией и животным. За эту работу Полу Бергу в 1980 г. была присуждена Нобелевская премия.

Основные методы генной инженерии были разработаны в начале 1970-х гг. Их суть заключается во введении в организм нового гена. Для этого создают специальные генетические конструкции – векторы, т.е. устройства для доставки нового гена в клетку. В качестве вектора используют, например, плазмиды.

Генетическая карта плазмиды, обусловливающей резистентность к антибиотикам

Плазмиды – это кольцевые или линейные двухцепочечные молекулы ДНК в прокариотических (бактериальных) клетках, расположенные вне хромосом и способные к самостоятельному удвоению (репликации). Плазмиды являются устойчиво наследуемыми автономными генетическими элементами, которые редуплицируются в бактериальной клетке не в то же время, что основная молекула ДНК. Плазмиды несут жизненно важные для бактерии гены – в основном гены инициации транскрипции, а также устойчивости к вредным факторам, например к антибиотикам. Бактерия, имеющая различные плазмиды, приобретает устойчивость к различным антибактериальным препаратам, к солям тяжелых металлов. Плазмиды в колонии бактерий могут переходить из одной бактериальной клетки в другую и, быстро распространяясь, сохраняют бактериям жизнь.

Экспериментальное создание генетически модифицированных организмов началось еще в 1970-е гг. В Китае стали выращивать табак, устойчивый к пестицидам. В США появились генетически модифицированные помидоры – морозоустойчивые, хорошо переносящие транспортировку, способные месяцами лежать в недоспелом виде при температуре 12 °С. Как только такой помидор помещают в тепло, он за несколько часов становится спелым. Однако у человека, не переносящего рыбу и съевшего такой помидор, мог начаться приступ аллергии: для повышения морозоустойчивости овоща в него был пересажен ген океанской камбалы.

В геном картофеля был введен ген бактерии, которая вырабатывала яд, смертельный для колорадского жука: молодые побеги, едва успев прорасти, сами начинают бороться с вредителями.

В Московском институте картофелеводства получен картофель, в клубнях которого может синтезироваться интерферон человека, который повышает иммунитет, а в Институте животноводства получен патент на овцу, у которой в молоке присутствует сычужный фермент, необходимый для производства сыра. Специалисты утверждают, что при новой технологии производства сыра (с этим ферментом) достаточно будет всего 200 овец, чтобы обеспечить сыром всю Россию.

Генетически модифицированные сорта сельскохозяйственных культур дают урожай больше, чем обычные, в среднем в 4 раза. Но последствия употребления в пищу генетически измененных продуктов никому не известны.

«Пищей Франкенштейна» назвали трансгенные (генетически модифицированные) продукты британские журналисты, проводя аналогию с опытом Франкенштейна (из романа М.Шелли «Франкенштейн»), чья благородная попытка создать человека, закончилась появлением монстра, который вышел из-под контроля создателя.

Клетки культуры женьшеня

Ученые и медики спохватились и стали проводить экспертизы. Но остановить «генный паровоз», мчащийся на всех парах, было уже невозможно. Сегодня в США насчитывается более 100 наименований генетически модифицированных продуктов – «трансгенов». Это соя, кукуруза, рис, картофель, помидоры, сахарная свекла, пшеница, горох, подсолнечник и др. Среди животных их гораздо меньше. К ним относятся, например, светящийся в темноте кролик, получивший от медузы ген, отвечающий за флуоресценцию, лосось, который может жить как в соленой, так и в пресной воде.

Генетически модифицированные ингредиенты (ГМИ) входят в состав многих продуктов питания. Так, например, генетически модифицированная (ГМ) кукуруза добавляется в кондитерские и хлебобулочные изделия, безалкогольные напитки. ГМ соя входит в состав рафинированных масел, маргаринов, жиров для выпечки, соусов для салатов, майонезов, макаронных изделий, вареных колбас, кондитерских изделий, белковых биодобавок, кормов для животных и даже детского питания. ГМ картофель используется для приготовления чипсов.

Нужны ли нам трансгенные продукты? Это спорный вопрос. Сторонники ГМ продуктов (ГМП) утверждают, что:

– они спасут растущее население Земли от голода, ведь генетически модифицированные растения могут существовать на менее плодородных почвах и давать богатый урожай, а затем долго храниться;

– уже появились растения с противовирусной «начинкой», как, например, табак, в генетический код которого «вмонтирован» человеческий ген, отвечающий за выработку антител к вирусу кори.

Противники ГМП высказывают опасения, что:

– генетическая технология еще несовершенна и процесс встраивания нового гена недостаточно точен, т.е. невозможно с достоверностью предвидеть его местоположение в геноме клетки хозяина;

– все испытания ГМП были краткосрочными, а их негативное воздействие может проявляться через длительное время или отражаться на потомстве;

– не известно, как «новые растения» повлияют на экологический баланс в мире; например, при перекрестном опылении сорняки могут получить от генетически модифицированных организмов ген устойчивости к вредителям и пестицидам и тогда размножение сорняков будет неконтролируемым, саморегуляция в экосистеме нарушится; могут появиться более патогенные вирусы и штаммы микроорганизмов.

Опасения по поводу ГМП могут быть как оправданными, так и преувеличенными. В любом случае каждому следует подумать о непредсказуемых последствиях и самому принять решение, употреблять генетическую пищу или нет.

Клеточная инженерия. Клонирование: история овечки Долли

Об овечке Долли слышали, наверно, все. Слава ее велика. Вместе с удивительной историей этого животного многие впервые услышали слово «клон» и решили, что именно с Долли началась история клонирования. Но это те так.

Начнем с того, что термин «клон» в переводе с греческого означает «черенок» или «веточка», а также ряд поколений наследственно однородных потомков одной особи. Черенкование самой обычной малины или пересадка усов у садовой земляники – это клонирование, но не на клеточном уровне. В лабораторных условиях из соматических клеток любых тканей растений можно получить взрослое полноценное растение (морковь, томаты, табак). Целое растение можно получить и из изолированной клетки под воздействием растительных гормонов – этим занимается клеточная инженерия.

Гораздо труднее обстоит дело с клонированием животных. Позвоночные животные, например, в процессе эволюции утратили способность воспроизводить потомство бесполым путем, т.е. делением соматических клеток, а беспозвоночные наряду с половым размножением могут размножаться путем деления клеток и создавать идентичные клоны (например, это размножение амебы: она производит несколько тысяч клеток, генетически идентичных ей самой, которые и называют клоном; если разрезать белую планарию на несколько десятков частей, то из каждого кусочка вырастет новый организм – это тоже клонирование). Долли получила такую известность, потому что она – первое успешно клонированное млекопитающее.

В 1997 г. шотландский ученый Ян Вильмут с коллегами опубликовали результаты успешных экспериментов по генетическому клонированию овцы. Попробуем разобраться в механизме появления Долли на свет. У этой овечки нет отца, но зато три матери:

– овца породы финский дорсет, давшая свой генетический материал (из клеток тканей молочной железы этой взрослой овцы извлекли соматические ядра);

– овца породы шотландская черномордая, от которой взяли яйцеклетку (из ее яйцеклетки удалили гаплоидное ядро и поместили туда диплоидное ядро из клетки первой овцы);

– овца-реципиент породы шотландская черномордая, которая выносила за 148 дней знаменитого ягненка (ей трансплантировали образовавшуюся диплоидную зиготу, которую предварительно стимулировали к дроблению электрошоком).

Какая же из них «настоящая» (биологическая) мать? Конечно, первая овечка, из клетки которой было взято ядро. С точки зрения генетики, Долли – точная копия (клон) именно этой овцы. Интересно, что эта настоящая мать умерла за 3 года до рождения свой дочери.

Эксперименты по трансплантации ядер, культивированию зародышей и пересадке их в организм матери технически очень сложные: экcпериментаторы использовали 256 яйцеклеток, прежде чем удалось получить одну живую овечку Долли массой 6,6 кг. К 2002 г. сама Долли произвела на свет естественным способом четырех нормальных ягнят. Ей самой исполнилось к этому времени 6 лет и у нее обнаружили заболевания, которые обычно проявляются в глубокой старости: очень сильный артрит (болезнь суставов), отчего она практически не могла сама передвигаться, а также заболевание легких и резкое старение клеток. Это было, по-видимому, связано с биологическим возрастом Долли (6,5 лет по «паспорту» + 6 лет донорской клетки, т.к. ядро было взято из клетки взрослой шестилетней овцы, в итоге это 12,5 лет жизни). Поэтому 14 февраля 2003 г. ученые усыпили первую клонированную овечку.

Ученые разных стран мира надеялись, что ткани Долли после ее усыпления будут предоставлены в лаборатории разных стран для исследований, но знаменитая овечка была кремирована.

В настоящее время внимание многих исследователей привлекают эксперименты по клонированию свиней, т.к. органы свиньи (сердце, печень, почки) по многим анатомическим и физиологическим показателям близки к человеческим и могут быть использованы для трансплантации. Получение генетически модифицированных свиней с инактивированными определенными генами позволит избежать отторжения пересаженных органов иммунной системой.

Группе ученых под руководством Геральда Шаттена из Орегонского университета в Портленде (США) удалось клонировать макаку-резус Тетру. Кубота (Япония) и Янг (США) из клеток ушной раковины быка получили шесть телят. Из уха трагически погибшей последней представительницы вымершего вида испанских горных коз генетиками были взяты клетки для последующего клонирования. Японские ученые из стволовых эмбриональных клеток вырастили глаза и уши лягушки. Виталий Алексеев и его коллеги (США) получили мышь-альбиноса с несколькими цветными шерстинками. Инго Потрикус (Швейцария) и Питер Вайер (Германия) создали особый сорт риса, в 300 г которого содержится дневная норма (для человека) витамина А.

Клонирование животных в будущем, возможно, позволит возродить давно погибшие виды животных, воспроизводить многочисленные генетические копии выдающихся по продуктивности животных-рекордистов и многое другое.

ЛИТЕРАТУРА

Асланян М.М. Генетическое клонирование позвоночных животных // Биология для школьников. – 2003. – № 2.
Бекер М.Е., Лиепиньш Г.К., Райпулис Е.П. Биотехнология. – М., 1990.
Будорагина Л.В., Ростроса Н.К. Производство кисломолочных продуктов. – М., 1986.
Вакула В. Биотехнология: что это такое? – М., 1989.
Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология. – М., 1993.
Жвирблянская А.Ю., Бакушинская О.А. Микробиология в пищевой промышленности. – М., 1975.
Корочкин Л.И. Клонирование животных // Соросовский образовательный журнал. – 1999. – № 4.
Лещинская И.Б. Генетическая инженерия // Соросовский образовательный журнал. – 1999. – № 1.
Новикова Т.А. Продукты питания, модифицированные методами генной инженерии // Биология в школе. – 2004. – № 4.
Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды. – М., 1987.