1 of 15

§51 Біотехнологія. Застосування методів генетичної та клітинної інженерії в селекції, біотехнології та медицині

• чому хліб, сир, йогурт є продуктами біотехноогії;

• як сучасна біотехнологія змінює сільське господарство, промисловість і медицину

• новітні досягнення біотехнології ХХ–ХХІ століть;

• нові можливості та етичні питання, які постають перед людством у зв'язку з розвитком біотехнологій.

2 of 15

Біотехнологія: від давнини до сучасності

Біотехнологія формувала наше минуле та трансформує сьогодення, від хліба на вашому столі до революційних медичних проривів.

Біотехнологія — це галузь науки, яка використовує принципи біологічної науки та технології для створення продуктів, що покращують здоров'я людини та навколишнє середовище. Це включає маніпулювання біологічними організмами та їх компонентами.

3 of 15

Корені біотехнології: історія змінює світ

14 400 років тому: Хліб

Давні обвуглені крихти з Йорданії доводять,

що хлібопекарство виникло раніше за сільське господарство.

Єгипет

Для приготування хліба потрібні дріжджі, що виділяють СО2, піднімаючи тісто.

Це була перша біотехнологічна революція.

1800 р. до н.е.: Пиво у Месопотамії

Варили пиво з ячменю, використовуючи дріжджі.

Традиційно біотехнологія стосувалась методів використання живих організмів для певних цілей, таких як виробництво ферментованих продуктів. Галузь біотехнології справді розширилася у 20 столітті з відкриттям молекулярних та клітинних технологій.

4 of 15

Сучасна біотехнологія: нова ера можливостей

Справжній прорив стався у XX столітті, коли вчені навчилися маніпулювати генами та культивувати клітини поза організмом. Сучасні вчені прискорили 10 000-річну естафету в мільйон разів.

Генна інженерія

Внесення змін у ДНК для цільового впливу на властивості організмів.

Клітинна інженерія

Робота з клітинами для їх перепрограмування або створення нових структур.

Біореактори

Апарати для масового вирощування клітин у контрольованих лабораторних умовах.

Ці технології трансформують сільське господарство, промисловість і медицину.

6 of 15

Медична (червона) біотехнологія – це галузь біотехнології, яка використовує живі організми для розуміння, діагностики та профілактики захворювань. Використовує біотехнологічні процеси для виробництва рекомбінантних фармацевтичних препаратів, вакцин та регенеративної медицини, такої як генна терапія та стовбурові клітини. Наприклад, розробка рекомбінантного інсуліну в 1980-х роках змінила лікування діабету . Інші важливі галузі медичної біотехнології включають дослідження стовбурових клітин, моноклональні антитіла та наномедицину.

Виготовлення ісуліну із застосуванням рекомбінантної ДНК

�

7 of 15

Сільськогосподарська (зелена) біотехнологія використовує біотехнологію для підвищення продуктивності сільськогосподарських культур та сталого розвитку. Одним з основних застосувань сільськогосподарської біотехнології є боротьба зі шкідниками. Наприклад, гени бактерії Bacillus thuringiensis (Bt) можна вводити в рослини, щоб зробити їх стійкими до комах. Технологія рекомбінантної ДНК також може виробляти генетично модифіковані культури з бажаними характеристиками, такими як вища врожайність, стійкість до стресових умов навколишнього середовища та покращений вміст поживних речовин.

8 of 15

Crispr-cas9: молекулярні ножиці геному

Найвідоміший інструмент генетичної інженерії – CRISPR-Cas9, так звані "молекулярні ножиці", які дозволяють надточно редагувати ДНК.

Молекула-провідник (РНК)

Вводиться в клітину для пошуку потрібного гена.

Фермент Cas9

«Розрізає» ДНК у місці сигнальної мітки (PAM).

«Ремонт» ДНК

Клітина самостійно «ремонтує» розрив або за наданим шаблоном.

Система CRISPR/Cas9 складається з фрагменту РНК, який зв'язується з послідовністю-мішенню, та білка Cas9, що розрізає ДНК.

9 of 15

CRISPR у сільському господарстві: зміна ландшафту

Генетична інженерія революціонізує сільське господарство, роблячи культури

стійкішими та продуктивнішими.

Посухостійка пшениця

Змінений ген активує захист від посухи, збільшуючи врожайність на 20% у посушливих регіонах.

Рис зі зниженим викидом метану

Створені сорти рису, що випускають до 70% менше метану та підвищують врожайність на 20%.

Кукурудза, що потребує менше добрив (2023)

Розроблена кукурудза, яка потребує на 30% менше добрив завдяки ШІ-аналізу генів фіксації азоту.

10 of 15

Мули є класичним прикладом міжвидової гібридизації, що поєднують силу коня та витривалість осла.

Промислова біотехнологія: до "Зеленішого" майбутнього

Біорозклад пластику

Фермент, інженерований з бактеріальних генів, розкладає пластмаси, такі як pet-пляшки, за години, перетворюючи відходи на нешкідливі продукти.

Біоремедіація — це методика поводження з відходами, яка передбачає використання організмів для видалення або нейтралізації забруднювачів із забрудненої ділянки.

Біопаливо з водоростей

Генетичні правки водоростей підвищили виробництво палива на 50%. Ферми водоростей перетворюють CO2 на біодизель без шкідливих викидів.

Морська (блакитна) біотехнологія використовує ресурси, що знаходяться у водному середовищі, для різних застосувань, включаючи медичні та промислові цілі. Прикладами біотехнологічних продуктів з морського життя є фермент Taq-полімераза, отриманий з Thermus aquaticus , що знаходиться в гарячих джерелах, який використовується в ПЛР-реакціях, та зелений флуоресцентний білок (GFP), отриманий з медуз для використання як репортерний ген

11 of 15

РЕВОЛЮЦІЯ В МЕДИЦИНІ: ПЕРЕПИСУЮЧИ ЗДОРОВ'Я

Генна та клітинна інженерія буквально переписують здоров'я людини,

пропонуючи лікування для раніше невиліковних захворювань.

Перша CRISPR-терапія

FDA схвалила терапію для серпоподібноклітинної анемії, яка редагує несправні кров'яні клітини, зупиняючи болісні кризи. Понад 80% ремісій дозволяють дітям жити повноцінно.

Відновлення Слуху

Генна терапія відновила слух у п'яти глухих дітей, виправивши ген otoferlin.

CAR-T Терапія Раку

У клініках Європи та США вилікували понад 85% дітей із гострою лімфобластною лейкемією, перепрограмувавши їхні Т-лімфоцити для атаки на ракові клітини.

Генна терапія може бути проведена Ex Vivo (поза тілом) або In Vivo (всередині тіла) для корекції генетичних дефектів.

12 of 15

Промислова (біла) біотехнологія використовує біологічні процеси для виробництва різних продуктів, таких як хімікати, паливо, ферменти та інші промислові продукти у великих масштабах.

Наприклад, використання мікробів для виробництва продуктів ферментації.

Промислова біотехнологія також сприяє розвитку стійких виробничих процесів, які зменшують споживання енергії, викиди парникових газів та залежність від викопного палива.

13 of 15

Екологічна біотехнологія вирішує екологічні проблеми та сприяє сталому розвитку за допомогою біологічних процесів. Основним застосуванням є біоремедіація , яка використовує рослини або певні мікроби для розкладання шкідливих речовин. Процеси мікробної біодеградації можуть розщеплювати забруднювачі на нешкідливі побічні продукти, зменшуючи забруднення навколишнього середовища.

14 of 15

Харчова біотехнологія — це галузь біотехнології, яка використовує біологічні процеси для покращення якості, харчової цінності та інших аспектів виробництва харчових продуктів. Харчова біотехнологія використовує мікроорганізми та методи ферментації в переробці та консервуванні харчових продуктів . Харчова біотехнологія також сприяє розробці функціональних харчових продуктів, які можуть містити біоактивні сполуки, пробіотики або генетично модифіковані інгредієнти.