Проект «Будущие лидеры технологий XXII века»
_________________________________________ 

БИОТЕХНОЛОГИЯ, МИКРОБИОЛОГИЯ И БИОХИМИЯ *

Тамара Александровна Попова,
кбн, доцент кафедры теоретической биохимии ВолгГМУ

Данная лекция проводится в рамках проекта «Будущие лидеры технологий ХХII века», который реализуется при поддержке Фонда президентских грантов на территории Волгоградской области. Для учащихся 9-11 классов проводятся лекции с углубленной информацией по отдельным технологиям и объявлен творческий конкурс письменных работ на тему «Новые технологии и жизнь». Для тех, кто захочет написать письменную работу, будут организованы консультации о методике подготовки работы и ее оформлению. Все участники конкурса получат сертификаты об участии, а победители ценные призы от организаторов проекта. Авторы лучших работ будут приглашены в Волгоград для участия в итоговой конференции. Всю информацию о мероприятиях проекта можно найти на сайте Волгоградского центра международного гуманитарного сотрудничества по адресу www.ihc-vog.ru

Итак, сегодня мы поговорим о биотехнологии, микробиологии и биохимии. 

БИОТЕХНОЛОГИЯ – это производство, основанное на применении биологических процессов и систем. То есть использование человеком живых клеток или их компонентов для получения какого-то определенного продукта – лекарств, еды, витаминов. 

Основные разделы биотехнологии: 

Биоинженерия - технические подходы для решения медицинских проблем, например, разработка компьютерных томографов, протезов и т.д.

Биомедицина – применение в медицине общебиологических знаний в том числе биохимических и микробиологических,

Бионика – применение знаний о природе для создания технических устройств,

биоремедиация – очистка воздуха, воды и почвы с помощью растений и микроорганизмов

генная инженерия – создание трансгенных организмов. 

Несмотря на то, что биотехнологические производства, основанные на точной научной базе, появились только в 20 веке, некоторые биотехнологические методы человек использовал еще на заре цивилизации.  Первым биологическим процессом, который сумел поставить себе на службу человек было брожение. Около 6000 лет назад в Шумерском царстве, а затем и в Вавилоне научились варить пиво, затем древнеегипетские пекари изобрели пористый хлеб, греки -  вино. Конечно сначала люди не догадывались, что эти процессы зависят от живых микроорганизмов. Только в XIX веке Луи Пастер совершил гениальное открытие, что превращение сахара в спирт - это результат работы одноклеточных грибков – дрожжей. Он вооружил пищевую промышленность основами сознательного управления технологическими процессами – такими как соблюдение температурного режима, культивирование «правильных» и обезвреживание «вредных» микроорганизмов, пастеризацией. Работа Пастера дала мощный толчок к развитию Микробиологии и Биохимии. 

МИКРОБИОЛОГИЯ - Это наука, предметом изучения которой являются микроорганизмы (микробы), их биологические признаки и взаимоотношения с другими организмами, населяющими нашу планету. 

БИОХИМИЯ - изучает строение, пути синтеза и распада, а также регуляцию превращений химических молекул в живой клетке. Биохимия — это база для микробиологии и других биологических наук, также как математика для инженерии или язык программирования для информационных технологий.

В микробиологии условно можно выделить 3 перспективных направления, связанных с инновационными технологиями и востребованными в профессиях будущего:

- Изучение микроорганизмов, населяющих нашу планету и их влияние на здоровье человека.

- Использование микроорганизмов как рабочей силы для производства необходимых человеку веществ или для утилизации отходов

- Использование микроорганизмов в генной инженерии – перенос генов других видов в бактерии для высокопродуктивного производства белков и наоборот, внедрение микробных генов в новые сорта растений и животных.

1. 1. Изучение микроорганизмов 

Первооткрывателем микромира называют Антони Ван Левенгука

В 1676 г своём письме Лондонскому Королевскому обществу он сообщил, что изучил с помощью усовершенствованного им микроскопа каплю воды, и дал описание увиденных там существ, это были бактерии. В XIX веке в научном мире возникло предположение, что болезни животных и человека также вызывают микроорганизмы, доказательства этой теории дали работы Роберта Коха, Юлиуса Петри, и конечно Пастера.

Наступил расцвет микробиологии – ученые охотились за микробами, описывали их, открывали возбудителей различных болезней – Туберкулеза, Холеры, Бешенства. Потом открыли полезных для здоровья бифидобактерий. 

Что на сегодняшний день? 

Для идентификации бактерий и вирусов используют не микроскоп и не выращивание на средах, а секвенирование - «расшифровку ДНК». Можно сказать, что раньше ученые могли различать бактерии как дети книжки в библиотеке, только по обложке, а теперь они научились читать.

Диагностика инфекционных заболеваний стала быстрой и эффективной.

Человек научился убивать болезнетворных микробов с помощью антибиотиков и наоборот, поддерживать полезную микрофлору с помощью пробиотиков и пребиотиков. Врачи – гастроэнтерологи «лечат бактериями» некоторые виды нарушения пищеварения, особенно у детей. 

Что в будущем? 

Диагностика заболеваний вряд ли потеряет актуальность в будущем веке. В 2020 году, когда рестораны и гостиницы разорялись биохимические лаборатории работали круглые сутки.

Ученые установили, что в кишечнике и на коже человека живет множество бактерий, количество которых превышает количество собственных клеток организма. Перед микробиологами и биохимиками стоит задача научиться взаимодействовать с микрофлорой человека и даже управлять ей – тогда бактерии помогут нам сохранять стабильный вес, поддерживать бодрость и хорошее настроение –потому что они могут вырабатывать вещества стимуляторы и антидепрессанты, будут защищать нас от вирусов и болезнетворных микробов.

С помощью инновационных технологий ученые открыли микроорганизмы - экстремофилы, обитающие в экстремальных условиях, при высоких температурах (выше 200С), в бескислородной среде, способных существовать тысячи лет. Изучение метаболизма этих пробактерий поможет ответить на вопросы происхождения жизни на Земле, а также решить задачу длительного анаболизма человека для космических путешествий. 

2. Использование микроорганизмов как рабочей силы для производства 

ВXIX веке ученые научились выращивать микроорганизмы вне живых клеток – на специальных питательных средах.

Оказалось, что микробы невероятно продуктивны. В то время как одна корова с живой массой в 500 кг образует за сутки около 0,5 кг белка, а 500 кг растений сои продуцируют за тот же срок 5 кг белка, равная масса дрожжей (то есть тоже 500 кг) способна выработать в биореакторе за сутки 50 т белка, что в 100 раз превышает их собственную массу.

В 1928 году исследователь Ян Флеминг открыл антибиотик пенициллин, производимый плесневыми грибами. Так началась эксплуатация микробов для производства лекарств.

Микробиологи стали искать в природе высокоэффективные штаммы (так называются разновидности одного вида бактерий и грибов) способные производить биологически активные вещества. Например, промышленный выпуск пенициллина удалось наладить только в 1943 году, после того как в одной лаборатории вырастили гриб Penicillium chrysogenus, выделенный из гнилой дыни.

Появились целые биофабрики, перерабатывающие отходы пищевого производства, сельского хозяйства и даже нефтепромышленности в биомассу – белки, для корма крупного рогатого скота. 

Что сегодня? 

Микроорганизмов, синтезирующих продукты или осуществляющих полезные для человека реакции, насчитывается несколько сотен видов, они относятся к четырем группам: бактерии, актиномицеты (грамположительные бактерии, не образующие спор), дрожжи и плесени.

Про дрожжи уже понятно – они используются для производства пива и других напитков, а также изделий из дрожжевого теста. Дрожжи Phaffia rhodozyma синтезирует астаксантин – каротиноид, который придает мякоти форели и лосося, выращиваемых на фермах, характерный оранжевый или розовый цвет. Плесени (микроскопические грибы) используют для гидролиза рисового крахмала, соевых бобов и солода при получении пищевых продуктов, употребляемых в азиатских странах (мисо, темпе и др.). Плесени также продуцируют ферменты, используемые в пищевой промышленности (амилазы, протеазы, пектиназы, целлюлазы, которые используют, например, для производства соков) и другие вещества. Микроскопические грибы рода Penicillium применяют в производстве сыров (например, Рокфора и Камамбера). 

Что в будущем? 

Помимо производства антибиотиков и других биологически активных молекул, производства основных питательных веществ – белков, жиров и углеводов для животных и человека, переработки отходов и загрязнителей окружающей среды, ученые пытаются освоить с помощью бактерий производство биоэлектричества. Человечество нуждается в возобновляемых источниках энергии как на Земле, так и для освоения космоса. Британские специалисты из Университета Восточной Англии, решили выяснить, как работает электрогенерирующая система морской бактерии Shewanella oneidensis. Этот организм, живущий в бескислородных условиях, способен получать энергию за счет восстановления трехвалентного железа (Fe⁺³), которое содержится в минерале гематит (Fe₂O₃), широко распространенном в природе.

По мнению ученых, им удалось открыть «генератор» бактериального электричества – белки, которые могут непосредственно касаться поверхности минералов и вырабатывать ток. Эти бактерии имеют большой потенциал в качестве топливных элементов, способных генерировать электричество из домашних отходов и сельскохозяйственного мусора. 

3.Использование микроорганизмов в генной инженерии 

В 70-х годах 20 столетия ученые научились конструировать новые микроорганизмы с помощью генной инженерии. Был открыт и успешно реализован на практике способ внедрения в геном Кишечной палочки чужеродных генов. С помощью ферментов рестриктаз небольшая кольцевая ДНК бактерии – плазмида разрезается с образованием «липких концов», одновременно вырезается ген из другой ДНК, происходит «сшивание» этой конструкции и перенос в бактерию, где начинается синтез нового белка.

Теперь бактерии могут производить белки человека, растений или животных и даже искусственно сконструированные нуклеиновые кислоты. 

Что сегодня? 

Современная БИОТЕХНОЛОГИЯ оказывает огромное влияние на все аспекты жизни человека.

В медицине появилась возможность быстрого и эффективного производства гормонов, рекомбинантных вакцин, антибиотиков. 

В сельском хозяйстве

Инновационные методы селекции растений и животных позволяют создать новые виды с уникальными свойствами

Ярким примером является картофель, устойчивый к колорадскому жуку. Он был создан путём введения гена, выделенного из генома почвенной тюрингской бациллы Bacillus thuringiensis, вырабатывающий белок Cry. В кишечнике насекомых этот белок растворяется и активируется до истинного токсина, губительно действующего на личинок и имаго насекомых, у человека и других теплокровных животных подобная трансформация протоксина невозможна и соответственно этот белок для человека не токсичен и безопасен.

Эко-свинья, или как критики ее еще называют Франкенсвин - это свинья, которая была генетически изменена для лучшего переваривания и переработки фосфора. Свиной навоз богат формой фосфора фитатом, а потому, когда фермеры используют его как удобрение, это химическое вещество попадает в водосборы и становится причиной цветения водорослей, которые, в свою очередь, уничтожают кислород в воде и убивают водную жизнь. Ученые добавили ДНК бактерии E. Coli и мыши в эмбрион свиньи. Это изменение уменьшило производство фосфора свиньей ни много, ни мало на 70%, что сделало ее более экологически чистой. 

В пищевой промышленности — для производства сыра необходим фермент химозин, который раньше выделяли из желудка козлят, ягнят или телят, а теперь его синтезируют бактерии, в геном которых этот ген внедрили. 

Применяя обычные технологические линии по производству синтетических волокон, можно получать из искусственных белков длинные нити, которые после пропитки их формообразующими веществами, придания им соответствующего вкуса, цвета и запаха могут имитировать любой белковый продукт. Таким способом уже получены искусственное мясо (говядина, свинина, различные виды птиц), молоко, сыры и другие продукты. Они уже прошли широкую биологическую апробацию и, например, часть школьных обедов в США уже разрешено на 30 процентов заменять искусственным мясом, созданным на основе соевого белка. 

Что в будущем? 

В военной промышленности -

Подсматривая за самой природой и перенимая у нее лучшее, ученые пытаются создать новые образцы пуленепробиваемой защиты. Например, обитатель морских глубин — миксина или «слизистый угорь» в случае опасности выпускает очень крепкие нити слизи, которые тоньше человеческого волоса в 100 раз. С помощью этих нитей, которые можно сравнить с кевларом и нейлоном, миксина в состоянии спасаться от хищников. Ученый Рассел Бант встроил ДНК белков миксины, в геном кишечной палочки, что может стать ключом к разработке устойчивого биоразлагаемого пластика или легкой, защищающей от пуль одежды. 

В медицине

Интересное направление представляет собой создание съедобных вакцин. В данном случае получают генно-модифицированное растение, синтезирующее вакцину. Концепцию производства вакцин в растениях впервые сформулировал Xью Мэйсон с соавторами. Они предприняли попытку получения съедобной вакцины против вируса гепатита В на основе трансгенного табака. На следующем этапе был создан генно-модифицированный картофель, продуцирующий поверхностный антиген вируса гепатита В. У людей-добровольцев, употреблявших в пищу сырые клубни картофеля, наблюдали формирование специфического иммунитета. Также были получены съедобные вакцины против вируса гепатита В на основе люпина и салата. 

В пищевой промышленности

Уже выпускаются принтеры, печатающие еду. На сегодняшний день преимущественно конфеты и пирожные, но в будущем – любую еду.

Например, в состав искусственного мяса обязательно включат созданный микроорганизмами искусственный белок, жиры, витамины, минеральные соли, природные красители, ароматизаторы и прочее, что дает возможность «лепить» изделие с заданными свойствами, учитывая при этом физиологические особенности организма, для которого продукт предназначен. Это особенно важно в диете детей и людей пожилого возраста, больных и выздоравливающих, когда необходимо лимитировать питание по целому ряду пищевых компонентов, что весьма трудно сделать, используя традиционные продукты.

В будущем получат распространение профессии Личный энтеролог-диетолог, конструктор и парфюмер пищевых продуктов, компьютерный моделировщик вкусовых добавок, сити-фермер, ГМО-агроном, архитектор живых систем. Они будут очень наукоемкими, творческими, требующими мульти культурного багажа и умения работать с людьми и конечно высокооплачиваемыми. 

Вред и его минимизация 

Каждый интересующийся темой биотехнологии и трансгенных растений слышал ужасающую историю о том, что части их ДНК могут встраиваться в человеческие хромосомы и вызывать невероятные, опасные для жизни мутации. Это невозможно, ведь если предположить, что чужеродные ДНК, попадающие в нас каждый день даже с традиционной пищей, встраивались в нас с каждым ее приемом, то каждый из нас давно бы стал похожим на морковку или корову

Теоретически генетически модифицированные растения могут вытеснить «дикие» из природных биогеоцинозов, что приведет к потере биоразнообразия и нарушению устойчивости экосистем. Проблема вызывает множество споров; однако за тридцатилетнюю историю культивирования трансгенных растений ни одно из них еще не встречалось в дикой природе.

Вторая проблема, над которой бьются экологи, — это «миграция» трансгенов между популяциями: то есть перенос генов между трансгенными сортами и дикими подвидами растений. Ученые давно обсуждению эту проблему и методы ее избегания, но однозначной политики на данный счет нет.

Экологические проблемы и риск влияния на окружающую среду трансгенных организмов существует. Но вряд ли риски генно-модифицированных растений сравнятся с рисками выбросов химических соединений, используемых при традиционном культивировании растений, в атмосферу и воду. 

В завершение нашей встречи несколько слов о том, какие базовые знания необходимы школьнику для поступления в университет по направлению биохимия и микробиология– и тут я думаю ничего неожиданного для вас – необходимо знать химию, особенно органическую и биологию, особенно физиологию, цитологию, гистологию. Также основы физики и математики –оптику, термодинамику, математический анализ и статистику

Также, если вы планируете поступать в технический вуз и стать инженером или программистом, но понимаете, что будущее за биотехнологиями, знание химии и биологии вам необходимы.

Есть несколько ведущих вузов в нашей стране, в которых можно получить образование, базовое для профессий, связанных с биотехнологией:

- МГУ (факультеты биология, почвоведение, биоинженерия и биоинформатика)

- СПГУ (биолого-почвенный факультет)

- Российский государственный аграрный университет – МСХА им. К.А. Тимирязева (специальности: агроном-биотехнолог, селекционер, генный инженер)

- Северный (Арктический) федеральный университет (факультет биотехнологии). 

В Волгоградском медицинском университете вы можете получить специальности:

Биология с направлением генетика или биохимия (выпускная квалификация - бакалавр). Вступительные испытания – Биология, Русский язык, профильная Математика или Химия

Биотехнические системы и технология (бакалавр или магистр) Вступительные испытания – профильная Математика, Русский язык, Физика или Биология

Медицинская биохимия (врач-лаборант) Вступительные испытания – Химия, Русский язык, Биология, 

Менеджмент (бакалавр или магистр) Вступительные испытания – профильная Математика, Русский язык, Обществознание

ПОЛЕЗНЫЕ ССЫЛКИ 

https://newtonew.com/archive - образовательный портал Newtonew, в том числе содержит статьи о современной технологии, науке и культуре. Есть раздел для школьников

https://biomolecula.ru/themes/children - образовательный портал посвященный последним достижениям биологии, медицины и биотехнологии. Есть раздел для школьников

http://humbio.ru/humbio/biochem/000b6185.htm - База знаний по биологии человека. Биохимия.

http://www.spsl.nsc.ru/ - государственная публичная научно-техническая библиотека СО РАН

_____________________

*Лекция разработана по заказу АНО «Волгоградский центр международного гуманитарного сотрудничества» в рамках проекта «Будущие лидеры технологий XXII века», реализованного в феврале-октябре 2021 года с использованием гранта Президента Российской Федерации, предоставленного Фондом президентских грантов. Автор: Тамара Александровна Попова, кбн, доцент кафедры теоретической биохимии Волгоградского государственного медицинского университета (ВолгГМУ). г. Волгоград, 2021 г.