Биотехнология-болашақтың ғылымы

БИОТЕХНОЛОГИЯ - БОЛАШАҚТЫҢ ҒЫЛЫМЫ

Баймаханова Айгерім

№257 орта мектептің биология пәні мұғалімі

Қызылорда қаласы

baymakhanova1984@inbox.ru

     Резюме

Биотехнология является одним из важнейших направлений научно-технического прогресса. На основе современных достижений генетической и клеточной инженерии в области биологических и технических наук можно использовать потенциальные возможности специально созданных живых систем (прежде всего микроорганизмов) для повышения уровня жизни людей. С помощью биотехнологической продукции решаются производственно-технологические, экологические и социально-экономические проблемы как в ближайшей перспективе, так и в стратегическом плане. Для каждой страны, в том числе и для Казахстана, важны вопросы будущего развития нации, будь то благополучие, экономический достаток или обороноспособность. Важную роль в решении этих проблем играет биотехнология, которая аккумулирует достижения наукоемких отраслей, тем самым стимулируя их развитие, распределяя достигнутый результат по всем остальным отраслям, позволяя им динамично подниматься на совершенно иной качественный уровень.

Изменения, произошедшие в биологии за последнее десятилетие, открыли принципиально новые перспективы в развитии биотехнологии, расширили границы применения биологических процессов в производстве и привели к появлению новых направлений, объединенных общим названием" Современная биотехнология".

Биотехнология ғылыми-техникалық прогрестiң маңызды бағыттарының бiрi болып табылады. Биологиялық және техникалық ғылымдар саласындағы генетикалық және клеткалық инженериядағы осы заманғы жетiстiктерiнiң негiзiнде адамдардың өмiр сүру деңгейiн көтеру үшiн мақсатты түрде жасалған тiрi жүйелердiң (ең алдымен микроорганизмдер) әлеуеттi мүмкiндiктерiн пайдалануға болады. Биотехнологиялық өнiмнiң көмегiмен жақын перспективада да және стратегиялық тұрғыда да өндiрiстiк-технологиялық, экологиялық және әлеуметтiк-экономикалық проблемалар шешiлуде.
      Әр елдер, соның iшiнде Қазақстан үшiн де ұлттың салауаттылығы, экономикалық ауқаттылық немесе қорғаныс қабiлеттiлiгi болса да болашағының даму мәселелерi маңызды болып табылады. Бұл мәселелердi шешуде биотехнология маңызды роль атқарады, ол ғылымды барынша қажетсiнетiн салалардың жетiстiктерiн жинақтайды, сол арқылы олардың дамуын ынталандыра отырып, жеткен нәтиженi барлық қалған салаларға таратып, оларға мүлдем басқаша сапалық деңгейге серпiндi көтерiлуiне мүмкiндiк бередi.
      Бiрiккен Ұлттар Ұйымының сарапшыларының қорытындысы бойынша ХХI ғасырда биотехнология оның барлық қызмет салаларында және ең бiрiншi кезекте азық-түлiк өнiмдерiн, медициналық препараттарды алуда, ауыл шаруашылығында, экология, энергетика салаларында адамзаттың дамуын анықтайтын болады.
      Соңғы онжылдықта биологияда болған өзгерiстер биотехнологияның дамуында қағидалы жаңа перспективаларды ашты, өндiрiсте биологиялық процестердi қолдану шектерiн кеңейттi және "осы заманғы биотехнология" деген жалпы атауымен бiрiктiрiлген жаңа бағыттардың пайда болуына әкелiп соқты. [2,6]

Алғаш рет «биотехнология» термині 1917 жылы Карл Эреки шошқаларды қант қызылшасымен қоректендіру кезінде олардың өнімдерінің жоғарылауы жасалған жұмыстарының нәтижесінде берілген.

Биотехнологияның пайда болуы мен даму тарихында ғылыми пән ретінде голланд ғалымы Е.Хаувинк 5 кезеңді ажыратты. [1]

Биотехнологияның негiзгi бағыттары 10 жылдың iшiнде жiңiшке химия (биокатализаторлар, органикалық синтездiң өнiмдерi), өндiру өнеркәсiбi (биогеотехнологиялар, топырақ биоремедиациясы), жартылай өткiзгiштердi өндiру (жаңа материалдар), ақпараттық технологиялар (микроэлектрондық жүйелер, биоинформатика құралдары, биологиялық қағидаттар негiзiндегi құрылғылар, биокомпьютерлер) сияқты экономиканың маңызды салаларында биотехнологияны қолдау аясын елеулi кеңейту болжанып отыр. Жекелеген салаларда биотехнологиялық әдiстердi енгiзу өндiрiстiк базаның сапалық өзгеруiне әкелiп соғады.
      2010 жылға қарай биотехнологияларды қолданумен алынатын өнiм әлемдiк химикаттар рыногының шамамен 30% құрады. Бұл рыноктың көлемi 1,5 трлн. долларға бағаланды. Генетикалық модификацияланған дақылдарды кеңiнен тарату гербицидтер мен пестицидтердiң сатылуын жыл сайын 30% кемуiне әкелiп соғады.
      Әлемдiк биотехнологияда гендiк инженерия кең дамыған. Биоинженерия саласында барлық әлемдiк зерттеулердiң негiзгi бағыты адам үшiн пайдалы белгiлерге ие генетикалық модификацияланған организмдердi (ГМО) жасауға шоғырландырылған. Гендiк-инженериялық қызметтiң кең мағынада үш негiзгi мақсаты бар: фармакологиялық және тамақ өнеркәсiбi үшiн генетикалық модификацияланған (бұдан әрi - ГМ) өсiмдiктердi, ГМ-жануарларды және ГМ-микроорганизмдердi жасау.
      Гендiк инженерия жолымен алынған дәрi-дәрмек препараттары (атап айтқанда, синтетикалық инсулин, рекомбинанттық интерферон, гепатитке қарсы екпелер) дүние жүзiнде ғылыми ортада және тұтынушылардың тұрақты сұранысымен белгiлi. Ең алдымен адам мен жануарлар белогының негiзiндегi гендiк-инженерлiк дәрi-дәрмек препараттары көбiне тек биотехнологияның көмегiмен ғана алынуы мүмкiн және олар ауыр науқастарды емдеу кезiнде айырбасталмайтын теңдессiз болады. Мысалы, проурокиназ - тромболитиканың төртiншi шығарылған жаңа түрiн пайдалану миокард инфаркттан өлiмдi бес есеге азайтады. Лактоферриндi пайдалану "жасанды тамақтандырылған" балалардың гастроэнтериттермен ауруын 10 есеге азайтады.[3]
      Қазiргi уақытта әлемде 143 гендiк-инженерлiк дәрi-дәрмек субстанцияларын өндiруге рұқсат берiлдi және 26 - рұқсат алу кезеңiнде. Өндiрудiң басталуын екi-үш жылдан кейiн күтуге болатын адам геномының мағынасын ашу, таяу арада адамның жаңа реттеуiш белоктарының ашылып және олардың негiзiнде жаңа дәрi-дәрмек препараттары жасалынады деп болжам жасауға мүмкiндiк бередi. Сарапшылардың болжамы бойынша 10 жылдан кейiн олар әлемдiк фармацевтиканың 15 пайызын өзiне алады, 20 жылдан кейiн барлық бүгiнгi дәрi-дәрмек құралдарының ең кемiнде жартысын алмастырады.
      Бiрiншi рет гендiк-инженерлiк әдiстердi ғалымдар микроорганизмдерге қолданды. ГМ-өнiмдердiң алғашқыларының бiрi инсулин болды - дезоксирибонуклеиндiк қышқыл бактериясыда (бұдан әрi - ДНК) оның синтезiне жауапты ген енгiзiлдi. Қазiр әлемде барлық инсулин трансгендiк бактериялардан өнеркәсiптiк тәсiлмен алынады.
      Кейiнiрек ғалымдар көптеген қажеттi белоктарды бактериялар көмегiмен алуға мүмкiн емес екенiн айқындап, пайдалы сапаларға ие трансгендiк өсiмдiктер мен жануарларды шығаруымен айналыса бастады. Дәрiлiк препараттарды өндiру трансгендiк жануарлар көмегiмен ғана емес, өсiмдiктер арқылы да алуға болады.
      Ғылыми әзiрлемелердiң басқа бағыты - ауруларға Қарсы жоғары тұрақтылығы не басқа да пайдалы қасиеттерге ие жануарлар мен өсiмдiктердi шығару. Сарапшылардың пiкiрi бойынша, бұл ғылым және өнеркәсiптiң дамуының өте пайдалы және перспективалы бағыты. Сарапшылардың бағалауы бойынша, 2010 жылы гендiк-инженерлiк технологияларды қолданудан дүниежүзiлiк табысы $1 трлн. құрайды.
      Дүние жүзiнде белсендi түрде таралып және бiр елдер қатарында қарсылыққа кез болатын генетикалық модификацияланған өсiмдiктер саласындағы жағдай мүлдем басқаша. ГМ-өсiмдiктермен байланысты талқыланатын басты мәселе - олардың адам мен қоршаған орта үшiн қаншалықты қауiпсiздiгi. [4]

Биоинженериядағы биотехнология

      Генетикалық инженерия негiзiнде биотехнология мынадай бағыттарға ие:
      белоктық және клеткалық инженерия;
      инженерлiк энзимология;
      биосенсорика;
      моно- және поликлондық антиденелер негiзiндегi иммунодиагностика.
      Биоинженерия негiзiндегi биотехнологияның негiзгi мәнi - тiрi организмдердi жетiлдiру және жетiлдiрген қасиеттерге ие және табиғатта аналогы жоқ жаңа биологиялық белсендi қосылыстарды алу.
      Биоинженерия негiзiндегi биотехнология мынадай салаларда қолданылады:
      денсаулық сақтау және фармацевтика (диагностикумдардың жаңа ұрпағын, рекомбинанттық белоктар, ферменттер, гормондар негiзiнде дәрi-дәрмек препараттарды жасау);
      өнеркәсiптiң әртүрлi салалары (өнеркәсiптiк процестердi интенсификациялау үшiн биокатализаторларды, рекомбинанттық ферменттердi, модифицикацияланған микроорганизмдердi жасау);
      ауыл шаруашылығы (жетiлген қасиеттермен және жоғары өнiмдiлiгiмен трансгендiк өсiмдiктер мен жануарларды жасау, гендiк-инженерлiк өсiм реттеуiштерiн, био тыңайтқыштарды пайдалану);
      қоршаған ортаны қорғау (қалдықтарды пайдаға асыру, ксенобиотиктердiң биодеградациясы, суды тазалау).
      Генетикалық өзгерiлген не генетикалық модификацияланған өнiмдер - бұл ДНК-на ерекше табиғаттан берiлмеген ген енгiзiлген өсiмдiктерден алынған өнiмдер, оның арқасында олардың бойында әртүрлi жаңа қасиеттер пайда болады.
      Өсiмдiктердiң жаңа түрлерiн жасауда үш кезеңдi бөледi.
      Бiрiншi - вирустарға, паразиттерге немесе гербицидтерге қандай да бiр жаңа тұрақтылық қасиетi бар өсiмдiктердi жасау. Бiрiншi кезеңде өсiмдiктiң түрлерiн жасауда салыстырмалы шапшаң жетiстiк енгiзiлген тұрақтылық қасиетi бiр генмен айқындалатынымен түсiндiрiлдi, ал гендер көзi өсiмдiктердiң вирустары немесе топырақ бактериялары (жәндiктерге, гербицидтерге тұрақтылық гендерi) болды, яғни ген доноры ретiнде жақсы зерделеген табиғатта бар қарапайым биологиялық объектiлер пайдаланылды.[2]
      Қазiргi уақытта мүмкiн бiзге екiншi кезеңнiң шыңына шығуға екi-үш жыл қалған шығар - жаңа агрономдық функциялық қасиеттерi бар өсiмдiктердi жасау. Бiрiншi кезекте - бұл майлы дақылдарында өзгертiлген май құрамы, сондай-ақ құрамында витаминдерi көп жемiс пен көкөнiс, құнарлығы жоғарылатылған бидай дақылдары және т.б.
      Бүгiнде әлемнiң жетекшi зертханаларында үшiншi кезеңнiң өсiмдiктерi жасалуда және таяудағы он жылда олардың рынокқа шығуын күтуге болады. Кейбiр қағидаттық бағыттар туралы сөз қозғасақ: өсiмдiктер - вакциналар, пластиктiң әртүрлi түрлерi, бояуыштар (мысалы, индиго), техникалық майлар және қозғауыштарға арналған қондырғылар секiлдi индустриялы өнiмдердi өндiру жөнiндегi өсiмдiктер - фабрикалар. Iс жүзiнде негiзгi технологиялық өнiмдердi өндiру жөнiндегi жаңа экологиялық таза өнеркәсiптi құру туралы айтуға болады. [4]

Медицинадағы биотехнология

      Биотехнологиялық әдiстермен өндiрiлген фармацевтикалық өнiмдердiң әлемдiк рыногы биотехнологиялық рыноктың жартысына жуығын құрайды.

Антибиотиктер

      80-жылдары антибиотиктер әлемдiк рыногының өсiмiнiң жылдық орта қарқыны 10-15% құрады, ал 1991 - 1998 жылдар жекелеген антибиотиктердiң топтары бойынша 20 % асып, 11-12% деңгейінде болған, хинолон ципрофлоксинды (ВАYЕR), кларитромицинды (USА), цефалоспорнды (НОFFMANN - Lа RОСНЕ) сату көлемi 1 млрд. USD асқан. Бүгiн антибиотиктердiң субстанцияларын өндiру үшiн ферментациялық қуаттылықтың едәуiр бөлiгi тоқтап тұр. Бiз антибиотиктердiң субстанцияларын және дайын дәрi-дәрмек түрлерiн сатып аламыз.

Иммунологиялық препараттар

      Оларға емдеу, диагностикалық және вакциналар, емдеу сарысулар, анатоксиндер, иммуноглобулиндер, бактериофагтар, интерферондар, нормофлора препараттары, аллергендердi қосатын профилактикалық құралдар жатады. Мысал үшiн, қазiргi уақытта Ресейде иммунобиологиялық препараттардың 300 атауы сатып алынады және 500 жуық атауы өндiрiледi. Дүние жүзiнде тек ғылыми-зерттеу зертханаларымен қуатты өндiрiстiк базаның өзара әрекеттесетiн кешендерi сыртқы рынокқа сапалы және бәсекеге қабiлеттi өнiмдердi өндiредi. Елде iс жүзiнде иммунобиологиялық өнiмнiң толыққанды рыногының және өзiндiк өндiрiсiнiң жоқтығы, бiздiң әлемдiк рыноктарға шыға алмауымызға ғана емес, керiсiнше көп жылдарға әлеуеттi импорттаушылар болуымызға әкелiп соғады.

Биотехнологиялық қан препараттары

      Қазiргi уақытта дамыған елдерде донорлық қан плазмасынан медициналық препараттарды алу өнiмдi В және С гепатитiнiң, ЖҚТБ, соз жұқпалы аурулар антигендерiмен ғана емес, сонымен бiрге цитомегаловирус және Т-клеткалық лейкозбен жұқтырудың жолын кесетiн қатаң бақылау стандарттарымен реттеледi. Алайда осындай қан препараттарының өндiрiсi қазiргi уақытта осы заманғы талаптарына сай деп есептеуге болмайды, өйткенi сапалы қан препараттарының құрамында қабықсыз вирустар (гепатит А, паравирус В 19 және басқалар) болуы мүмкiн. Салыстырмалы бiрде бiр мысалы жоқ вирустарды тасымалдауда қан факторларының рекомбинанттық концентраттары едәуiр қауiпсiз деуге болады. Қазiргi уақытта рекомбинанттық та, плазмалық та тазартылған қан факторларын өндiру жоқ. Экономикалық жағдай жұқпалы болуы мүмкiн қан препараттарының өндiрiсiнде стандарттау қағидаттарын жеткiлiктi шамада iске асыруға мүмкiндiк бермейдi. [5]

Гендiк-инженерлiк дәрi-дәрмек препараттары

      Бұл медициналық мақсаттар үшiн олардың синтезi мүмкiн емес немесе өте қиын табиғи биореттеуiштер және биологиялық белсендi заттар. Қазiргi уақытта гендiк-инженерлiк дәрi-дәрмек препараттарының өндiрiсi биотехнологиялық фарминдустрияда жетекшi сектор болып табылады. Жаңа биотехнологиялық өнеркәсiп өнiмдерiнiң әлемдiк рыногында үлесi 18% құрайтын, ақшалай 3 млрд. доллардан астам гендiк-инженерлiк инсулиннiң өндiрiсi ең iрi өндiрiс болып табылады. Соңғы жылдар iшiнде гормондық сипаттағы гендiк-инженерлiк дәрi-дәрмектер рыногында сауданың көш басы анемия, жүрек-қан тамырлары және онкологиялық ауруларды емдеу кезiнде қолданылатын түрлi модификациялары, рекомбинанттық эротропоэтин препараттары болған. Иммунодиагностикада, рак терапиясында және басқа да ауруларды емдеуде қолданыс тапқан моноклондық антиденелер (МАВ) әзiрленiп жатқан биотехнологиялық өнiмдер арасында жетекшi орын алады. Өте белсендi әзiрленiп жатқан гендiк-инженерлiк өнiмдер арасында цитокиндар тобының препараттары - интерлейкиндер бар, сондай-ақ антагонисттер рецепторлары интерлейкиндер. Бұл препараттар iсiк, жiтi асқыны, автоиммундық ауруларын, сондай-ақ қан ауруларының ауыр түрлерiн емдеу үшiн перспективтi.

Диагностикалық құралдар

      Бактериологиялық және физика-химиялық талдауға негiзделген дәстүрлi диагностика әдiстерi иммунологиялық және ДНК - диагностикамен белсендi ауыстырылуда. Экспресс талдауды жүргiзу және соз аурулары, гепатит, ВИЧ, туберкулез және қатерлi iсiктi қоса ауруларды ерте кезеңiнде анықтау бойынша препараттарды және жабдықтарды жасау саласындағы зерттеулер тез қарқынмен дамуда. Өзiнiң барлық қолданылу мерзiмi (18 ай) iшiнде адамның сiлекейiн талдау бойынша оның бойында ВИЧ антиденелерiнiң барын көрсетуге қабiлеттi экспресс анализаторлар сынақтан өтуде. Өте қарапайым талдаудың нәтижесi 20 минуттан кейiн дайын, оның нақтылығы - 99,6 %.

Биосенсорлар мен биочиптер

      "Биосенсор" деген терминдi айқындайтын компоненттiң болуын тiкелей ден қоятын биологиялық материал: ферменттер, тiндер, бактериялар, ашытқы, антигендер/антиденелер, липосомалар, органеллалар, рецепторлар, ДНК бар сезiмдi қабат бұл компоненттiң шоғырлануымен функционалды байланысты дабылды шығаратын құрылғыны түсiну қажет. Конструкциялық түрде биосенсор бiр-бiрiмен тығыз байланыстағы екi биохимиялық және физикалық түрлендiргiш немесе трансдьюсерден тұратын құрамдас құрылғы.
      Рынок көлемi бойынша шамамен 70 млрд. долларды құрайды, мұнда биосенсорлар үлесi 20 % артық және үнемi өсуде. Қазiргi уақытта биосенсорлардың бiрнеше түрлерi бар. Бұл хеми және биолюминестенция негiзiндегi ферменттiк электродтар, ферменттiк микрокалоритмдiк датчиктер және биодатчиктер.
      Биологиялық микрочиптер - әртүрлi биохимиялық талдауларды жүргiзу үшiн кiшкентай құрылғылар. Бұл талданатын нұсқалар құрамындағы кез келген заттармен өзара әрекеттесе алатын реакцияға қабiлеттi агенттер жиi салынған микропластинкалар. Бұл құралдар гендер мен оның өнiмдерiнiң өзара жiңiшке реттеуiн зерттеу үшiн молекулалық биологияның iргелi мiндеттердiң бiрi болып табылады. Қазiргi уақытта әртүрлi фирмалардың бағдарламалық қамтамасыз етуiмен нейлондық мембраналар - микроорганизмдердiң, өсiмдiктердiң, сүтқоректiлердiң және адамның гендерiмен сүзгiштерге негiзделетiн ДНК-микрочиптерге қол жеткiзiлдi. Күрделi жұмыс белоктық микрочиптердi әзiрлеуде тұр. Белоктық микрочиптердi жасау үлкен инвестицияларды тартады.
      Жаңа ғылым - протеомика - белоктарды зерттеуге, олардың тiрi организмдердегi синтезiне, олардың өзара әрекеттесуiне және күрделi қатынастарға арналған. Молекулалық технология институтының ғалымдары әртүрлi заттарды жылдам және өте нақты айқындауға мүмкiндiк беретiн биочиптер - тест-жүйелердi ойлап шығарды. Биочип - ондаған көзбен әрең көрiнетiн әрқайсысының диаметрi 100 микроннан кем жартылай сфералық гидрогендiк ұяшықтар салынған үлкен емес әйнектен жасалған пластинка. Оларда талданатын ерiтпелерде бар заттардың молекулаларын iрiктеп байланыстыратын функционалдық жағдайдағы биологиялық белсендi макромолекулалар химиялық байланған. Кейбiр аурулардың бастапқы кезеңдерiнде белоктар қатарында аздаған өзгерiстер болып жатады. Ресейлiк және Француз ғалымдары бұл өзгерiстердi табуға және талдауға қабiлеттi аппаратураны жасауда.
      Соңғы жылдары ДНК технологияларының - чиптердiң дамуымен қатты жазықтарда айқын молекулалардың селективтiк сорбция процестерi детекцияның физикалық әдiстерiн қолданатын ДНК-сенсорлар деп аталатын чиптерi кеңiнен қолданыла бастады.
      ДНК-сенсор жоғары сезiмдi, шағын көлемдi, кiшi көлемде өлшеудiң байланыссыз әдiсiн iске асырады және орындауда арзан болуы мүмкiн.

Белсендi заттар және өсiмдiк тектес өнiмдер биотехнологиясы

      Өсiмдiк тектес биологиялық белсендi заттар химиялық синтезi iс жүзiнде мүмкiн емес шексiз әртүрлi материалдарды ұсынады.
      Өсiмдiк тектес өнiмдердiң ауқымды тұтынушылары тамақ өнеркәсiбi және сусындар болып қалып отыр және 2003 жылға олардың тұтынушылығы 560 млн. долларды құрады. Мысал үшiн, Ресейде қазiргi уақытта женьшень және қызғылт родиола клеткаларының биомассасы негiзiнде медициналық және парфюмерлiк препараттардың шығарылуы жүзеге асырылуда.
      Өсiмдiк клеткалары дақылдарын пайдалануымен биологиялық белсендi және дәрiлiк препараттарды алу, әлден кең таралып, үлкен перспективаларға уәде беруде.

Пайдаланылған әдебиеттер

1. Егоров Н. С. “Гендік биотехнология” Алматы 1987 г.

2. Уалиханова Г. Ж “Өсімдіктер биотехнологиясы” Алматы ҚазУнивер. 2001

3. Альбер Сассон “Биотехнология” Мир баспасы 1987г.

4. Вгорова Т. А. и др. Основы биотехнологий М. 2003. – 208с.

5. Х.Ә.Аубакиров. Биотехнология. – Алматы, 2011.

6. Б.Қ.Заядан, Г.Өнерхан. Тағам биотехнологиясы. – Алматы: «Қазақ университеті», 2011.