Материал: Шмид Р. Наглядная биотехнология и генетическая инженерия

Скачать

Заказать новую работу

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

развития

Системная биология

ВВЕДЕНИЕ. Системная биология – это новое направ-

 

Тенденции

ление в биологии, задача которого дать целостное

купности и составляет клетку. Такая модель клетки,

 

описание функций клетки или организма. Для этого

 

функциональные элементы метаболизма и относя-

 

щиеся к ним регуляторные и сигнальные молекулы

 

объединяют в функциональные модули, что в сово-

 

основанная на экспериментальных результатах, до-

 

пускает интерактивные подходы при предсказании

 

клеточных функций. Подобное системное описание

 

клетки сравнимо с динамическим картированием,

 

описывающим потоки метаболитов, их количествен-

 

ную динамику и систему их регуляции.

 

ЧТО ЖЕ ГЛАВНОЕ? Прежде чем что-либо предпола-

 

гать или моделировать для клетки или другой биоло-

 

гической системы, надо получить данные о строении

 

этой системы. Это прежде всего информация о функ-

 

циях и взаимодействиях генов, белков, особенностях

 

обмена веществ и механизмах управления ими. Клет-

 

ки динамически реагируют на внутренние и внешние

 

факторы. Реакции обмена веществ в живых системах

 

можно описать, моделируя поведение клетки при

 

строго определенных условиях. Чтобы минимизиро-

 

вать функциональные нарушения, необходимы конт-

 

рольные факторы. Конечная задача состоит в том,

 

чтобы создать действующую модель исследумой био-

 

системы с взаимосвязанными фнукциональными мо-

 

дулями.

 

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ. В сложной биосистеме при

 

любом анализе регуляторных процессов необходимо

 

располагать обширными базами данных. К примеру,

 

должны быть известны последовательности и профи-

 

ли экспрессии генов (геном и транскриптом), затем

 

из них выводятся данные о белках (протеом) и мета-

 

болитах, участвующих в работе клетки (метаболом).

 

Транскриптом может быть описан при изучении про-

 

филей экспрессии мРНК с использованием ДНК-чи-

 

пов. Данные о протеоме получают с использованием

 

двумерного электрофореза, причем с целью получения

 

информации о сигнальных путях можно изучать кинет-

 

ку фосфорилирования белков, например, методом

 

масс-спектрометрии. Измерения концентраций сотен

 

метаболитов в ответ на воздействие (например, добав-

 

ление глюкозы) часто происходит очень быстро и тре-

 

бует проведения измерений в миллисекундном вре-

 

менном диапазоне. Пробы в таких анализах отбирают

 

с помощью автоматических пипеток, а сам анализ про-

 

водится методами ВЭЖХ–МС при строго контролируе-

 

мых условиях. Часто при мечении стабильными изото-

 

пами (13C, 15N) содержание метаболитов анализурют

 

масс-спектрометрически и методом ЯМР.

 

НАДЕЖНОСТЬ. Биосистемы имеют очень важную

280

особенность: клетка или целый организм сохраняет

устойчивость, даже когда один из модулей выходит

из-под контроля. К фенотипическим проявлениям этой стабильности относятся: 1) способность клетки или организма приспособиться к изменившимся условиям среды; 2) невысокая чувствительность соответствующих кинетических параметров; 3) постепенное угасание жизненных функций при сильных нарушениях (а не резкое их блокирование). Эти свойства обеспечивает система множественного контроля благодаря наличию положительной и отрицательной обратных связей, избыточности и стабильности жизненных функций, модульной их организации, которая означает физическую или функциональную изоляцию компонентов системы: клетка сохраняет жизнеспособность, даже когда один компонент прекращает функционировать.

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ПРИБОРНОЕ ОСНАЩЕНИЕ. В системную биологию это оснащение попало из технических дисциплин, что позволило проводить интеграцию данных, планировать эксперимент, визуализировать и анализировать сложные системы. Поэтому существуют многочисленные программы, созданные для модельных исследований. Примером программного пакета на основе формата XML, разработанного специально для системной биологии, может служить Systems Biology Mark-Up Language (SBML). Этот пакет уже стал стандартом при обеспечении накопления и обмене информацией в области исследований in silico. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ. Постановка и решение задач системной биологии в настоящее время осуществляется в рамках международных проектов. Спектр этих проектов широкий: от функционирования микроорганизмов (E. coli, дрожжи) и различных типов клеток человека (гепатоцитов, нейронов) до проблем диетологии и фармакологии.

Основные задачи, которые изучает системная биология

 

Системная биология изучает целостное описание всех клеточных функций

Целостный функциональный анализ:

индуктивный путь

метаболические сети

 

регуляторные сети

Связь между модулями

сигнальные сети

 

Модули компонентов

дедуктивный путь

Анализ отдельных компонентов

 

Биологические науки

 

Термины и экспериментальные методы

 

Термин

Анализ количественных данных

Методы

Метаболом

Метаболиты

Роботизированная быстрая хроматография –

 

 

масс-спектроскопия с изотопным мечением (15N, 13C),

 

 

ЯМР высокого разрешения растворов

 

 

сложного состава, фурье-спектроскопия)

Геном

Последовательности и функции генов

Определение нуклеотидных последовательностей,

 

 

нокаут гена

Транскриптом

Реакции образования мРНК

Изучение профилей экспрессии с кДНК-чипами

Протеом

Реакции синтеза белков

Двумерный гель-электрофорез или капиллярный

 

и их модификация

электрофорез, MALDI-TOF или масс-спектроскопия

 

 

с электроспреем

Интерактом

Различные белок–белковые

Двуцепочечные гибридные системы, атомно-силовая

 

взаимодействия

микроскопия, флуоресцентная спектроскопия (FRET)

 

 

 

Сигнальные сети

Передача сигнала фактора роста TGF-β

в животной клетке по результатам анализа 553 реакций и 561 пула. Большинство пулов состоят из белков или ферментов, которые активируются фосфорилированием

Красные точки – стадии реакции,

синие – пулы

 

 

 

 

 

1,20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,00

 

 

 

 

 

0,5

 

 

 

 

 

 

 

10

20

30

 

10

20

30

 

10

20

30

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,7

 

 

 

 

 

0,0

 

 

 

 

 

 

 

10

20

30

 

10

20

30

 

10

20

30

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

1,0

 

 

 

 

 

0,4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

20

30

 

10

20

30

 

10

20

30

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

0,95

 

 

 

 

 

13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,85

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,75

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

10

20

30

 

10

20

30

 

10

20

30

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На компьютере происходит моделирование во времени выборочных стадий (по оси ординат – концентрация,

по оси абсцисс – время)

281

развития

«Белая» биотехнология

ВВЕДЕНИЕ. Почти все общее энергопотребление и

 

Тенденции

поставки сырья для химической промышленности

спективу относительно запасов энергоносителй и

 

обеспечивают месторождения нефти и природного

 

газа, но однажды эти природные «кладовые» могут

 

истощиться. Для устойчивой хозяйственной дея-

 

тельности служат прогнозы на среднесрочную пер-

 

сырья, в которых должна быть отражена не только

 

экономическая эффективность, но и отдано пред-

 

почтение технологиям, основанным на возобновляе-

 

мых ресурсах, безопасных для окружающей среды.

 

При таких оценках используют специальный показа-

 

тель экоэффективности. Многие продукты и энерго-

 

носители могут быть получены путем биопереработ-

 

ки, основанной на активности биологических

 

катализаторов (ферментов, микроорганизмов),

 

т. е. методами «белой» биотехнологии.

 

ОЦЕНКА ЭКОЭФФЕКТИВНОСТИ. В настоящее время

 

для химических процессов необходимо не только

 

экономическая, но и экологическая экспертиза. Ме-

 

тодики экспертиз могут быть различными, но глав-

 

ное, на что обязаны обращать внимание эксперты,

 

это соблюдение принципа рационального природо-

 

пользования, а также выход продукции, энергетиче-

 

ские затраты и объемы выбросов (отработанного

 

воздуха и газов, сточных вод, шлаковых отвалов и

 

т. д.). При использовании токсичных и огнеопасных

 

материалов также оценивают различные риски. Пу-

 

тем сравнения нескольких технологий делаются ре-

 

комендации, какая может быть предпочтительной.

 

Именно так фирма BASF выбрала технологию полу-

 

чения индиго. Как правило, самые оптимальные по-

 

казатели у биотехнологий.

 

БИОПЕРЕРАБОТКА. Концепция биопереработки осно-

 

вана на использовании возобновляемых ресурсов

 

(целлюлозы, лигнина, гемицеллюлоз, крахмала, рас-

 

тительных масел), включая ГМО-растения. В настоя-

 

щее время в промышленности используются две раз-

 

личные технологии биопереработки: первая – на

 

основе лигнина и целлюлозы (сырье – солома, отхо-

 

ды сахарного тростика, древесина или бумажные от-

 

ходы) и вторая – на основе сельскохозяйственных

 

растений (кукуруза, рожь или пшеница – сырье для

 

производства продуктов питания). Технология биопе-

 

реработки, где сырьем служит зеленая масса клеве-

 

ра, люцерны или укосной травы, считается самой эко-

 

логичной. Установки для получения биоэтанола или

 

полилактида из крахмала – первые прототипы совре-

 

менных промышленных комплексов биопереработки.

 

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ. В качестве

 

источников энергии на основе возобновляемых ресур-

 

сов в настоящее время получили применение биоэта-

282

нол, «биодизель» или биогаз. В перспективных ис-

следованиях разрабатываются топливные элементы

на основе водорода. Большой интерес вызывает биоэтанол. Из-за энергетического дефицита во многих промышленно развитых странах принята программа крупномасштабного получения биоэтанола. В США в рамках Национальной программы к 2020 г. планируется увеличить долю биоэтанола с 0,5 до 10%. Похожие задачи поставлены в странах ЕС, в Японии и в Китае. Предложена технология производства «биодизеля» из отходов производства жиров и растительных масел (щелочной метанолиз ацилтриглицеринов оказался выгоднее, чем ферментативный процесс с применением липаз). «Биодизель» уже применяется как топливо. Безотходная технология производства биогаза (2/3 CH4 + 1/3 CO2) из биомассы путем аэробного брожения уже нашла применение в стационарных энергетических установках на сельскохозяйственных предприятиях. В 2005 г. в Германии около 3 млн домов снабжались биогазом. Большие надежды возлагаются на использование водорода в качестве энергоносителя. Главное преимущество водородных топливных элементов по сравнению с двигателями внутреннего сгорания – более высокая теоретическая эффективность. По сравнению с водородом, который получен обычными методами из природного газа или же из «биодизеля», биогаза и других источников, топливные элементы на основе биоводорода могут привести к повышению энергетической эффективности природного круговорота СО2. Биоводород можно получать при биофотолизе воды (водоросли и цианобактерии), при фоторазложении органических веществ и биомассы (фотосинтезирующие бактерии) или путем бактериальной ферментации (биомасса как источник энергии). В настоящее время светозависимый процесс расщепления молекул воды пока еще не используется, так как имеет один недостаток: H2-продуцирующие ферменты (гидрогеназы) ингибируются кислородом.

Когда стали использовать нефть?

 

Концепция биопереработки

 

 

 

 

 

Продукты питания,

 

 

 

 

 

 

 

произведенные

 

 

 

 

 

 

 

в пищевой

 

 

 

 

 

 

 

 

промышленности

 

 

 

 

 

 

 

Корма для животных

 

 

 

 

 

 

 

Лекарственные

Возобновляемые

 

 

 

 

 

ресурсы

 

 

 

 

 

препараты

 

 

 

 

 

 

 

 

растительного

 

 

 

 

нефти

 

 

 

происхождения

 

 

 

 

 

 

Натуральные

 

 

 

 

 

 

 

продукты

 

 

 

 

 

Потребление

 

 

 

 

 

 

• масла и чернила

 

 

 

 

 

 

 

• краски, пигменты и лаки

 

 

 

 

Био-

 

 

• моющие и чистящие

 

 

 

 

 

 

средства

 

 

 

 

 

 

материалы

 

 

 

 

 

 

• технический клей

 

 

 

 

 

 

 

 

• биополимеры и пленки

 

 

 

 

 

 

 

 

• композитные материалы

 

 

 

 

 

 

 

 

твердые вещества:

 

 

 

 

 

 

 

 

торфяной кокс, лигнин,

 

 

 

 

 

Топливо,

 

рисовая солома

 

 

 

 

 

 

 

жидкости: этанол,

 

 

 

 

 

энерго-

 

 

 

 

 

 

носители

 

метанол, высшие спирты

 

 

 

 

 

 

 

 

газы:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

синтез-газ, метан, водород

 

0

1000

 

2000 г.

 

 

 

• активированный уголь

 

 

Летоисчисление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• присадки к топливам

 

Водородные технологии

 

 

 

 

 

• фенолы и фурфурол

 

 

 

 

 

Биохими-

 

• специальные реактивы

 

Электролиз

 

 

 

 

• жирные кислоты,

 

 

 

 

ческие

 

уксусная кислота

 

воды

 

 

 

реагенты

 

 

 

 

 

 

• промышленные

 

 

Топливный элемент

 

 

 

поверхностно-активные

 

Очистка

 

 

 

вещества

 

 

 

Электроэнергия

 

 

 

• агрохимикаты

 

 

природного

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

газа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Анаэробная

Водород

 

Воздух/кислород

 

 

 

 

 

 

 

ферментация

 

 

 

 

 

 

 

 

(или метан)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фотобактерии

 

 

Полезное тепло

 

 

 

 

 

 

 

и водоросли,

 

 

Предприятие Cargill Plant в Блэре, Небраска.

 

 

 

 

 

свет

 

 

 

 

 

 

Холодная

Этот комплекс биопереработки производит

 

 

 

 

 

Изолированные

 

 

вода

изоглюкозу, этанол, молочную и 3-гидрокси-

 

гидрогеназы,

Анод

Катод

пропановую кислоты и другие химикаты

 

из возобновляемых природных ресурсов

 

свет

 

 

Электролит

(кукурузы и сои).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Технология индиго: экоэффективность

 

 

 

 

 

 

 

Энергопотребление

 

среду

0,4

 

 

 

высокая

 

Порошок

1,0

Электрохимический

 

 

экоэффективность

 

 

Нагрузка на окружающую (нормированная)

 

 

электрохимический

 

из высушенных

 

 

 

 

растений

 

синтез, раствор

 

 

синтез,

 

0,5

 

 

 

 

 

Потребление

 

 

 

 

раствор

 

 

 

 

Выбросы

1,0

 

биопроцесс,

 

 

 

материалов

 

 

гранулированный

 

синтез,

 

 

0,0

 

Химический синтез,

 

 

продукт

 

 

Химический

 

гранулированный

 

 

 

гранули-

 

 

 

продукт

 

растительный

рованный

 

синтез,

 

 

 

 

продукт

 

 

 

Биопроцесс,

 

экстракт

 

 

40%-й

 

 

 

низкая

 

 

 

раствор

 

 

гранулированный

 

 

 

 

 

 

 

продукт

1,6

экоэффективность

 

0,4

 

Риски

 

Токсичность

 

1,6

1,0

 

 

 

 

Общие затраты (нормированные)

283

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

аспекты

Техника безопасности при проведении

генно-инженерных манипуляций

 

ВВЕДЕНИЕ. Высокий уровень квалификации персо-

ДОКУМЕНТАЦИЯ. О проведении генно-инженерных

экономические

нала, соблюдение техники безопасности, грамотная

работ должны быть своевременно информированы

реносимых генов, особенностями используемого

стадии генно-инженерных работ должны быть под-

 

оценка рисков и подробная документация всех ста-

соответствующие службы научно-исследовательско-

 

дий работы – все это позволяет минимизировать

го института или предприятия. В Германии необходи-

 

риски при генно-инженерных манипуляциях. В слу-

мо получить специальное разрешение на работы, на-

 

чае биологических исследований особенно важно

чиная с уровня S2. Уровень риска планируемых работ

 

оценить действительно ожидаемые риски при про-

устанавливает Центральная комиссия по биологиче-

 

водимых работах, что определяется свойствами пе-

ской безопасности при Институте Роберта Коха. Все

и

вектора и организма-хозяина. Очень важно учиты-

робно описаны в протоколах. Для работ уровня S1

этические

катастроф, связанных с биологическими исследо-

мых в работе организмов, в) патогенными свойства-

 

вать экологические последствия попадания транс-

срок хранения протоколов – 10 лет, а для работ бо-

 

генных организмов в природную среду. Во всех раз-

лее высокого уровня риска – 30 лет.

 

витых странах действуют законодательные акты,

БИОЛОГИЧЕСКИЙ РИСК определяется а) опасностью

 

направленные на предотвращение экологических

исследуемого продукта, б) патогенностью используе-

безопасности,

ваниями. Так, в странах ЕС принят закон о генно-ин-

ми использованного вектора (если таковой имеется).

женерных исследованиях, который заложил основы

Таким образом, биологические риски оцениваются

 

 

национальных программ. В США законодательную

суммой отдельных показателей. Большинство стран

 

силу имеют директивы Национального института

в этом вопросе придерживается директив NIH, сог-

 

здравоохранения (NIH).

ласно которым выделяют четыре уровня опасности

 

КВАЛИФИКАЦИЯ ПЕРСОНАЛА. Все сотрудники, уча-

биологических работ для здоровья человека и окру-

 

ствующие в генно-инженерных исследованиях, долж-

жающей среды:

Техника

ны обладать соответствующей профессиональной

S1 – отсутствие риска,

подготовкой и строго соблюдать технику безопасно-

S2 – малый риск,

 

 

сти. Руководить генно-инженерными работами, быть

S3 – средний риск,

 

ответственным за соблюдение техники безопасности

S4 – высокий риск (установленный или предполагае-

 

и составлять отчеты о проведенных работах может

мый; например, ситуация, когда используются пато-

 

только высококвалифицированный специалист в

генные организмы с целью изучения методов лече-

 

должности руководителя проекта.

ния инфекционных заболеваний и в других случаях).

 

ТРЕБОВАНИЯ К ОРГАНИЗАЦИИ РАБОТЫ. Лаборато-

БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИСКИ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ. Трансген-

 

рии, в которых планируется проведение генно-инже-

ные животные, растения и микроорганизмы, которые

 

нерных работ, должны быть проинспектированы

были применены, например, при очистке сточных

 

специальным уполномоченным. На входе в эти поме-

вод, при попадании в окружающую среду могут вы-

 

щения обязательно размещение соответствующих

звать экологические последствия. Поэтому исполь-

 

табличек с указанием, что доступ туда ограничен.

зование ГМО-организмов в природе пока не продви-

 

Дополнительные инженерные конструкции и другие

нулось дальше обсуждения. Тем не менее в США и в

 

материальные средства в этих лабораториях (напри-

Канаде многие трансгенные растения разрешены для

 

мер, вытяжные шкафы, дополнительные средства

высадки в открытый грунт, но в странах ЕС и в Японии

 

дезинфекции) устанавливаются в зависимости от

эти работы находятся под очень строгим контролем.

 

уровня опасности проводимых работ (уровни S1–S4).

На использование рекомбинантных микроорганизмов

 

По окончании исследований ГМО-организмы подле-

в природных условиях в США, странах ЕС и Японии

 

жат обязательному уничтожению. Уровень системы

объявлен мораторий.

 

контроля сточных вод, воздушных выбросов и твер-

 

 

дых отходов также зависит от рисков при проводи-

 

 

мых работах. Все сотрудники, принимающие участие

 

 

в экспериментах, начиная с уровня S2, должны регу-

 

 

лярно проходить медицинское обследование. Обла-

 

 

сти использования генетически модифицированных

 

 

организмов (ГМО) строго ограничены. Во многих

 

 

странах для проведения исследований, начиная с

 

 

уровня S2, требуется специальное разрешение на эти

 

 

работы, для получения которого необходимо пред-

 

284

ставить подробное описание планируемых работ и

 

обосновать их цель.

 

Смотрите также:

«ДОХОДЫ, РАСХОДЫ И ПРИБЫЛЬ КОММЕРЧЕСКОГО БАНКА.»
«ДОХОДЫ, РАСХОДЫ И ПРИБЫЛЬ КОММЕРЧЕСКОГО БАНКА.»
Значение, сущность и содержание социально — педагогической деятельности в организации для детей-сирот и детей, оставшихся без попечения родителей
Проактивные методы PR-деятельности российских авиационных компаний «Россия», «Азимут»
__RGR2
__RGR2
_10_Эмиль Золя для эл версии
_11_А. Франс для эл версии
_3 тема - Диффузия