Будущее в биотехнологии, генетике и селекции растений

она в том, что мировому сообществу не удаётся в полной мере обеспечить продуктами питания всех людей на планете. 

Сегодня существуют следующие факторы, влияющие на ситуацию с продовольствием:

• Высокая скорость роста населения;
• Политическая ситуация в мире;
• Массовая урбанизация;
• Специфика размещения людей;
• Индустриализация и отказ от сельского хозяйства на некоторых территориях;
• Экономика развивающихся стран.

Стоит отметить, что каждое государство старается обеспечить свою продовольственную безопасность и независимость, гарантировать физическую и экономическую доступность пищи для каждого гражданина в объёмах соответствующих или превышающих рациональные нормы потребления.

Однако важно не только количество, но и качество. И в его повышении важную роль играют биотехнологии. 

Биотехнологии – будущее человечества?

Биотехнология подразумевают использование живых систем, клеток, организмов для практических нужд человека. Сегодня это важнейшая комплексная наука, позволяющая решать стратегические проблемы, например, недостаток пресной воды, загрязнение окружающей среды химическими соединениями, нехватка энергоресурсов и т.д. И в ближайшем будущем представители соответствующих профессий станут крайне востребованными.

В сельскохозяйственной биотехнологии выделяется ряд направлений, способствующих обеспечить стране и миру в целом продовольственную безопасность, получить экологически чистые продукты.

Селекция растений – норма?

Одним из направлений биотехнологии является селекция – выведение ценных для человека сортов растений или пород животных. Отрасли растениеводства на сегодня обеспечивают около 90% общей калорийности потребляемой пищи, при этом доля белка – 70%.

В результате селекции растений человек смог одомашнить и получить культуры с хозяйственно-полезными признаками. 

Существует несколько типов селекции, и одна из них – гибридная, в ходе которой скрещиваются 2 генетические линии совершенно разных растений с целью получения более плодовитого, крупного и устойчивого вида сельхозкультуры. Но данный метод имеет и минусы. Например, невозможность использования семян гибридов в дальнейшем. 

На сегодняшний день широкое распространения получила геномная селекция – при помощи молекулярных маркеров проверяются признаки растений. Её преимущество заключается в скорости отбора, который осуществляется на уровне зародыша – уже на ранних стадиях можно определить свойства будущей культуры. 

Генная инженерия: о том, чего все боятся

Разработанные методы позволяют применять узконаправленный подход, когда в генотип культуры встраивается определённый ген, отвечающий за новый желаемый признак. 

Один из разрядов методологии – редактирование генома. Под этими методиками понимается точное и целенаправленное изменение отдельных элементов ДНК, а сами технологии обеспечивает наиболее точную и быструю селекцию. Но отсутствие одобрения общественности сильно тормозит развитие направления. 

Тем не менее, именно генная инженерия, по мнению многих учёных, позволит решить демографические, экологические и экономические проблемы. 

Что касается ГМО, сторонники приводят крайне убедительную аргументацию:

• Биобезопасность в применении;
• Экономическая целесообразность;
• Обеспечение продовольственной безопасности;
• Повышение экологической безопасности агропроизводства;
• Мнение авторитетного научного сообщества.
• При этом биологическая опасность ГМО в продуктах питания не подтверждена клинически.

Хотите узнать больше о том, что ждёт генетику в будущем и каковы перспективы биотехнологии? Посмотрите лекцию Михаила Карпухина целиком!

В дополнение к теме

Что такое биотехнологии?

Биотехнология — междисциплинарная прикладная наука, изучающая и разрабатывающая различные способы использования биологических материалов и процессов в промышленных масштабах. Она включает изучение ДНК, РНК, белков, ферментов, микроорганизмов, культур клеток в процессах генетической модификации, биосинтеза, биотрансформации, а также выделение и модификацию биопродуктов, полученных таким путем. Биотехнологию на словах часто путают с генной инженерией. Между тем, последняя представляет собой набор очень сложных методов молекулярной биологии, которые могут быть использованы как в биотехнологии, так и в других областях науки, причем наибольший успех отмечается в здравоохранении. Биотехнологические процессы используются для селекции растений, производства лекарств (первыми были антибиотики и вакцины) и продуктов питания (первенство принадлежало ферментированным продуктам), в химической и горнодобывающей промышленности.

В зависимости от областей, в которых используется биотехнология, выделяют 3 ее категории, обозначенные цветами: белый, красный и зеленый. Каждое направление имеет свои особенности:

1. Белая биотехнология. Используется в промышленном производстве и охране окружающей среды. Использование клеток бактерий, плесневых грибов, дрожжей и их ферментов позволяет преобразовывать сельскохозяйственную продукцию и производить лекарства, химикаты, пищевые добавки и другие продукты. Микроорганизмы также используются в промышленных масштабах для очистки сточных вод и почвы. Промышленные процессы на основе биотехнологии более экологичны и менее затратны, чем традиционные, что связано с меньшим потреблением энергии, экономией сырья и сокращением отходов.
2. Красная биотехнология. Используется в здравоохранении для производства новых лекарств (биопрепаратов) и разработки генетической диагностики. В настоящее время большинство биопрепаратов производится с участием генетически модифицированных бактерий  E. coli или дрожжей  S. cerevisiae. Используя биопрепараты, врачи могут успешно предотвращать диабет, инсульт, гепатит, анемию, астму, а также лейкемию и другие виды рака.
3. Зеленая биотехнология. Связана с сельским хозяйством и используется для увеличения производства растений и животных. Один из продуктов этой отрасли биотехнологии — генетически модифицированные сорта растений, устойчивые, например, к грибковым и бактериальным заболеваниям. Некоторые культуры, такие как соя и кукуруза, были снабжены геном устойчивости к гербицидам.

Примером белка, полученного учеными методами биотехнологии, является инсулин, который сегодня спасает жизни людей с диабетом.

Практическое применение биотехнологий

Биотехнологические процессы использовались человеком с древности — для производства спиртных напитков, сыра и хлеба, а также для разведения растений и животных. В настоящее время они используются в основном в промышленных масштабах и в меньшей степени — на приусадебных участках и кухнях.

Маринование и консервация

Ферментация фруктов и овощей с применением молочнокислого брожения является одним из древнейших биотехнологических процессов, хотя его биологический и химический механизм не был изучен и описан до 19 века, во времена, когда холодильники и морозильники еще не были изобретены и сырое молоко не могло храниться слишком долго. Поэтому для их длительного хранения использовалась молочная кислота — продукт метаболизма молочнокислых бактерий. Молочнокислое брожение — это процесс превращения сахаров (углеводов) в молочную кислоту, в результате чего казеин — белок, присутствующий в молоке — сгущается. Этот процесс используется для производства молочных продуктов и сыра.

Маринование ― способ консервирования фруктов, овощей и грибов. Маринованные продукты можно хранить в течение многих месяцев без риска порчи, поскольку кислота предотвращает развитие других сапрофитных микроорганизмов, кроме молочнокислых бактерий, которые ее переносят. Долговечность маринованных продуктов в прошлом обеспечивалась понижением температуры хранения (в подвалах, на дне ручьев) и плотным закрытием для поддержания анаэробных условий. В промышленных масштабах засолку овощей проводят в бетонных или металлических бочках, оборудованных установкой для удаления выделяющегося углекислого газа. После периода ферментации овощи упаковывают в пластиковую или деревянную тару.

Пивоварение, изготовление вина

В древности дрожжи применялись для получения спирта, хотя, конечно, тогда никто не знал, что за превращение сладкого сока в вино отвечают дрожжи. Лучше всего для ферментации подходит виноград, богатый сахаром, в котором естественным образом содержатся дрожжи. Так что достаточно раздавить плод, закрыть его в контейнере с отверстием, позволяющим выходить углекислому газу, и оставить настаиваться в теплом месте, чтобы получить спиртосодержащий напиток. В настоящее время для производства вина и пива используются специальные штаммы дрожжей (так называемые винные или пивные дрожжи), отобранные с учетом эффективности и типа продукта, который нужно получить.

Производство пива в занимает около 8-10 дней. Необходимым сырьем является зерно ячменя, которое подвергают проращиванию. Его цель — активировать ферменты, расщепляющие крахмал и белки, хранящиеся в зернах в качестве резервного материала. Пророщенное зерно, называемое солодом, измельчают, заливают водой и нагревают до образования месива. Во время приготовления ферменты, присутствующие в солоде, дополнительно расщепляют белки и крахмал. После фильтрации жидкость, известная как сусло, смешивается с хмелем и кипятится. Приготовление направлено на растворение ингредиентов хмеля, выпаривание воды и стерилизацию.  Затем сусло перекачивается в специальный чан, в него добавляются отборные пивные дрожжи, которые производят спирт и углекислый газ. Ферментация занимает от нескольких дней до нескольких недель. Затем будущее пиво фильтруется и выдерживается.

Выпечка хлеба и мучных изделий

Местом, где используется процесс ферментации, являются также пекарни и кондитерские. В пшеничную муку добавляют дрожжи, чтобы взбить тесто. Пекарские дрожжи выделяют много углекислого газа, который раздувает тесто, увеличивая его объем. Для ржаного хлеба нужна закваска, содержащая молочнокислые бактерии. Его приготовление заключается в том, чтобы подвергнуть муку процессу брожения. Для этого муку смешивают с водой и ставят на несколько дней в теплое место. Приготовленную таким образом закваску добавляют к ржаной муке, чтобы распушить тесто и придать ему отчетливый кислый вкус.

Создание антибиотиков

Особую роль в лечении смертельных бактериальных заболеваний сыграло промышленное производство природных антибиотиков. Первый антибиотик — пенициллин — был открыт случайно в 1928 году. Александр Флеминг выращивал очень опасные бактерии стафилококка. Однажды он забыл закрыть ферму для размножения. Вернувшись в лабораторию, он заметил, что на чашке появилась зеленовато-голубая плесень, вокруг которой не было колоний бактерий. Флеминг пришел к выводу, что плесень выделяет бактерицид. Веществом, тормозившим рост бактерий, оказался грибок Penicillium. Экстракт, выделенный из гриба, назвали пенициллином. Это открытие было прорывом, потому что до появления первого антибиотика любой даже небольшой порез мог привести к необходимости ампутации инфицированной конечности или к смерти, а туберкулез и венерические заболевания наносили огромный урон здоровью. Благодаря возможности производства антибиотиков многие бактериальные заболевания больше не считаются опасными.

Горнодобывающая промышленность

В горнодобывающей промышленности используются бактерии, обладающие способностью выщелачивать (извлекать) различные элементы из обедненных руд. Для микроорганизмов, используемых в этих процессах, неорганические соединения, например сульфиды металлов, присутствующие в руде, могут быть источником энергии. Во время метаболизма они производят большое количество кислоты, с помощью которой восстанавливаются металлы. Этот метод в основном используется для получения очень ценных элементов, таких как уран.

Биологическое оружие

Биотехнологии также используются в производстве биологического оружия. Они позволяет создавать или отбирать штаммы очень заразных бактерий или вирусов, способных вызывать серьезные заболевания. Например, бациллы сибирской язвы или вирусы оспы могут быть оружием массового поражения. Смертность у непривитых людей, зараженных оспой, достигает 80%, поэтому факторы, вызывающие их, могут быть эффективным биологическим оружием. В настоящее время образцы оспы хранятся на случай возобновления эпидемии и необходимости производить вакцины в особых условиях. Они находятся всего в 2 местах в мире: в Институте вирусных препаратов в Москве и в Центре контроля заболеваний в Атланте.
Перспективные исследования в биотехнологии будущего

Мировой рынок биотехнологий растет беспрецедентными темпами и уже к 2025 году его объем достигнет 2 триллионов долларов США, а средние темпы роста составляют 10-15% ежегодно. Поэтому будущее выглядит очень перспективно. Основные направления исследований сегодня ― медицина и фармацевтика, энергетика и биотехнологии, сельское хозяйство и промышленность. Внедрение решений, основанных на биотехнологиях, помогает снизить себестоимость продукции, повысить эффективность производства, обеспечить высокую конкурентоспособность продукции.

Большинство исследований биотехнологии связано с разработкой лекарственных средств и препаратов, что является особенно важным в период пандемии COVID-19 и наличия большого количества его штаммов. Биотехнологии также активно применяются для исследований в области генной инженерии, медицинской генетики. В России современные исследовательские программы в сфере биотехнологий определены поручением Правительства РФ от 24.04.2020 № ВП-П8-2322 и направлены на создание биотехнологической продукции, формирование новых отраслей промышленности, создание научно-технологических баз и лабораторий для исследовательской деятельности.