Биотехнология. Генная инженерия в нашей жизни.

XIV Научная конференция учащихся ФНПУ СОГПИ

«По ступенькам науки – в будущее!»

Направление: экология и здоровье человека;

Название работы

Биотехнология. Генная инженерия в нашей жизни.

Автор работы

Пагиев Сармат Асланович

Место выполнения работы:

Учащийся 10 класс

МБОУ СОШ №2 ,

Научный руководитель

Льянова З.К., учитель биологии.

Владикавказ

2022.

Содержание

                Введение.

Биотехнология – самая популярная наука последних десятилетий. Ее направления бойко развиваются, но еще быстрее растут её ожидания. И сейчас биотехнологию можно отнести к приоритетным областям биологической науки, достижения которой широко применяются во всем мире.

За всю историю современного общества нельзя найти другой отрасли, вызывавшей к себе такое полярное отношение. Достижения в этой области стали объектом обсуждений, источником страхов и протестов. Она включает прикладные направления в микробиологии, биохимии, технологии производства ферментов, молекулярной генетике, репродукции человека и животных, обеспечивает дальнейшее их развитие. Продуктивность селекции, плодовитость животных, использование кормовых ресурсов, обеспечение экологически безопасных технологий, развитие медицинских препаратов, во многом определяется успехами биотехнологии. основными объектами изучения биотехнологии являются биологические системы и процессы, используемые в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве и ветеринарной медицине, а также половые клетки и эмбрионы животных.

Актуальность проекта заключается в том, что биотехнология как область знаний и динамически развиваемая промышленная отрасль призвана решить многие ключевые проблемы современности, включая сельское хозяйство, обеспечивая при этом сохранение баланса в системе взаимоотношений «человек - природа - общество», ибо биологические технологии (биотехнологии), базирующиеся на использовании потенциала живого по определению нацелены на дружественность и гармонию человека с окружающим его миром.

Перед собой я ставлю цель раскрыть понятие генной инженерии и опытным путем доказать наличие ГМО в продуктах питания.

Для достижения цели, были поставлены такие задачи:
1) Изучить литературу и интернет ресурсы, найти информацию о Биотехнологии, дать определение понятию «Генная инженерия».

2) Обозначить направления биотехнологий в сельском хозяйстве.

3) Найти и изучить методику по определению ГМО в продуктах питания.

4) Провести исследования по определению ГМО в продуктах питания.

5) Подвести итоги.

Новизна исследовательской работы определяется, например, отсутствием аналогичных исследований.

Практическая значимость моей исследовательской работы заключается в том, что результаты исследования могут быть использованы на уроках биологии, в быту и полученные знания, надеюсь, помогут успешно сдать экзамен.

В своей работе я использовал следующие методы исследования: изучение литературы, лабораторный опыт, ПЦР анализ. Проведённые исследования проводились на базе КВАНТОРИУМА, за что мы выражаем благодарность руководству и лично Каркусовой Мэги Давидовне.

1. Теоретическая часть.

1. Что такое биотехнология.

Биотехнология (от греч. bios – жизнь, techne – искусство, мастерство и logos – слово, учение) – это наука о методах и технологиях производства различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов

Объектами биотехнологии являются бактерии, грибы, клетки тканей растений и животных. Их выращивают на питательных средах в специальных биореакторах.

Развитие биотехнологии связано с решением глобальных проблем человечества: устранение дефицита продовольствия, энергии, минеральных ресурсов, улучшение здоровья населения и качества окружающей среды. Сейчас методы биотехнологии внедряются в промышленность, сельское хозяйство и медицину. Генная инженерия, клеточная инженерия и, конечно же, клонирование – самые актуальные в 21 веке.

2. История развития биотехнологии.

Биотехнология появилась в древности (примерно 6000...5000 лет до н.э.), со времен, когда люди впервые испекли хлеб, научились варить пиво, делать сыр и вино. Практически использовались отдельные клетки (микроорганизмы) и некоторые ферменты в массовом производстве, которые способствовали протеканию ряда химических процессов. Этот первый этап развития биотехнологии был сугубо эмпирический и продолжал оставаться таким, несмотря на совершенствование технологических процессов и расширение сфер использования биотехнологических приемов, вплоть до открытия Л. Пастером в XIX в. природы процесса брожения. Именно тогда начался второй, научный, этап традиционной биотехнологии. В это время были получены и выделены ферменты, открыто множество микроорганизмов, разработаны методы их выращивания в больших количествах, получены культуры клеток животных и растений и разработаны технологии их искусственного культивирования; востребованные в медицине, сельском хозяйстве и промышленности. Вначале сформировалась техническая микробиология, а затем и биотехнология. Но промышленное производство в основном сводилось к получению продукции с использованием природных штаммов.

Вместо традиционной биотехнологии появилась новая, основанная на использовании искусственно полученных штаммов-суперпродуцентов, использовании иммобилизованных ферментов, применении культур клеток животных и растений, широком применении генной инженерии для получения рекомбинантов клеток, моноклональных антител и других биологически активных веществ. Так родилась новая биотехнология, основанная на достижениях молекулярной биологии и микробиологии, генетики и генной инженерии, иммунологии и химической инженерии. Ее основой стала генная инженерия, индустрия рекомбинантных ДНК.

3. Области применения биотехнологии.

Все эти исследования, а также прогресс химической и микробиологической промышленности и создание новых промышленных биохимических производств (чая, табака и т. п.) были важнейшими предпосылками возникновения современной биотехнологии. Перелом был связан с открытием и началом производства антибиотиков. Первый антибиотик — пенициллин — был выделен в 1940 году. Первоочередной задачей, стоящей перед биотехнологией, являются исследования в области разработки и получения:
— новых биологически активных веществ и медицинских препаратов (интерферонов, инсулина, гормона роста человека, моноклональных антител и т.),улучшающих качество  жизни людей и позволяющих проводить раннюю диагностику и лечение тяжелых заболеваний
— бактериальных удобрений и регуляторов роста растений, повышения плодородия почв;
— новых, с заданными свойствами, высокопродуктивных и устойчивых к факторам внешней среды сортов и гибридов сельскохозяйственных растений, выведенных методами генной и клеточной инженерии;
-кормовых добавок и биологически активных веществ, новых технологий 

биоинженерии для эффективной профилактики, диагностики и терапии распрастраненных болезней сельскохозяйственных животных;
—технологий качественной и эффективной переработки сельскохозяйственных, индустриальных и бытовых отходов; использования сточных вод и газовоздушных выбросов для получения биогаза и высококачественных удобрений; производства дешевого и эффективного биотоплива.

— Активация и поддержание путей обмена клеток, ведущих к накоплению заданных продуктов при доминировании над другими реакциями обмена у культивируемого организма.
— Создание безотходных и экологически безопасных биотехнологических процессов.
— Совершенствование и оптимизация аппаратурного оформления биотехнологических процессов с целью достижения максимального выхода конечных продуктов при культивировании естественных видов с измененной наследственностью методами клеточной и генной инженерии.
Главной задачей селекционеров в наше время стало решение проблемы создания новых форм растений, животных и микроорганизмов, хорошо приспособленных к индустриальным способам производства, устойчиво переносящих неблагоприятные условия, эффективно использующих солнечную энергию и, что особенно важно, позволяющих получать биологически чистую продукцию без чрезмерного загрязнения окружающей среды.

4. Основные направления биотехнологии.

В науке биотехнологии можно выделить три основных направления:

1. Клонирование – это процесс получения клонов (то есть потомков полностью идентичных прототипу). Первый опыт клонирования был проведен на растениях, которые клонировались вегетативным путем. Каждое отдельное растение, которое получилось вследствие клонирования, называлось клоном. Клонирование человека неоднозначно оценивается как научной, так и широкой общественностью.

2. Клеточная инженерия.  Главная цель этого раздела - познакомить с методами выполнения клеточных культур и практического использования этих объектов. В рамках этого раздела различают культивирование клеток растений и способы культивирования клеток животных, поскольку методы культивирования этих объектов отличаются в силу их принципиальных биологических отличий. Клеточная биотехнология позволила ускорить производство новых важных форм растений и животных, используемых в селекции на устойчивость, продуктивность и качество; Размножение ценных генотипов, получение важных биопрепаратов для пищевых, кормовых и лечебных целей.

3. Генная инженерия

Генная инженерия играет важную роль в биотехнологии. Генная инженерия — это современная область биотехнологии, объединяющая знания, методы и приемы из целого блока смежных наук — генетики, биологии, химии, вирусологии и др. — для получения новых наследственных свойств организмов.
Перестройка генотипа происходит за счет изменений в ДНК и РНК.

Главным достижением современной биотехнологии является генетическая трансформация, перенос чужеродных генов в клетки растений, животных и микроорганизмов, получение ГМ организмов с новыми или улучшенными свойствами и признаками. С точки зрения целей и возможностей на будущее это направление является стратегическим. Он позволяет решать фундаментальные задачи селекции биологических объектов по стабильности, высокой продуктивности и качеству продукции, улучшая при этом экологическую обстановку во всех видах производств. Уже сегодня во многих лабораториях мира, включая Россию, с помощьюгенной инженерии созданы новые трансгенные организмы, получившие коммерческое признание.

Генная инженерия основана на возможности целенаправленных манипуляций с фрагментами нуклеиновых кислот благодаря последним достижениям молекулярной и генетической биологии. К этим выводам относится утверждение универсальности генетического кода, т. е. того факта, что во всех живых организмах включение одних и тех же аминокислот в белковую молекулу кодируется одними и теми же последовательностями нуклеотидов в цепи ДНК.

1. Перечень продуктов, где могут быть генетически измененные продукты: Рибофлавины Е 101, Е 101А, карамель Е 150, ксантан Е 415, лецитин Е 322, Е 153, Е160d, Е 161с, Е 308q, Е 471, Е 472f, Е 473, Е 475, Е 476b, Е 477, Е 479а, Е 570, Е 572,Е 573, Е 620, Е 621, Е 622, Е 623, Е 623, Е 624, Е 625.
2. Генно - модифицированные продукты: шоколад Fruit Nut, Kit-kat, Milky Way, Twix; напитки: Nesquik, Coca-Cola, Sprite, Pepsi, чипсы Pringles, йогурт Danon.
3. Генетически измененные продукты производят такие компании: Новартиc (Novartis), Монсанто (Monsanto)-новое название компании Фармация (Pharmacia), куда входит и Кока-кола, а также Нестле (Nestle), Данон (Danone), Хенц, Хипп, Юниливер (Uniliver), Юнайтид Бисквитс (United Biscuits), рестораны Мак-Доналдс (Mac-Donalds).

1. Методы биотехнологии.

1. Полимеразная цепная реакция (ПЦР).

Полимеразная цепная реакция (ПЦР, PCR)  — метод молекулярной биологии, позволяющий создать копии определенного фрагмента ДНК из исходного образца, повысив его содержание в пробе на несколько порядков.

Изобретение ПЦР сильно изменило медицину, науку и нашу жизнь в целом. Появилась возможность быстро и эффективно диагностировать наследственные заболевания и инфекции, определять личность преступников по одному волоску и свободно манипулировать генами. Не будь этого уникального метода, человечество вряд ли оказалось бы на пороге эпохи генной терапии.

Цель ПЦР — получить множество одинаковых двухцепочечных кусочков ДНК строго определенной длины (обычно не более 2–3 тысяч пар нуклеотидов, т.п.н.). Для этого проводят 20–30 циклов реакции. Каждый цикл состоит из трех этапов. 

1. Денатурация. Чтобы полимераза могла работать, две цепи ДНК-матрицы нужно разъединить. Для этого реакционную смесь нагревают до 94–98 °С. В таких условиях разрушаются водородные связи между азотистыми основаниями параллельных цепей.

2. Отжиг праймеров. На этом этапе праймеры специфично присоединяются к освободившимся цепям ДНК-матрицы с разных сторон копируемого участка 3ˊ-концами друг к другу.

3. Элонгация, или синтез ДНК

ПЦР изобрёл в1983 году Кэри Мюллис. Вскоре он получил за это открытие Нобелевскую премию.В настоящее время ПЦРдиагностика является, одним из самых точных  методов диагностики инфекционных заболеваний.

2. Электрофорез в агарозном геле.

Электрофорез – метод разделения макромолекул, различающихся по таким параметрам, как размеры (или молекулярная масса), пространственная конфигурация, вторичная структура и электрический заряд.

Генная и клеточная инженерия являются главными современными методами биотехнологии. В основе клеточной инженерии – создание и модификация клеток.

3. Генная инженерия действует на генетическом уровне. Генные инженеры стараются найти новые комбинации генов, которых нет в природе.

В целом процесс можно описать следующим образом:

из определенных клеток собирают гены для считывания некоего вещества; далее, проводится процесс адаптации для более плавного и гармоничного внедрения гена в чужеродную клетку; в итоге получается измененная генетически ДНК, которая запрограммирована на выработку исходных веществ.

Измененные генетически растения и животные называют трансгенными. Сейчас большинство товаров, которые находятся в супермаркетах и на рынках, получают из трансгенных продуктов.

Генная и клеточная инженерия являются основными современными направлениями биотехнологии. Клеточная инженерия основана на создании и модификации клеток. Ученые постоянно занимаются исследованиями, чтобы в результате получить новые клетки из имеющихся. Для этого в лабораториях проводятся многочисленные опыты. Обычно входе опытов свойства разных клеток комбинируют для получения новой. В  итоге получается измененная генетически ДНК, которая запрограммирована на выработку исходных веществ.Измененные генетически организмы называют трансгенными. Сейчас большинство товаров, которые находятся в супермаркетах и на рынках, получают из ГМ продуктов.

4. Практическая часть.

Несмотря на то что использование метода ПЦР для видовой идентификации тканей растительного происхождения получило высокую оценку зарубежных специалистов, в нашей стране это направление не нашло еще широкого практического применения в области санитарной экспертизы.

В мире уже зарегистрировано несколько десятков съедобных трансгенных растений. Это сорта сои, риса и сахарной свеклы, устойчивых к гербицидам; кукурузы, устойчивой к гербицидам и вредителям; картофеля, устойчивого к колорадскому жуку; кабачков, почти несодержащих косточек; помидоров, бананов и дынь с удлиненным сроком хранения; рапса и сои с измененным жирнокислотным составом; риса с повышенным содержанием витамина А.

Генетически модернизированные источники могут встречаться в колбасе, сосисках, мясных консервах, пельменях, сыре, йогуртах, детском питании, кашах, шоколаде, конфетах мороженом.

Цель  практической части работы   –   молекулярно-генетического анализ сельскохозяйственных растений и продуктов их переработки  для скринингового обнаружения ДНК ГМ линий методом мультиплексной ПЦР в реальном времени.

В результате  исследования продуктов питания на содержание в них ДНК ГМО  нами был проведен анализ панели образцов различных продуктов питания. Выделение проводили в лаборатории кванториума. Результаты исследования продуктов питания на содержание в них ДНК ГМО показали:

1. КУКУРУЗНЫЕ ХЛОПЬЯ фирмы «Любятово» , «Нестле» - не содержат ДНК ГМО.
2. Шоколадные ботончики «MARS», «MILKY WAY», «BOUNTY» содержат ДНК ГМО и не рекомендуются к употреблению.

Выводы:

Изучив литературу и проделав ряд опытов по данной проблеме, можно прийти к следующим выводам.

1. Изначально применение ГМО в пищевой и сельскохозяйственной промышленности носило материальную выгоду в период экономического кризиса в развивающихся странах. На сегодняшний день эта выгода не актуальна, так как целесообразность использования ГМ-культур снижена. По мнению экспертов,  необходимо уделять больше внимания традиционной селекции и                        экологически чистому с\хозяйственному производству
2. В ситуации с ГМО на данный момент никто не может ответить,      какие продукты являются гарантированно безопасными. Ведь пагубное   влияние некоторых продуктов может проявиться     во втором или           третьем поколении, внешне практически не повлияв на первое.
3. Так что же со всем этим делать? Безусловно, должны             продолжаться исследования для определения, какие же   ГМ продукты являются достаточно     безопасными, и не наносят никакого риска здоровью человека.
   Также несомненно, что наличие ГМО в продуктах должно указываться всеми продавцами. Ведь это естественно, что состав продуктов пишут на этикетках.         

Что же касается нас, потребителей, то тут можно сделать следующие рекомендации. Если есть такая возможность, тогда, не стоит покупать генетически модифицированные продукты. Если такой возможности нет (теоретически ГМ-продукты должны быть дешевле), то:
1) Ни в коем случае не кормить ГМ-продуктами детей и беременных      женщин. Также желательно полностью исключить такие продукты за несколько месяцев до зачатия.
2) В молодом возрасте, желательно свести количество потребляемых ГМ-продуктов к минимуму.
3) Не злоупотреблять продуктами, содержащими ГМО; внимательно  читать этикетки и расшифровку кодов, не обращая внимания на торопливых покупателей, хватающих все подряд.

В мире не зарегистрировано ни одного факта, что трансгенное растение нанесло вред человеку. Но бдительность терять не стоит. Пока не выяснено, не повлияют ли эти растения на потомство, не загрязнят ли окружающую среду.

Список литературы:

1. Lehman I.R., Bessman M.J., Simms E.S., Kornberg A. (1958). Enzymatic synthesis of deoxyribonucleic acid. I. Preparation of substrates and partial purification of an enzyme from Escherichia coli. J. Biol. Chem. 233, 163–170;
2. Вишневец А.В., Соболева В.Ф., Базылев С.Е. и др.Основы генетической инженерии и биотехнологии Учебно-методическое пособие, 2010 г.
3. Жимулев И.Ф. Лекции для студентов 3-го курса по общей и молекулярной генетике (гл. 7);
4. Ребриков Д.В. ПЦР «в реальном времени». М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009;
5. Рыбчин В.Н., Гайцхоки В.С. - Основы генетической инженерии

Интернет-ресурсы:

1. https://genetics-b.ru/istoriya-vozniknoveniya-gennoj-inzhenerii/
2. https://biomolecula.ru/articles/molekuliarnoe-klonirovanie-ili-kak-zasunut-v-kletku-chuzherodnyi-geneticheskii-material
3. https://mentamore.com/covremennye-texnologii/chto-takoe-biotexnologiya.html
4. http://newtonew.com:81/science/biotehnologiya-nauka-budushchego
5. https://www.chemistry-expo.ru/ru/ui/17169        
6. https://studme.org/271445/tehnika/zadachi_biotehnologii
7. https://studwood.ru/1764371/meditsina/osnovnye_napravleniya_zadachi_sovremennoy_biotehnologii
8. https://vseobiology.ru/biotekhnologiya/242-3-zadachi-sovremennoj-biotekhnologii-tendentsii-i-perspektivy-ee-razvitiya