В последние десятилетия непрерывно растет интерес к биотехнологии, особенно к практическому использованию ее достижений в области сельского хозяйства и производства продуктов питания. Это обусловлено тем, что проблема питания для людей является основной. Население планеты постоянно увеличивается, и в настоящее время Землю населяет 6 млрд. человек, по прогнозам в 2025 г. будет проживать 8 млрд. человек, из них 1,5 млрд. — в развитых странах.
Такое увеличение численности населения сопровождается обострением продовольственной проблемы, так как источники питания и принципы его получения остаются прежними. И пищи, особенно белка, уже не хватает. Население развивающихся стран получает в 2 раза меньше растительного белка и в 5 раз меньше белков животного происхождения.
Чтобы ликвидировать дефицит белка, мировое производство пищи должно увеличиться за 20-25 лет не менее чем в^З раза, что практически нереально. Поэтому необходимо разработать новые принципы получения пищи, чтобы обеспечить население достаточным количеством продовольствия.
до настоящего времени основными направлениями увеличения объемов пищевой продукции являются повышение культуры сельскохозяйственного производства, расширение пахотных земель, улучшение селекции растений и домашних животных с целью выведения высокоурожайных сортов и продуктивных пород, сокращение потерь продукции на всех этапах ее производства, транспортировки, хранения и реализации. Однако эффективность этих мер не столь велика.
Единственным выходом в современных условиях является разработка новой стратегии добывания и производства пищи, которая связана с развитием биотехнологии.
Биотехнология представляет собой систему приемов направленного использования живых организмов и процессов жизнедеятельности в производстве.
Зарождение биотехнологии тесно связано с сельским хозяйством и переработкой сельскохозяйственной продукции. В древности люди неосознанно использовали биосинтетическую деятельность микроорганизмов для получения вина, пива, хлеба, сыра, силосования кормов, мочки прядильных растений. Дальнейшее развитие этих традиционных биопроизводств было связано с развитием исследований в области микробиологии. С конца XIX в. человек стал сознательно использовать определенные природные и мутантные формы микроорганизмов.
Бурное развитие биотехнологии на протяжении последних десятилетий связано с прогрессом физико-химической биологии, которая представляет комплексное научное направление, объединяющее биохимию, генетику, молекулярную биологию. Это направление является фундаментом современной биотехнологии.
Современная биотехнология — комплексная, многопрофильная область знаний. Она включает в себя микробиологический синтез, генную, белковую, клеточную инженерии и инженерную энзимологию.
Используя достижения этих технологий, общество получает ферменты, антибиотики, витамины, гормоны, диагностикумы, генетически модифицированные источники продуктов питания, биологические средства защиты растений, биосенсоры, биочипы и целый ряд других ценных препаратов и устройств. Кроме того, биотехнологические методы применяются для переработки отходов, очистки сточных вод, для извлечения металлов из руд, получения удобрений, кормов, источников энергии.
Одним из направлений увеличения объемов пищевой продукции являются генно-модифицированные источники пищи.
Живой организм — химическая фабрика, все производство которой подчиняется наследственной программе, закодированной в ДНК. У всех представителей живой природы — бактерий, мышей, человека — ДНК построена по одному принципу.
За выработку какого-либо продукта и функцию, зависящую от продукта в организме, отвечают гены — участки ДНК. С помощью специальных ферментов можно вырезать гены из ДНК одних живых объектов и вставить их в другие объекты. Ферменты «рестриктазы» разрезают молекулу ДНК в определенных участках на кусочки, а другие ферменты — «лигазы» — сшивают участки ДНК.
Сочетание генов в новую структуру называется рекомбинацией, а получения ДНК — рекомбинатной.
Генетическая инженерия путем избирательного удаления и введения генов позволяет получать организмы с полезными для человека свойствами.
Организмы, подвергшиеся генетической трансформации, называют трансгенными. У трансгенных организмов генетическая программа изменена с применением методов генной инженерии.
В результате трансгенной модификации получают растения, устойчивые к вирусам, гербицидам, инсектицидам, к заморозкам или засухе. Это, в свою очередь, позволяет снизить количество применяемых гербицидов и инсектицидов, их остаточное содержание в продукции. Кроме того, сокращается количество технологических операций при переработке, уменьшаются потери, экономятся средства и материальные ресурсы. Поэтому правительства многих стран вкладывают значительные средства в развитие биотехнологии, особенно в развитие генной и клеточной инженерии. Так, в США, являющихся лидером в области современной биотехнологии, для разработки новейших технологий образовано большое число фирм, которые привлекают лучшие научные кадры, государственный и частный капитал. В Японии исследованиями в области биотехнологии заняты крупные фирмы. При этом и ставка делается на закупку патентов, лицензий генно-инженерных технологий, быструю подготовку специалистов путем стажировки за рубежом и расширение собственных исследований по генетической инженерии в университетах и лабораториях промышленных фирм.
В последние годы важное значение приобретают новые технологии получения трансгенных сельскохозяйственных животных и птицы, направленные на повышение продуктивности и качества мяса, его технологичность, промышленную пригодность. Возможность использования специфичности генов позволяет менять структуру и цвет мышечной ткани, рН, жесткость, влагоудерживающую способность, степень и характер жирности (мраморность), а также консистенцию, вкусовые и ароматические свойства мяса после технологической обработки. С помощью генной инженерии можно не только добиться этих показателей, но и повысить устойчивость к заболеваниям, направленно изменив наследственные признаки.
Из генетически модифицированных источников пищи особенно прочно в жизнь людей входят трансгенные растения.
Мировые продажи трансгенных растительных культур в 2000 г. составили 2 млрд. долларов. По прогнозам к 2005 г. они достигнут 8 млрд. долларов. В прошлом году Китай от выращивания модифицированного хлопка получил более 1 млрд. долларов прибыли.
В мире зарегистрировано свыше 100 видов трансгенных растений. Среди промышленно культивируемых трансгенных растений доля устойчивых к гербицидам составляет 71 %, а устойчивых к вредителям — 22 %. Площади возделывания этих растений неуклонно растут. В 2002 г. площадь выращивания этих культур в мире достигла почти 60 млн. га, большая часть из них (66 %) приходится на США и (21 %) на Аргентину.
Специалисты считают, что для того чтобы преодолеть продовольственный дефицит, особенно в развивающихся странах, необходимо увеличить мировую площадь трансгенных растений до 177 млн. га без учета риса и пшеницы. Следует отметить, что устойчивый к вредителям риса проходит испытания в Китае, а устойчивая к гербицидам и вредителям пшеница — в Австралии.
Основными видами трансгенных растений в настоящее время являются соя, кукуруза и хлопок. Около 34 % американской кукурузы и 75 % сои выращивается из генетически модифицированных ростков. Соя в США используется при производстве более 3000 видов пищевых продуктов (чипсов, маргарина, соусов и др.).
Большая работа проводится по созданию трансгенных растений, несущих гены кодирующих синтез вакцин против различных болезней. При употреблении сырых плодов, овощей, несущих такие гены, происходит вакцинация организма, и съедобные вакцины могут стать простым методом защиты людей и обеспечения безопасности питания в целом.
Несмотря на преимущества трансгенных растений, их пищевая и экологическая безопасность вызывает большие сомнения у населения.
Около 75 % американцев рассматривают применение биотехнологии как большой успех общества, особенно в последние 5 лет, а 44 % европейцев — как серьезный риск для здоровья. Наибольшие опасения у потребителей вызывает возможная реакция новых продуктов на организм человека, а также на его потомство.
В этой связи Европейский союз принял решение запретить продажу генетически модифицированных продуктов в странах-членах ЕС, пока не будут проведены глубокие исследования их безопасности.
Следует отметить, что тесты, проводимые различными институтами, на сегодняшний день не подтвердили опасности трансгенных организмов и отрицательного действия на человека продуктов, полученных на их основе. Прогнозы об их потенциальной опасности строятся не на фактических данных, а на основании общебиологических закономерностей.
Потенциальную опасность трансгенных организмов для человека и окружающей среды связывают с возможным вытеснением природных организмов из их экологических ниш и последующим нарушением экологического равновесия; с уменьшением биоразнообразия и возможностью образования новых патогенов при бесконтрольном переносе трансгенных организмов в природные системы. Кроме того, аналитические исследования указывают на возможные аллергенные и токсические проявления, а также на технологические и внешние потребительские свойства продукта из трансгенных организмов.
Первопричиной таких последствий является рекомбинантная ДНК и возможность синтеза на ее основе новых, не присущих данному виду продукции белков. Именно новые белки могут самостоятельно вызывать аллергенные свойства и токсичность генетически-модифицированных продуктов.
Для выявления содержания ключевых нутриентов, аллергенных и токсических проявлений, влияния на технологические и внешние потребительские свойства готовой продукции, по каждому новому продукту проводится экспертиза, позволяющая оценить органоспецифическое действие пищи на основе трансгенных организмов. Безопасность гене- тически-модифицированной пищи оценивают по результатам медико- биологической, медико-генетической и технологической экспертизы.
Проверкой продуктов на наличие ГМ-компонентов занимаются региональные центры Госсанэпиднадзора, оснащенные современным оборудованием.
Необходимо отметить, что подавляющее большинство новых ГМИ не обладают аллергенностью и токсичностью и пока нет однозначных научных доказательств их вреда. Поэтому каждый потребитель должен сам решать, покупать ли ему генетически-модифицированный продукт или нет.
Несмотря на продолжающиеся споры о преимуществах и недостатках подобных культур, в особенности в странах ЕС, миллионы крупных и мелких фермеров продолжают расширять свои площади, где выращивают генетически модифицированные растения. Это является самой наглядной демонстрацией экономических выгод, которые представляют подобные культуры.
В 2002 г. 6 млн. фермеров в 16 странах мира выбрали для выращивания трансгенные культуры. При этом более 75 % из них — малообеспеченные фермеры, живущие в развивающихся странах с странах с переходной экономикой. В основном фермеры выращивают шесть генетически измененных культур — сою, кукурузу, хлопчатник, озимый рапс, кабачок и папайю. Для коммерческого использования также разрешены помидоры, тыква, табак, свекла, гвоздика, цикорий и лен. Но самые большие надежды возлагаются на рис и пшеницу.
Деятельность в биотехнологической сфере в нашей стране, в том числе по созданию трансгенных растений, регулируют различные постановления и нормативные акты.
Регистрацию генетически измененных культур координирует Межведомственная комиссия по проблемам генно-инженерной деятельности, созданная правительством России в 1997 г.
Действует Федеральный закон «О государственном регулировании в области генно-инженерной деятельности», а в январе 2002 г. вступил в силу Федеральный закон «Об охране окружающей среды». Согласно статье 50 этого закона, вводится запрет на выпуск в окружающую среду организмов, полученных «искусственным путем» и несвойственных среде обитания. Чтобы их внедрить, необходимо положительное заключение государственной экологической экспертизы, разрешение Министерства природных ресурсов и согласование с федеральными органами исполнительной власти. Только после прохождения всех этапов испытаний Госсанэпиднадзор выдает санитарно-гигиенический сертификат на использование растения в пищевых целях.
До настоящего времени в России не выращивается ни одна трансгенная культура в коммерческих целях, но общее потребление продукции, произведенной на основе биотехнологий, значительно увеличилось. Сегодня для переработки и потребления в пищу без ограничений разрешены продукты из сои и кукурузы, устойчивой к гербициду «Раундап», из картофеля, устойчивого к колорадскому жуку, и из кукурузы, устойчивой к стеблевому мотыльку.
Важным направлением обеспечения населения планеты продуктами питания является создание искусственной пищи.
Еще В.И. Вернадский писал, что, как только будет открыт непосредственный синтез пищи, коренным образом изменится будущее человечества.
Благодаря получению пищи искусственным путем, человек перестанет зависеть от времени года и климата. Такая пища сохраняет полноценный состав и биологическую ценность, ее можно конструировать с учетом функционального питания и соблюдения всех показателей безопасности.
В настоящее время освоен синтез жиров, витаминов, углеводов. Однако пока не решена проблема синтеза белка, пригодного в пищу.
Ученых привлекает возможность получать белок с помощью микроорганизмов, например, дрожжей, поскольку они быстро и в большом количестве накапливают биомассу. Дрожжевой белок по составу аминокислот превосходит белок зерна пшеницы и мало отличается от белка сухого молока.
В Англии разрешен к использованию в пищу микопротеиновый биопродукт из мицелия грибов. Он содержит 45 % белка и 13 % жира. Ценность грибной биомассы заключается в том, что их липидная фракция по содержанию и характеристике жирных кислот близка к составу растительных масел, а мицелиальная структура позволяет имитировать мясные волокна.
Другим перспективным направлением является развитие технологии культур растительных клеток путем иммобилизации клеток внутри пористых полимеров. Это позволяет получать белки, аминокислоты, ферменты для использования в сельском хозяйстве и пищевой промышленности.
Одним из путей решения рационального использования природных ресурсов и безопасности пищевого сырья и продукции является создание малоотходных и экологически безопасных технологий. Так, на основе переработки ежегодно возобновляемых растительных субстратов возможно производство этилового спирта, глюкозы, ксилозы, глюкозо- фруктозных сиропов, микрокристаллической целлюлозы, глицерина, лечебного лигнина, биоудобрений и кормовых препаратов.
Определенные микробы могут образовывать полимер пуллулан. Из него получают тонкие пленки, в которые можно герметично упаковывать пищевые продукты, сохраняя их свежими. Продукты вместе с упаковкой можно помещать в кастрюлю и варить, так как пуллулан, подобно крахмалу, съедобен и растворяется в горячей воде.
На возобновляемом сырье можно выращивать мицелий грибов. Нити мицелия тоньше хлопчатобумажных волокон и довольно прочные. Их можно применять для изготовления текстильных изделий, которые можно использовать в медицине в качестве искусственной кожи для закрытия обширных ран.
Поистине фантастическое будущее связывается с развитием белковой инженерии, биоэлектроники с получением новых стимуляторов растений, высокоэффективных лекарственных препаратов.
В течение последних десятилетий были сконструированы биосенсоры. Это биологические измерительные зонды, с помощью которых можно определять концентрацию питательных веществ и концентрацию сахара в крови.
Намечено значительное расширение исследований по биологической фиксации азота, механизмов фотосинтеза, молекулярных основ иммунологии, биогаза из сельскохозяйственных отходов, профилактических и диагностических средств для животноводства и ветеринарии.
Этот краткий перечень достижений современной биотехнологии свидетельствует о том, что XXI в. будет веком высоких технологий, в том числе и производства продуктов питания с высокой пищевой ценностью и функциональными свойствами направленного действия.
Новейшая биотехнология является единственной альтернативой в производстве продуктов питания, и от ее достижений зависит само существование человека в XXI в.
Реализация достижений биотехнологии позволит обеспечить население качественной и безопасной пищевой продукцией. Однако слабость материальной базы университетов, низкое качество и малый ассортимент биохимических препаратов и химических реактивов отечественного производства, большой разрыв между научным уровнем и реальными возможностями, дефицит квалифицированных специалистов — это те недостатки, которые необходимо преодолеть для повышения теоретического и практического уровня исследований.
Залог успешного развития биотехнологии и внедрения ее достижений в практику, в первую очередь, определяется тесным взаимодействием ученых и работников сельского хозяйства, промышленности и здравоохранения. Кроме того, новые приоритетные направления нуждаются в специализированной подготовке кадров, обучение которых должно строиться на интеграции естественнонаучных и экономических знаний. Учить их нужно по-иному — сразу ориентируя на поиск в фундаментальной задаче практического, экологически и экономически выгодного выхода, помня при этом, что будущее биотехнологии самым тесным образом связано с биологическими науками — биохимией, молекулярной биологией и генетикой.
В условиях активного развития и реализации достижений биотехнологии необходимо самым тесным образом объединить усилия государственных органов, предприятий, научных и учебных организаций, создав центр развития биоиндустрии в целях разработки технологий, способствующих увеличению продовольственных ресурсов, сокращения вредных воздействий на человека и окружающую среду, а также решения проблемы подготовки и переподготовки кадров.
Загрузка...