З біологічних наук пряме відношення до виробництва їжі мали і мають мікробіологія і біохімія, які безпосередньо залучені в розробку біотехнологічних процесів, заснованих на використанні біосінтезірующей здатності мікроорганізмів.
Уже давно в промислових умовах здійснюється мікробіологічний синтез лимонної, щавлевої, ітаконовою, глюко-нової та інших органічних кислот, які використовуються в харчовій промисловості.
Як відомо, білки рослинного походження містять окремі амінокислоти в дуже малих кількостях. Це створює значний дефіцит якості кормів, споживаних сільськогосподарськими тваринами і птахами. Тому ще на початку 60-х рр. в ряді країн був введений промисловий мікробіологічний синтез амінокислот, включаючи незамінні. Зараз мікробіологічними шляхом отримують лізин, аланін, аспарагі-нову і глутамінової кислоти, метіонін, триптофан, лейцин та інші амінокислоти, які широко використовують для збагачення кормів.
Значну питому вагу в мікробіологічної промисловості займає виробництво ферментів. Промисловим шляхом виробляють амилолитические, протеолітичні, пектиназу і інші ферменти, які широко використовують у харчовій промисловості з метою поліпшення смаку і аромату харчових продуктів (виготовлення сирів, різних кисломолочних продуктів), а також для ферментації соєвих бобів та іншої сировини.
Певне значення має дешеве виробництво багатого незамінними амінокислотами кормового «одноклітинного» білка (кормових дріжджів). Підраховано, що тонни дріжджів, доданої в корм курей, досить для отримання додатково майже 35 тис. Яєць і 1,5 т курячого м'яса. У великих кількостях отримують також біомасу хлорели, пасти з якої йдуть в корм тварин, птиці, шовковичного хробака. Хлорела використовується також в якості добрива.
Мікробіологічна промисловість виробляє у великих кількостях різні вітаміни, які додають в харчові продукти, а в поєднанні з білками додають і в корму (білково-вітамінний комплекс) для підвищення продуктивності тварин. Нарешті, відзначимо мікробіологічне виробництво кормових антибіотиків, які використовуються для добавки в корм худобі, а також гинув-берелінов і ентомопатогенних препаратів, що застосовуються в рослинництві для регуляції росту рослин і для захисту їх від шкідників.
Зараз все більшого значення набувають пошуки культур мікроорганізмів, які дозволили б надати певний (бажаний) смак харчових продуктів. За грубими підрахунками в світі є великих домашніх тварин стільки ж, скільки і людей, т. Е. На одну людину припадає одне велике домашнє тварина, а також одна домашня птиця (кури, гуси і Др.), Що знижує білкові ресурси біосфери. Тому виникла ідея отримання їжі з мікроорганізмів, минаючи тваринництво і рослинництво. Фахівці вважають цілком можливим отримання різних продуктів з мікроорганізмів, з яких при поєднанні з традиційними видами їжі можна приготувати страви, збалансовані за кількістю і амінокислотним складом білка і по іншим з'єднанням.
Однак традиційних заходів недостатньо в підвищенні кількості і якості їжі. Саме з цієї причини виробництво їжі стало найважливішим напрямком генетичної інженерії. Завданням цього напрямку є підвищення на принципово новій основі врожайності сільськогосподарських рослин і, в першу чергу, злакових культур, як джерела хліба, а також підвищення продуктивності сільськогосподарських тварин як джерела м'яса та м'ясопродуктів.
Протягом тривалого періоду, починаючи з доісторичних часів, селекціонери відбирали і розмножували рослини із властивостями, що мають агрономічний інтерес. Цей шлях відомий як класичної селекції. Однак і давні і сучасні селекціонери були завжди обмежені в своїх успіхах, бо це обмеження визначалося обмеженнями використовуваних методів відбору.
Генетична інженерія розповсюдила свої претензії на створення умов для управління такими процесами, як фіксація азоту атмосфери, фотосинтез, цвітіння рослин, водний режим, мінеральне живлення, транспорт речовин і ін. Які, як припускають, мають важливе значення в формуванні агрономічно цінних ознак рослин.
Говорячи про фіксацію азоту, відзначимо, що щорічно у всіх країнах для підвищення врожайності полів в грунт вносять близько 6 млрд тонн добрив. Високоврожайні сорти пшениці, рису та інших культур, впровадження яких в практику в ряді країн викликало свого часу так звану «зелену революцію», потребують величезних кількостях азотних добрив. Однак їх виробництво дуже обтяжене для економіки. Недоліком їх є і те, що вони засвоюються рослинами лише на 40-50%. Значна частина їх змивається у водойми дощами і весняними водами, що забруднює питну воду і створює умови для розвитку в водоймах водоростей, що поглинають кисень. Тим часом, атмосфера складається на 70% з азоту. Але, як відомо, головне джерело зерна, злакові, не здатні засвоювати азот атмосфери. Тому виникла ідея перенесення генів фіксації азоту від бульбочкових бактерій, що є симбионтами бобових і здатних фіксувати азот атмосфери, до грунтових мікроорганізмів, здатним жити в ризосфері злакових. Результати вже виконаних генно-інженерних дослідів показують перспективність цього завдання і реальність її рішення у виробничому масштабі.
Збільшення продуктивності рослин за допомогою інтенсифікації фотосинтезу - це одна зі старих ідей сільськогосподарської біології. Однак на шляху її реалізації навіть генно-інженерним шляхом є багато труднощів. Одна з них полягає в тому, що ми нічого не знаємо про механізми, які обмежують фотосинтез. Саме це поки перешкоджає використанню генетичних маніпуляцій стосовно фотосинтезу.
Важливим завданням генної інженерії є пошуки шляхів забезпечення рослин генами, контролюючими терміни цвітіння. Такі гени повинні контролювати цвітіння рослин лише в певну пору року, що дозволить зменшити залежність землеробства від кліматичних і метеорологічних факторів. Це питання вирішують введенням генів від бистрозацветающіх рослин в клітини рослин, зацвітають в більш пізні терміни. Наприклад, встановлено, що введення генів, що контролюють цвітіння рослин Arabidopsis, в клітини осики супроводжувалося розвитком трансгенних осик, що зацвітають в 7-місячному віці. Осики зазвичай зацвітають лише в 8-річному віці. Відомо, що деякі рослини містять гени резистентності (R-гени), які забезпечують їх стійкість до вірусів, бактерій або грибів, що є збудниками хвороб рослин. Ці гени кодують в рослинах рецепторні білки. Зв'язуючись з продуктами генів, що забезпечують патогенність мікроор1 "анізм, R-контролюючих-ються рецепторні білки включають в дію чинники захисту рослин. Однак природного захисту недостатньо у всіх випадках для попередження хвороб культивованих рослин. Тому не менший інтерес представляють також генно-інженер-ні розробки з метою створення рослин з підвищеною стійкістю до захворювань. Як відомо, ресурси орних земель в світі давно вичерпані, а зараз навіть зменшуються в зв'язку з діяльністю людини. Між тим одну третину земної поверхні складають пустелі, напівпустелі і сухі савани. Зубожіння ресурсів і зростання народонаселення змушує шукати нові сорти і види сільськогосподарських рослин, які можна було б культивувати в пустелі, зрошуваною морською водою (неопресненной). Тому вже давно ведуться роботи, спрямовані на створення рослин - галофітов, здатних використовувати морську воду, або рослин з меншою потребою у воді, коли їх культивування не пов'язане з збільшити обсяги виробництва.
На генетичну інженерію покладають надії в плані розробки способів забезпечення рослин генами, які контролюють їх стійкість до заморозків, посухи та інших несприятливих факторів в сільському господарстві різних географічних зон.
Один з напрямків генетичної інженерії в області виробництва їжі пов'язане з розробкою методів введення генів від тварин в геном рослин. Як припускають, це дозволить домогтися якісного зміни хліба, схожість його з продуктами тваринного походження. Те, що вже вдалося ввести гени ін-терферона в тютюнові та інші рослини, роблять цей напрям перспективним.
Як зазначено вище, генетичні маніпуляції з ізольованими клітинами рослин (клональное мікророзмноження рослин) дозволяють різко скоротити терміни розмноження багатьох видів рослин, а також відтворити одне і те ж рослина в сотнях тисяч примірників, причому незаражених збудниками хвороб, що виключно важливо для сільськогосподарської практики. Отримання сільськогосподарських рослин з однієї клітини і подальше клонування їх обіцяє виведення сортів рослин, стійких до вірусів, бактерій і грибів, здатним викликати хвороби.
Відомо, що в сільськогосподарській практиці давно і з успіхом використовують для підвищення врожайності гібридизацію рослин і, зокрема, віддалену гібридизацію, під якою розуміють схрещування рослин, що належать до різних видів і родів. У розробку теорії віддаленої гібридизації і в отримання практичних результатів в цій області істотний внесок внесли російські вчені Н. І. Вавилов, Г. Д. Карпі-ченко, А. І. Державін, Н. В. Цицин і інші. Однак віддалена гібридизація рослин пов'язана з витратою багатьох років роботи, цінність генетичної інженерії тут полягає в тому, що вона відкрила перспективи для значного скорочення термінів отримання віддалених гібридів, а також майже необмеженого використання видового І родового різноманітності рослин в якості вихідних форм. Отримання віддалених гібридів стало можливим на основі злиття протопластів окремих рослинних клітин або на основі трансформації клітин за допомогою чужорідної ДНК або за допомогою плазмід.
По суті, мова йде про надзвичайно швидкому подоланні генетичної несумісності рослин, т. Е. Про перспективи гібридизації рослин окремих видів або пологів за допомогою сучасних методів. Реалізація цих перспектив вже привела до деяких результатами, зокрема, до отримання нових форм у вигляді так званих Соккурам (соя + кукурудза), сотаба (соя + тютюн) і табапета (тютюн + петунія). Здійснено також експерименти з отримання картомідора (картопля + помідор). Рослини, що розвинулися з окремих гібридних клітин, ще не мають тієї господарської цінності, якої від них очікують. Тому потрібно ще багато зробити для доопрацювання як самих методів отримання віддалених гібридів, так і збереження господарсько-корисних ознак цих гібридів. Але те, що в ряді країн вже культивують на значних площах генно-інженерні сорти кукурудзи, сої та томатів, породжує надію, що в найближчі роки в сільськогосподарське виробництво увійдуть принципово нові методи отримання рослин із заданими властивостями, включаючи такі рослини, які не існували в природі раніше.
Пошуки нових способів підвищення продуктивності тваринництва на основі методів генетичної інженерії проходять в трьох напрямках, а саме: «конструювання» тварин із заданими властивостями шляхом пересадки генів, клонування тварин шляхом клонування клітин після поділу ембріонів і трансплантацій ембріонів.
Можливість «конструювання» тварин із заданими властивостями шляхом пересадки генів показана в експериментах, в яких вдалося пересадити щурячий ген гормону росту в запліднені яйцеклітини мишей, які потім були імплантовані в матки мишей - прийомних матерів. Деякі з що з'явилися на світло мишенят продукували чужий гормон росту в дуже великих кількостях і з цієї причини значно переросли своїх побратимів, ставши мишами-гігантами. Дослідження в цьому напрямку поглиблюються з кожним роком, приносячи нові результати. За допомогою пересадки генів припускають вивести корів, вага яких буде в кілька разів більшим порівняно з вагою корів існуючих порід, а надої сягатимуть до 20 000 кг молока на рік.
Великі можливості таїть у собі метод клонування тварин, який вже застосовують в разі великої та дрібної рогатої худоби. Зазвичай подрібнюють ембріони, що складаються з 60-80 клітин, які імплантують в організм прийомних матерів. Отже, в принципі можна отримувати з одного ембріона кілька десятків тварин.
Трансплантації ембріонів - це, ймовірно, найбільш розвинене напрям в даній області, успіхи якого пов'язані, як уже зазначено вище, з розробкою способів індукції поліовуляції, штучного запліднення клітин і імплантації ембріонів в організм тварин. За допомогою цього методу вже проведені сотні тисяч телят.
Нові методи мають надзвичайно важливими перевагами, що забезпечують безсумнівний прогрес в цій області. Вони дозволяють перш за все прискорити розведення тварин з високими господарськими якостями. Крім того, вони дозволять зберегти цінний генофонд, т. К. «Вимиті» ембріони можна консервувати замороженням і зберігати невизначено довгий термін. Цей спосіб здешевлює транспортування тварин, бо рентабельніше транспортувати заморожені ембріони в пробірці, ніж самих тварин.