История развития биотехнологии

Биотехнологический процесс

Тема 1. Введение

1. Цели, задачи, основные биологические объекты биотехнологии. Особенности биотехнологического процесса.

2. Принципы биотехнологии.

В наследство будущему столетию XX век оставляет глобальную экологическую проблему — основательно исчерпанные невозобновимые природные ресурсы, деградированную и загрязненную биосферу, а также множество проблем, связанных с дефицитом продовольствия, ухудшением здоровья людей и качества жизни в целом. Но есть и другая сторона — это реальные пути и оригинальные подходы к решению глобальной экологической проблемы. Выработке стратегии и тактике этого решения мы также обязаны XX веку: во второй его половине стала успешно набирать темпы новая, наукоемкая, бурно развивающаяся отрасль народного хозяйства — биотехнология.

Биотехнология базируется как на традиционных научных дисциплинах (физиология, биохимия, микробиология, медицина, агробиология), так и на рожденных уходящим веком молекулярной биологии и генетике, клеточной и генетической инженерии, кибернетике и информатике. Биотехнология — область знания, позволяющая получать путем управляемого культивирования организмов и (или) их фрагментов (тканей, клеток) полезные для человека продукты — пищу, корма, медицинские препараты, разнообразное сырье, доступные растениям формы азота, средства защиты растений и животных, а также утилизировать (конверсировать) различные органические отходы (промышленные, сельскохозяйственные и коммунальные).

Цели, задачи, основные биологические объекты биотехнологии. Особенности биотехнологического процесса

Биотехнология — это новая, сравнительно недавно получившая широкое развития наука о практическом использование различных биологических (генов, клеток, тканей, микроорганизмов, растений и животных) с целью получения антибиотиков, ферментов, кормовых белков, биоудобрений, безвирусных растений новых сортов растений и животных, переработки сырья, промышленных и сельскохозяйственных отходов, очистки сточных вод и газовоздушных выбросов и так далее. Успехи, достигнутые в области биотехнологии, стали возможными благодаря бурному развитию таких наук, как биохимия, генетика, цитология, микробиология, молекулярная биология и другие.


История возникновения и развития биотехнологии

История возникновения и развития биотехнологии включает три этапа.

1 этап — зарождение биотехнологии с древних времен до конца XVIII в. Археологические раскопки показывают, что ряд биотехнологических процессов зародились в древности. На территории древнейших очагов в Месопотамии, Египте сохранились остатки пекарен, пивоваренных заводов, сооруженных 4-6 тысячелетий назад. В 3 тысячелетии до н. э. шумеры изготовляли до двух десятков сортов пива. В Древней Греции и Риме широкое распространение получили виноделие и изготовление сыра. В основе пивоварения и виноделия лежит деятельность дрожжевых грибков, сыроделия — молочнокислых бактерий, сычужного фермента Получение льняного волокна происходит с разрушением пектиновых веществ микроскопическими грибами и бактериями. Иными словами, зарождение биотехнологии тесно связано с сельским хозяйством, переработкой растениеводческой и животноводческой продукции.

2 этап (XIX — первая половина XX в.) — становление биотехнологии как науки. Этот этап связан с началом бурного развития биологических наук: генетики, микробиологии, вирусологии, цитологии, физиологии, эмбриологии. На рубеже XIX и XX вв. в ряде стран создаются первые биогазовые установки, в которых отходы животноводства и растениеводства под действием микроорганизмов превращались в биогаз (метан) и удобрение. В конце 40-х годов XX, века, с организацией крупномасштабного производства антибиотиков стала развиваться микробиологическая промышленность. Антибиотики нашли широкое применение не только в медицине, но и в сельском хозяйстве для лечения животных и растений, в качестве биодобавок в корма. Были созданы высокоэффективные формы с помощью мутаций. Возникли предприятия, на которых с помощью мик­роорганизмов производились аминокислоты, витамины, органические кислоты, ферменты. В конце 60-х годов получила развитие технология иммобилизованных ферментов.

3 этап (с середины 70-х годов XX века) — ознаменовался развитием биотехнологии в различных направлениях с помощью методов генной и клеточной инженерии. Формальной датой рождения современной биотехнологии считается 1972г., когда была создана первая рекомбинативная (гибридная) ДНК, путем встраивания в нее чужеродных генов. До этого момента использовались, главным образом, физические и химические мутагены с целью создания форм микроорганизмов, синтезирующих ценные для человека вещества в 5 — 10 раз интенсивнее, по сравнению с исходными штаммами.

Биотехнологический процесс

Основная цель биотехнологии — промышленное использование биологических процессов и агентов на основе получения высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных с заданными свойствами. Биотехнология возникла на стыке биологических, химических и технических наук.

Биотехнологический процесс — включает ряд этапов: подготовку объекта, его культивирование, выделение, очистку, модификацию и использование продуктов.

Первым детально изученным процессом было брожение. Французский ученый Луи Пастер (1822 — 1895) первым показал, что брожение — это жизнь без свободного кислорода или анаэробное дыхание, происходящее при участии дрожжевых грибов. По вопросам бродильного производства — виноделию, пивоварению и получению уксуса — он опубликовал 3 монографии.

Биотехнологические процессы могут быть основаны на периодическом или непрерывном культивировании.

Во многих странах мира биотехнологии придается первостепенное значение. Это связано с тем, что биотехнология имеет ряд существенных преимуществ перед другими видами технологий, например, химической.

1) Это, прежде всего, низкая энергоемкость. Биотехнологические процессы совершаются при нормальном давлении и температурах 20-40° С.

2) Биотехнологическое производство чаще базируется на использовании стандартного однотипного оборудования. Однотипные ферменты применяются для производства аминокислот, витаминов; ферментов, антибиотиков.

3) Биотехнологические процессы несложно сделать безотходными. Микроорганизмы усваивают самые разнообразные субстраты, поэтому отходы одного какого-то производства можно превращать в ценные продукты с помощью микроорганизмов в ходе другого производства.

4) Безотходность биотехнологических производств делает их экологически наиболее чистыми. Экологическая целесообразность биотехнологических производств определяется также возможностью ликвидации с их помощью биологических отходов — побочных продуктов пищевой, деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, в сельском и городском хозяйствах.

5) Исследования в области биотехонологии не требуют крупных капитальных вложений, для их проведения не нужна дорогостоящая аппаратура.

К первоочередным задачам современной биотехнологии относятся -создание и широкое освоение:

1) новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов для медицины (интерферонов, инсулина, гормонов роста, антител);

2) микробиологических средств защиты растений от болезней и вредителей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений, новых высокопродуктивных и устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды гибридов сельскохозяйственных растений, полученных методами генетической и клеточной инженерии;

3) ценных кормовых добавок и биологически активных веществ (кормового белка, аминокислот, ферментов, витаминов, кормовых антибиотиков) для повышения продуктивности животноводства;

4) новых технологий получения хозяйственно-ценных продуктов для использования в пищевой, химической, микробиологической и других отраслях промышленности;

5) технологий глубокой и эффективной переработки сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов, использования сточных вод и газовоздушных выбросов для получения биогаза и высококачественных удобрений.

Принципы биотехнологии

1. Принцип экономической обоснованности. Биотехнология внедряется только в те производственные процессы, которые нельзя эффективно и с теми же затратами реализовать средствами традиционной технологии. Аминокислоту лизин можно легко синтезировать химическим путем, но это весьма трудоёмкая процедура, поэтому лизин получают путем микробиологического синтеза.

2. Принцип целесообразного уровня технологических разработок.Масштаб производства продукта, степень его очистки, уровень автоматизации производства — все это должно прямо определяться соображениями экономической выгоды, сырьевыми и энергетическими ресурсами, уровнем спроса готового продукта. Для получения препаратов медицинского назначения, которые требуются в количестве нескольких сотен граммов в год, целесообразно использовать небольшие биореакторы, крупномасштабное производство здесь себя не оправдывает. В большинстве современных микробиологических производств стремятся к использованию чистых культур микроорганизмов и к полной стерильности оборудования, сред, воздуха, но в некоторых случаях, продукт, удовлетворяющий потребителя (например, биогаз), может быть получен и без чистых культур, растущих в условиях не стерильности.

3. Принцип научной обоснованности биотехнологпческого процесса.Научные знания позволяют заранее провести расчет параметров среды, конструкции биореактора и режима его работ.

4. Принцип удешевления производства (максимальное снижение затрат). Как пример — использование в биотехнологических процессах энергии Солнца, естественных биореакторов — природных водоёмов — вместо рукотворных аппаратов, в частности, для получения биомассы одноклеточных водорослей.

Изложенные принципы говорят о двуединой задаче биотехнологии: создание оптимальных условий для синтеза целевого продукта клетками биообъекта и в то же время вести производство в максимально экономическом режиме, при минимальных производственных затратах.

История развития биотехнологии

Биотехнология (от греч. bios жизнь, techne искусство, мастерство и logos слово, учение) — это получение полезных для человека продуктов, в процессе которого используется биохимическая деятельность микроорганизмов, изолированных клеток или их компонентов. Сами того не подозревая, люди применяли биотехнологические методы с древнейших времен.
Занимаясь хлебопечением, виноделием, пивоварением, получением кисло-молочных продуктов, сыров, пищевого уксуса, они использовали деятельность микроорганизмов. Огромную роль в разработке научных основ биотехнологии сыграли работы одного, .ид величайших естествоиспытателей 19-го века — француза Луи Пастера (1822-1895). Начав свою научную карьеру с чисто химических работ, наиболее известной из которых является исследование винных кислот, послужившее толчком к развитию стереохимии, в 50-х годах 19-го века Пастор занялся изучением брожения.
В 1857 г. появляется его работа, в которой Пастер доказывает, что спиртовое брожение сахара есть процесс, тесно связанный с жизнедеятельностью дрожжевых грибков, которые питаются и размножаются за счет бродящей жидкости, при этом часть сахара тратится на постройку дрожжевых клеток и образование побочных продуктов — глицерина и янтарной кислоты. Пастер опроверг господствовавшие тогда взгляды Либиха на брожение как на механико-химический акт.
Изучение масляного брожения привело к открытию важного факта: было показано, что микробы масляного брожения могут развиваться только в отсутствие воздуха. Были установлены два типа бактерий -аэробные, требующие длясвоей жизни воздух, и анаэробные, развивающиеся без него. Позже Пастер опроверг теорию самозарождения микроорганизмов. Его работы по вопросу самозарождения имели очень большое значение для развития и применения антисептических методов в хирургии.
Пастер всегда переходил от теории к практике. Изучив спиртовое, масляное и молочное брожение и сделав важное обобщение о брожении как жизни в отсутствие воздуха, он занялся вопросами, имеющими важное промышленное значение — изучением болезней вина и условий образования уксуса. Он выработал оптимальные правила для образования уксуса и выяснил причины вредных изменений, которым подвергается вино. Для предохранения вина от вредных изменений Пастер предложил его повторно нагревать. Позже такое нагревание стали использовать для увеличения сроков хранения пива и молока — этот процесс получил название «пастеризации».
Велика роль Пастера в разработке вакцин против многих инфекционных болезней, в частности, сибирской язвы и бешенства. В 1888 г. Пастер создал и возглавил научно-исследовательский институт микробиологии (Пастеровский институт). Работы Пастера оказали, настолько большое влияние на развитие микробиологии (термина «биотехнология» тогда не существовало), что почти столетний период с 60-х годов 19-го века до 40-х годов 20-го века часто называют пастеровской эрой. На основе работ Пастера и его учеников в это время были созданы производства этанола, бутанола, ацетона, глицерина, лимонной кислоты, многих вакцин, организованы процессы биологической очистки сточных вод.
Начало следующему этапу развития той отрасли знаний, которую сейчас называют биотехнологией, положила работа английского микробиолога А. Флеминга (1928), отметившего способность нитчатого гриба зеленой плесени (Penicillum notatum) вызывать гибель стафилококков. Дальнейнгая работа привела к выделению в чистом виде первого антибиотика пенициллина, открывшего эру антибиотиков (1940-1960 гг.). За пенициллином последовало получение стрептомицина, тетрациклинов, эритромицина и других антибиотиков, начала развиваться микробиологическая промышленность. В 1953 г. в качестве самостоятельной науки о себе заявила молекулярная биология.
Это было связано с открытием Д. Уотсоном и Ф. Криком знаменитой двойной спирали дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и постулированием матричного механизма ее синтеза. Вдечение постантибиотической эры (1960-1975 гг.) были созданы технологии получения аминокислот, витаминов В2 и B12, биогаза, микробиологического белка на парафинах, иммобилизованных ферментов. В 70-х годах 20-го века появился термин «биотехнология». Начало современного этапа развития биотехнологии было положено в 1972 г. публикацией американского биохимика Пола Берга с сотрудниками.

Этот год принято считать годом рождения новой отрасли молекулярной биологии — генетической (генной) инженерии. Группе ученых под руководством П. Берга удалось получить in vitro рекомбинантную, т.е. созданную методами генетической инженерии, ДНК. Генетическая инженерия существенно расширила экспериментальные границы молекулярной биологии, поскольку позволила вводить в различные типы клеток чужеродную ДНК. Это дало возможность выявлять общебиологические закономерности организации и выражения генетической информации в различных организмах.
Данный подход открыл перспективы создания принципиально новых продуцентов биологически активных веществ, а также животных и растений, несущих активные чужеродные гены. Использование методов генетической инженерии позволило решить многие практически важные задачи. Прежде всего, это получение лекарственных средств, в частности, инсулина и интерферона путем бактериального синтеза. Большим достижением является создание диагностических препаратов для выявления СПИДа.
Разработка методов получения так называемых трансгенных растений открывает новые возможности для растениеводства в создании сельскохозяйственных культур, устойчивых к экстремальным воздействиям и инфекциям.
Этот метод решения проблемы обеспечения населения Земли продуктами питания, хотя и вызывает споры об их потенциальной опасности, продолжает развиваться. Биотехнология связана тысячами нитей с другими перспективными направлениями науки и техники. Так, соединение биотехнологии и нанотехнологий дает новое направление — нанобиотехнологию, что радикально меняет стратегию создания новых препаратов. В частности, это позволяет осуществлять конструирование препаратов под конкретную задачу.
Использование достижений биотехнологии сделало возможным создание биосенсоров для индикации биологически активных веществ. В настоящее время в мире действуют более 3000 биотехнологических компаний, и число их постоянно растет. В наиболее развитых странах мира по инвестиционной привлекательности биотехнологии уступают сегодня лишь информационным технологиям. Например, в США 70 процентов финансирования науки расходуется на исследования в области биотехнологий, это более 100 млрд долл. в год. В Китае эта цифра составляет свыше 1 млрд долларов, в России -всего лишь несколько десятков миллионов долларов. Доля нашей страны в объеме мировой биотехнологической продукции сегодня 0,2-0,5 процента, хотя в конце 80-х годов она была в десять раз больше.
Многие биотехнологические производства полностью исчезли. Примером тому является производство важнейшей кормовой добавки — лизина. СССР был лидером по выпуску этой аминокислоты и обгонял США в десять раз. Сегодня лизин в России вообще не выпускается и завозится только по импорту. Резко сократилось производство кормового белка.
Закупается подавляющая часть биотехнологической продукции, использующейся в отечественной пищевой промышленности (это прежде всего закваски для производства кисло-молочных продуктов, дрожжи и ферменты для производства спирта и мясопереработки). Такая же ситуация сложилась и с медицинскими препаратами, производимыми на основе биотехнологий. До начала 90-х годов страна полностью обеспечивала себя антибиотиками. Сегодня почти все заводы по их производству либо устарели, либо вообще не работают. Для России сегодня важно не догонять западных производителей, а определить те разделы биотехнологии, которыми еще никто не занимается. За последний год

Обществом биотехнологов России проведено несколько научно-практических конференций, на которых были выработаны приоритетные направления развития науки и производства. В России остался большой потенциал, потеряны еще не все позиции. Необходимо наращивать усилия по разработке новых перспективных биотехнологий. По мнению экспертов, продукция, получаемая с применением биотехнологий, составит к 2010 году около 30 % мирового рынка химикатов. Именно развитие биотехнологии будет определять качество жизни людей в XXI веке. По образному выражению президента Общества биотехнологов России А. А. Воробьева: «Биотехнологии — лакмусовая бумажка для страны».
С.В. Макаров, Т.Е. Никифорова, Н.А. Козлов

Опубликовал Константин Моканов

Что такое биотехнология: будущее уже наступило

  • Total: 62

В последнее десятилетие термин «биотехнология» все чаще появляется в заголовках новостей, а открытия в этой области становятся причиной для жарких споров. Действительно, свое наибольшее развитие наука получила именно в последние годы, и этому в большей степени способствовал технический прогресс, но в повседневной жизни биотехнология используется на протяжении многих веков.

С древнейших времен биотехнология применялась человеком для изготовления вина, в сыроварении и других вариантах приготовления пищи. Биотехнологический процесс, а именно брожение, использовался еще в древнем Вавилоне для производства пива. Об этом свидетельствуют найденные при раскопках записи на дощечках. Но, несмотря на активное использование этих методов, процессы, лежавшие в основе этих производств, оставались загадкой.

Луи Пастер в 1867 году говорил, что такие процессы, как сквашивание и брожение, есть ничто иное, как итог жизнедеятельности микроорганизмов. Эдуард Бухнер дополнил эти предположения, доказав, что катализатором является бесклеточный экстракт, который содержит ферменты, вызывающие химическую реакцию.

Позже были сделаны сенсационные по тем временам открытия, которые помогли сформировать данную науку в современном ее понимании:

  • 1865 год австрийский монарх Грегор Мендель представил свой доклад «Опыты над растительными гибридами», где были описаны закономерности передачи наследственности;
  • в 1902 году Теодор Бовери и Уолтер Саттон высказали предположение о том, что передача наследственности напрямую связана с хромосомами.

Годом появления термина стал 1919, после публикации манифеста венгерским агроэкономистом Карлом Эреки. Основываясь на имеющиеся в то время данные, под термином биотехнология подразумевалось применение микроорганизмов для ферментации продуктов питания.

Но, как известно, самые интересные открытия совершаются на стыке знаний, в случае биотехнологии, объединились пищевая и нефтеперерабатывающая промышленность. В 1970 году на практике была опробована технология производства белка из отходов нефтепромышленности.

Что такое биотехнология: термин и основные виды

Биотехнология – наука о способах создания различных веществ с использованием естественных биологических компонентов, будь-то микроорганизмы, животные или растительные клетки. По сути, это манипулирование живыми клетками для получения определенных результатов.

Основными направлениями развития науки являются:

Биоинженерия – дисциплина, направленная на расширение знаний в области медицины (лечение, укрепление здоровья) и инженерии

Биомедицина – узкоспециализированный раздел медицины, который с теоретической точки зрения изучает строение человеческого организма, диагностику патологических состояний и возможности их коррекции. Раздел медицины, занимающийся контролем и лечением биологических систем живых организмов на молекулярном уровне, называется наномедициной.

Гибридизация — процесс получения гибридов (растений, животных). В основе лежит принцип получения одной клетки (устойчивой к тем или иным условиям) путем объединения других клеток.

Сейчас у нас уже есть средства необходимые для того, чтобы прожить достаточно долго до тех пор, пока мы не станем бессмертны. Можно агрессивно применять существующие знания, чтобы кардинально замедлить процессы старения, и оставаться в жизнеспособном состоянии до того момента, когда станут доступны совершенно радикальные терапии по продлению жизни с помощью био- и нанотехнологий.

Ray Kurzweil (изобретатель, футуролог)

Высшим достижением биотехнологии является генная инженерия. Генная инженерия – совокупность знаний и технологий получения РНК и ДНК, выделения генов из клеток, осуществление манипуляций с генами и введение их в другие организмы. Это «управление» геномом живого существа или растения с целью получения заданных свойств. Например, руководствуясь знаниями в области генной инженерии, китайские ученые планируют массово применять метод «исправления» генома людей с онкологическими заболеваниями. Однако, запускать полномасштабные проекты пока никто не спешит, т.к. на сегодняшний день невозможно спрогнозировать последствия для организма в долгосрочном периоде.

Особого внимания заслуживает клонирование. Под этим процессом понимают появление нескольких генетических идентичных организмов путем бесполого (в том числе вегетативного) размножения. На сегодняшний день были клонированы не только растения, но и несколько десятков видов животных (овцы, собаки, кошки, лошади). О фактах клонирования человека пока нет данных, хотя, по мнению ученых, с технической стороны – к процессу все готово. Именно эти разработки стали самыми противоречивыми и обсуждаемыми мировой общественностью. Дело не только в вероятности получения неполноценных людей, но и в этической и религиозной стороне вопроса.

Сфера применения

Принципы биотехнологических процессов внедряют в производство всех отраслей:

  • пищевая промышленность. Производство алкоголя, аминокислот, ферментов безвредным для окружающей среды способом, называется белой биотехнологией.
  • химическая или фармацевтическая. Это направление еще называют красной биотехнологией. Биотехнологи разрабатывают усовершенствованные лекарственные препараты, вакцины и сыворотки против болезней, которые ранее считались неизлечимыми. В западных странах и в частности в Австрии наука пользуется большой популярностью и активно используется для диагностики различных заболеваний (биосенсоры, чипы ДНК).
  • переработка и утилизация отходов (биоремедиация). Методы серой биотехнологии используются для санации почв, очистки канализационных стоков и отработанного воздуха.
  • сельское хозяйство. Зеленая биотехнология позволяет ученым создавать образцы культурных растений, которые способны противостоять болезням и грибкам, с высоким уровнем урожайности вне зависимости от климатических условий (во время засухи). Кроме того, ученые научились использовать определенные ферменты, которые превращают целлюлозные отходы сельского хозяйства в глюкозу, а после в топливо.

Основной целью клеточной инженерии является культивирование животных и растительных клеток. Открытия в области клеточной инженерии позволили контролировать и регулировать продуктивность, качество, устойчивость к заболеваниям новых форм и линий животных и растений.

Инвестиции и развитие

Хотя биотехнологию сложно назвать «молодой» наукой, именно сегодня она находится в начале своего развития. Направления и возможности, которые открываются благодаря развитию этих знаний, могут быть бесконечными. Могут, если получат должное финансирование и поддержку. Основными инвестиционными участниками направления являются сами инженеры и биотехнологии, и это вполне объяснимо. Сегодня предлагается не сам продукт, а скорее идея, и возможные методы ее реализации.

И для осуществления этой задумки нужны десятки и сотни экспериментов, опыты и дорогостоящее оборудование. Не каждый инвестор готов идти только за идеей, рискуя своими вложениями. Но ведь не все верили и в мобильную связь, а сегодня она повсюду.

На данный момент число крупных компаний, занимающихся биотехнологическими разработками, невелико. К таковым относятся:

  • Illumina (генетические исследования, анализы, технология ДНК-микрочипов),
  • Oxford Nanopore (разработка и продажа продукции для взаимодействия с ДНК),
  • Roche (фармацевтическая компания),
  • Editas Medicine (адаптацией лабораторных методик редактирования генов к широкомасштабному применению в больницах),
  • Counsyl (предложила недорогой метод автоматизированного анализа ДНК для последующего использования данных в лечении).

По мнению экспертов, наиболее привлекательным направлением для инвестиций в биотехнологию являются компании, занимающиеся секвенированием. Это общее название методов, которые позволяют установить последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК. Расшифровка ДНК данных (секвенирование), дает возможность идентифицировать участки, которые отвечают за наследственные заболевания, и устранять их. Как только процесс будет доведен до совершенства, люди смогут не лечить симптомы, а избавляться от болезни. Это перевернет наше представление о диагностике, и принесет большие дивиденды тем, кто сумеет рассмотреть потенциал компании еще на этапе идеи.

Биотехнология: добро или зло?

Уже сегодня население планеты сталкивается с проблемой нехватки продуктов питания, и если численность людей продолжит расти, то в ближайшем будущем ситуация может стать критической. Знания о том, что такое биотехнология и как ее применять, помогают получать максимальные результаты урожайности, вне зависимости от внешних факторов. И эти достижения нельзя сбрасывать со счетов. Кроме того, неоспоримым доказательством пользы науки является изобретение антибиотиков, которые позволили контролировать, а в некоторых случаях и полностью искоренять, сотни болезней.

Но далеко не все оценивают науку однозначно. Существуют опасения, что отсутствие контроля может привести к необратимым последствиям. Например, уже сегодня продукты биотехнологии, такие как стероиды для спортсменов, становятся причиной для преждевременных сердечных патологий. В погоне за созданием супер-человека, победившего старость и болезни, общество рискует потерять свое естество.

Мы не остались жить в пещерах. Мы не остаемся в пределах нашей планеты. С помощью биотехнологии, генетического секвенирования, мы даже не собираемся ограничиваться рамками самой биологии.
Jason Silva (оратор, философ, телезвезда).

Развитие биотехнологии стало таким стремительным, что мировые государства столкнулись с проблемой отсутствия контроля на правовом уровне. Это стало причиной приостановления многих проектов, поэтому пока о клонировании человека и победе над смертью говорить преждевременно, и два конфронтационных лагеря могут беспрепятственно поддаваться философским размышлениям.

Предмет биотехнологии. Что же включает в себя понятие биотехнологии? Этот термин происходит от греческих слов bios — жизнь, techne — искусство, logos — слово, учение, наука. В литературе есть множество его определений.

  • Биотехнология — объединение биохимии и микробиологии, инженерных дисциплин для технологического использования микроорганизмов, культуры клеток, тканей и отдельных структур клетки.
  • Биотехнология — наука об использовании биологических процессов в технике и промышленном производстве.
  • Биотехнология — промышленное использование биологических процессов на основе микроорганизмов, культуры клеток и тканей, а также отдельных структур и компонентов клеток животных и растений с заданными свойствами.

Из приведенных определений ясно, что как бы ни стремились точнее передать значение термина «биотехнология», остается ясным одно — эта наука рождена усилиями многих дисциплин, изучающих живую материю, и соответствует социальному заказу современного человека.

История развития биотехнологии. Биотехнология формировалась и эволюционировала с развитием человеческого общества. Ее становление ряд ученых условно подразделяют на 4 периода (Блинов Н. П., 1995):

  1. эмпирический,
  2. этиологический,
  3. биотехнический,
  4. генотехнический.

Эмпирический (от греч. empeirios — опытный), или доисторический, период — самый длительный, охватывающий примерно 8 ООО лет, из которых более 6 ООО лет — до нашей эры и около 2 ООО лет — нашей эры. Древние народы интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и некоторых других продуктов, которые теперь мы относим к разряду биотехнологических. В те древние времена продукты растительного и животного происхождения использовались не только в пищу, но и для лечебных целей. К этому же периоду относятся:

  • получение кисломолочных продуктов,
  • квашеной капусты,
  • медовых алкогольных напитков,
  • силосование кормов,
  • мочка лубоволокнистых растений.

Таким образом, исстари народы пользовались результатами микробиологических процессов, ничего не зная о микробах. Эмпиризм также был характерен и для практики применения полезных растений и животных.

Второй, этиологический (от греч. aitia — причина) период в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX в. и первую треть XX в. (1856 — 1933 гг.). Этот этап связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Луи Пастера (1822 — 1895) — основоположника научной микробиологии и ряда микробиологических дисциплин (промышленной, медицинской, химической, санитарной). Он:

  • раскрыл микробную природу брожений,
  • доказал возможность жизни в бескислородных условиях,
  • экспериментально опроверг представление о самопроизвольном зарождении живых существ,
  • создал научные основы вакцинопрофилактики и вакцинотерапии,
  • предложил метод стерилизации, называемый теперь пастеризацией, и т. д.

В биотехнологии важными являются питательные среды для культивирования ряда биообъектов. Уже в 1859 г. Л. Пастер приготовил первую жидкую питательную среду, метод выращивания грибов на желатине предложил О. Брефельд в 1864 г.

Третий период в развитии биологической технологии — биотехнический, обусловленный внедрением в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечившего протекание различных процессов в стерильных условиях. Особенно мощный толчок в разработке промышленного биотехнологического оборудования был отмечен в период становления и развития производства антибиотиков (во время Второй мировой войны, 1939 — 1945 гг., когда возникла острая необходимость в противомикробных препаратах для лечения больных с инфицированными ранами). Примерно за 40 лет третьего периода были решены основные задачи по конструированию, созданию и внедрению в практику необходимого оборудования, в том числе главного из них — биореакторов, которые используют и в настоящее время.

Четвертый период в биотехнологии — генотехнический (от лат. genos — род) — начался в 1972 г., когда П. Берг со своими сотрудниками в США создал первую рекомбинантную молекулу ДНК. Однако следует отметить, что в 1969 г. Дж. Бекуит с коллегами выделила в химически чистом виде лактозный ген из кишечной палочки, показав тем самым возможность направленных манипуляций с генетическим материалом бактерий. Естественно, что без фундаментальной работы Ф. Крика и Дж. Уотсона (1953) по установлению структуры ДНК было бы невозможным достижение современных результатов в области биотехнологии.

Выяснение механизмов функционирования и регуляции ДНК, выделение и изучение специфичных ферментов привели к формированию строго научного подхода к разработке биотехнологических процессов на основе генно-инженерных работ. В этом — суть генотехнического периода.

Уже в 1982 г. поступил в продажу человеческий инсулин, выработанный кишечными палочками, несущими в себе искусственно встроенную генетическую информацию об этом гормоне Зная строение аппарата наследственности у разных организмов, удается манипулировать не только нуклеиновыми кислотами, но и целыми хромосомами (хромосомная инженерия) и клетками (клеточная инженерия).

Краткая история развития биотехнологии

Старая биотехнология возникла в древнос­ти, примерно 6000—5000 лет до н. э., тогда, когда люди научились выпекать хлеб, ва­рить пиво, приготовлять сыр и вино. Этот первый этап 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. ферментативной природы брожения. С это­го момента начался второй, научный этап традиционной биотехнологии. В этот период получены и выделены ферменты, открыты многие микроорганизмы; разработаны спо­собы их выращивания и получения в массо­вых количествах; получены культуры живот-

ных и растительных клеток и разработаны способы искусственного культивирования; в результате изучения физиологии, биохимии и генетики микробных и животных клеток намечены пути получения многих продук­тов микробиологического синтеза, необхо­димых для медицины, сельского хозяйства и промышленности. Вначале сформировалась техническая микробиология, а затем — био­технология. Однако промышленное произ­водство сводилось в основном к получению на основе природных штаммов биомассы бактерий, дрожжей, грибов, вирусов, из ко­торых затем получали или выделяли необ­ходимый продукт (ферменты, антибиотики, антигены, белок и т. д.).

На смену старой, традиционной биотехно­логии пришла новая биотехнология, основан­ная на применении искусственно получаемых штаммов — суперпродуцентов бактерий, кле­ток животных и растений, на использовании иммобилизованных ферментов, применении культур животных и растительных клеток, широком использовании генно-инженерных работ для получения клеток-рекомбинантов, моноклональных антител и других биологи­чески активных веществ.

Новая биотехнология возникла, таким об­разом, на основе достижений молекулярной биологии и микробиологии, генетики и ген­ной инженерии, иммунологии и химической технологии. Сердцевиной ее явилась генети­ческая инженерия, индустрия рекомбинант-ных ДНК.

Рождение новой биотехнологии обуслов­лено рядом принципиальных открытий и до­стижений в науке, таких как доказательство 2-нитевой структуры ДНК, расшифровка ге­нетического кода и доказательство его уни­версальности для человека, животных, расте­ний, бактерий и т.д.; искусственный синтез биологически активных веществ, открытие ферментов обмена нуклеиновых кислот, по­лучение рекомбинантных ДНК, а также ре-комбинантных вирусов, бактерий, способных синтезировать несвойственные им продукты; искусственный синтез генов и их экспрессия в биологических объектах; получение транс­генных животных и растений, генодиагности­ка и генотерапия и др.

Вышеупомянутые фундаментальные до­стижения позволили в течение последнего десятилетия расшифровать, синтезировать и создать рекомбинантные молекулы для цело­го ряда белковых продуктов (гормонов, ан­тигенов, ферментов, иммунопрепаратов) и получать их в несвойственных биологических системах.

Возможности генной инженерии и био­технологии в наши дни таковы, что ставится задача расшифровать и получить геном чело­века. Основная цель этой программы — про­чтение наследственной информации, запи­санной в ДНК человека, с тем чтобы уста­новить структуру и механизм работы генов и хромосомы и на основании этого попытать­ся исправлять наследственные повреждения генома человека, направленно менять гене­тическую программу животных и растений. Создана программа «Геном человека», кото­рая успешно решается. В настоящее время уже расшифровано примерно 5000 генов из 40—50 тыс., заложенных в ДНК человека, а также расшифрована нуклеотидная последо­вательность всей ДНК человека.

Дата добавления: 2016-02-04; просмотров: 565;

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *