Биотехнология как наука. Основные направления современной биотехнологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Биотехнология как наука. Основные направления современной биотехнологии

1. Понятие биотехнологии. Место биотехнологии в комплексе естественных наук. Зарождение и развитие биотехнологии как науки

Биотехнология - от греч. слов Bios - жизнь Teken - искусство Logos - учение, наука. Определение биотехнологии в довольно полном объеме дано Европейской биотехнологической федерацией, основанной в 1978 г.

Согласно этому определению, биотехнология - это наука, которая на основе применения знаний в области микробиологии, биохимии, генетики, генной инженерии, иммунологии, химической технологии, приборо- и машиностроения использует биологические объекты (микроорганизмы, клетки тканей животных и растений) или молекулы (нуклеиновые кислоты, белки, ферменты, углеводы и др.) для промышленного производства полезных для человека и животных веществ и продуктов.

Существует и другое определение: Биотехнология - производственное использование биологических агентов (микроорганизмы, растительные клетки, животные клетки, части клеток: клеточные мембраны, рибосомы, митохондрии, хлоропласты) для получения ценных продуктов и осуществления целевых превращений. В биотехнологических процессах также используются такие биологические макромолекулы как рибонуклеиновые кислоты (ДНК, РНК), белки - чаще всего ферменты. ДНК или РНК необходима для переноса чужеродных генов в клетки.

К числу биологических процессов относят те, в которых применяют биологические объекты различной природы (микробной, растительной или животной).

Биотехнология - междисциплинарная область знаний, возникшая на стыке биологических, химических и технических наук. До того момента, как термин биотехнология стал общепринятым, для обозначения наиболее тесно связанных с биологией разнообразных технологий использовали такие названия, как прикладная микробиология. прикладная биохимия, технология ферментов, биоинженерия. прикладная генетика и прикладная биология.

История возникновения и становления биотехнологии

Биотехнология как наука формировалась и развивалась по мере развития человеческого общества.

Возникновение и развитие биотехнологии можно подразделить на 4 периода:

* эмпирический;

* этиологический;

* биотехнический;

* генотехнический.

Эмпирический (доисторический период) - самый длительный, который охватывает около 600 млн. лет до н.э. н около 2000 лет н.э. Древние народы интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и других продуктов которые сейчас относим к биотехнологическим процессам. Переходы после охотничьего кризиса к оседлому образу жизни привели к изобретению техники земледелия. Стали формироваться первичные цивилизации Месопотамии, Египта, Индии и Китая. Они выпекали хлеб из кислого теста, владели искусством готовить пиво. Уже в 14 веке - начали приготавливать уксус Орлеанским способом, водку из хлебных злаков получили в 16 веке, шампанское известно с 18 века. Абсолютный этанол впервые удалось получить в 14 веке испанцу Раймунду, благодаря перегонке вина с негашеной известью. Продукты питания растительного и животного происхождения использовались не только в пищу, но и для лечебных целей. Так, в ассирийской столице еще в 8-7 - веке до н.э. царская библиотека насчитывала более 30 000 табличек из которых в 33 имелись сведения о лекарственных средствах и их рецептуре.

К этому периоду относятся: получение кисломолочных продуктов, квашенной капусты, силосование кормов. К этому периоду также относятся большое накопление фактов в области микологии (о грибах), которая стала самостоятельной наукой.

Второй период (этиологический) охватывает период с 1856-1933 гг. Связан с исследованиями французского ученого Луи Пастера. Его достижения в биотехнологии: - открыл микробную природу брожений; предложил метод стерилизации; создал научные основы вакцинопрофилактики; приготовил в 1859 г. первую жидкую питательную среду.

В этот период были обнаружен ряд вирусов:

- вирус мозаичной болезни табака (Ивановский Д.И.). И.П. Фрош открыл вирус ящура, были открыты вирус желтой лихорадки, вирусы бактерий (бактериофаги).

В этот период удалось доказать индивидуальность микробов и получить их в чистых культурах. Было начато изготовление прессованных пищевых дрожжей, и некоторых продуктов обмена (метаболизма) - ацетона, бутанола, лимоновой и молочной кислот. Во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод.

Третий период (биотехнологический) начался с 1933 г. с опубликования работы Клюйвера и Перкина «Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов», в которой изложили основные технические приемы. С этого периода началось внедрение в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, которое обеспечивало проведение процессов в стерильных условиях. Мощный толчок в развитии промышленного биотехнологического оборудования был отмечен в период развития производства антибиотиков.

В 1950 г. Ж. Моно (Франция) разработал теоретические основы непрерывного управляемого культивирования микробов. Примерно за 40 лет этого периода были решены основные задачи по созданию и внедрению в практику необходимого оборудования - биореакторов.

Четвертый период (генотехнический) начался с 1972 г. В этом году П. Берг со своими сотрудниками в США создали первую рекомбинантную молекулу ДНК.

В! 982 г. поступил в продажу человеческий инсулин, выработанный кишечными палочками, которые несут в себе искусственно встроенную генетическую информацию об этом гормоне. Зная строение аппарата наследовательности у разных организмов, удается манипулировать как нуклеиновыми кислотами, так и целыми хромосомами (клеточная инженерия) и клетками (клеточная инженерия). Для этого периода характерны: создание необычных организмов, ранее не существовавших в природе (неклубеньковых растений, несущих гены азотобактерий, ответственные за способность фиксировать молекулярный азот из воздуха); разработка и внедрение экологически чистых, безотходных технологий, разработка и внедрение в практику спец. аппаратуры и др.

1972 год. Доказано, что генокод человека на 99% аналогичен генокоду горилл и шимпанзе.

1976 год. В США выходит первый законодательный акт по работе с рекомбинантной ДНК. Определена последовательность базовых пар в генах (A, C, T, G).

1978 год. Впервые создан рекомбинантный инсулин, который практически полностью идентичен естественному. Это открытие позволило спасти миллионы жизней больных сахарным диабетом. Впервые синтезирован гормон роста человека.

1980 год. Впервые выдан патент на клонирование.

1981 год. Создано первое трансгенное животное (мышь).

· Китайские ученые впервые клонировали рыбу (золотого карпа).

1982 год. Зарегистрировано первое лекарство, полученное методами биотехнологии (FDA): человеческий инсулин, вырабатываемый бактериями. Первая генетическая трансформация растительной клетки: Petunia (расцветка цветков).

1983 год. Первое ГМ (генетически модифицированное) растение (табак).

1984 год. Разработана технология применения анализа ДНК для идентификации человека, с 1985 года она используется в работе правоохранительных органов.

1986 год. Впервые с помощью генной инженерии создана вакцина (гепатит В) и первое лекарство против рака (интерферон).

1987 год. Первые полевые испытания генетически модифицированных сельскохозяйственных растений (помидор, устойчивый к вирусным заболеваниям).

1990 год. Начало крупномасштабного международного проекта по созданию генетической карты человека (Human Genom Project). В этом же году впервые была проведена успешная генная терапия, которая позволила спасти жизнь четырехлетней девочке, страдавшей расстройством иммунитета. Первый продукт питания из ГМО, зарегистрированный в UK (модифицированные дрожжи).

1993 год. Генетически измененные продукты допущены на прилавки магазинов мира. Практически сразу начинается международная кампания, требующая их запрещения.

1994 го. Открыт ген, вызывающий рак

1995 год. Впервые пересажен костный мозг бабуина больному, страдающему СПИДОМ.

1996 год. Открыт ген, вызывающий болезнь Паркинсона.

1997 год. Впервые из эмбриона клонировано животное - знаменитая шотландская «овечка Долли».

1998 год. Впервые создана полная генетическая карта животного (дождевой червь).

2000 год. Первое полное картирование генома растения: Arabidopsis thaliana.

2001 год. Создана первая полная генетическая карта сельскохозяйственного растения (риса).

2002 го. Создана практически полная генетическая карта человека.

В последующие годы:

- более 350 препаратов и вакцин, разработанных с помощью биотехнологий, широко используются в медицине для лечения рака, диабета, сердечно-сосудистых заболеваний, склероза, СПИДа и артрита. Посевы генетически модифицированных сельскохозяйственных растений занимают примерно 50 млн. га в 13 странах мира. Более 30% всей выращиваемой в мире сои, более 16% хлопка и 7% кукурузы произведены с использованием достижений генной инженерии.

- при производстве многих непродовольственных товаров используются биотехнологии, к примеру, во многих марках стиральных порошков используются ферменты, позволяющие интенсифицировать процесс стирки и, таким образом, сэкономить энергию и воду.

- в США в биотехнологической отрасли занято более 170 тыс. человек - больше, чем в производстве спортивных и детских товаров. В Конгрессе США начинаются дебаты о будущем клонирования.

биотехнология междисциплинарный химический

2. Основные направления биотехнологических исследований. Прикладные аспекты биотехнологии

На данный момент существуют три основных направления развития биотехнологии.

Первое направление - это крупнотоннажное производство микробного белка для кормовых целей, незаменимых аминокислот, необходимых для сбалансированности кормовых добавок.

Также, быстро расширяются возможности массового производства и применения вирусных и бактериальных препаратов для профилактики болезней птиц, сельскохозяйственных животных, для эффективной борьбы с вредителями сельскохозяйственных растений.

Второе направление - разработки в интересах развития биологической науки, здравоохранения и ветеринарии. На основе достижения генной инженерии и молекулярной биологии биотехнология может обеспечить здравоохранение высокоэффективными антибиотиками, вакцинами, витаминами, ферментами и др. биопрепаратами для исследовательских и лечебных целей.

Третье направление - разработки для промышленности.

Также к числу активно разрабатываемых направлений биотехнологии относятся биоэлектроника и биоэлектрохимия, бионика, нанотехнология, иммунная биотехнология, протоинженерия, в которых используются либо биологические системы, либо принципы действия таких систем.

Иммунная биотехнология - распознавание и выделение из смесей одиночных клеток. Используется в медицине (диагностика и лечение), научных исследованиях, фармакологической и пищевой промышленности, создание препаратов, синтезирующих клетки защитных систем организма.

Протоинженерия - технология изменения свойств природных белков на генетическом уровне, получение новых белков (например, симуляторов роста растений, инсектицидов, активных и устойчивых ферментов, высококачественных пищевых продуктов, биосенсоров и биоэлементов, медицинских приборов).

Биоэлектроника - использование биосенсоров революционизирует методы измерения и контроля в различных отраслях промышленности, медицины, научных исследованиях.

В настоящее время достижения биотехнологии перспективны в следующих отраслях:

- в промышленности (пищевая, фармацевтическая, химическая, нефтегазовая) - использование биосинтеза и биотрансформации новых веществ на основе сконструированных методами генной инженерии штаммов бактерий и дрожжей с заданными свойствами на основе микробиологического синтеза;

- в экологии - повышение эффективности экологизированной защиты растений, разработки экологически безопасных технологий очистки сточных вод, утилизация отходов АПК, конструирование экосистем;

- в энергетике - применение новых источников биоэнергии, полученных на основе микробиологического синтеза и моделируемых фотосинтетических процессов, биоконверсии биомассы в биогаз;

- в сельском хозяйстве - разработка в области растениеводства трансгенных агрокультур, биологических средств защиты растений, бактериальных удобрений, микробиологических методов рекультивации почв; в области животноводства - воздание эффективных кормовых препаратов из растительной, микробной биомассы и отходов сельского хозяйства, репродукция животных на основе эмбриогенетических методов.

- в медицине - разработка медицинских биопрепаратов, моноклональных антител, вакцин. Развитие иммунобиотехнологии в направлении повышения чувствительности и специфичности иммуноанализа заболеваний инфекционной и неинфекционной природы

3. Основные объекты и методы биотехнологических исследований

Одним из основных понятий в биотехнологии является понятие «биосистема». Обобщенные характеристики биологической системы (живой системы) могут быть сведены к трем признакам.

1. Живые системы являются гетерогенными открытыми системами, которые обмениваются с окружающей средой веществами и энергией.

2. Эти системы являются самоуправляемыми, саморегулирующими, способными к обмену информацией с окружающей средой для поддержания своей структуры и управления процессами метаболизма.

3. Живые системы являются самовоспроизводящимися.

В качестве биологических систем, объектов, которые использует биотехнология, следует назвать одноклеточные организмы, среди них выделяют группы акариотов (вирусы), прокариотов (бактерии. сине-зеленые водоросли) и эукариотов (грибы, протозойные, водоросли). Их размеры варьируют от нанометров (вирусы, бактериофаги) до миллиметров и сантиметров (гигантские водоросли). Помимо вышеперечисленных, в качестве объектов биотехнологии используются клетки и ткани растений, животных и человека, вещества биологического происхождения (например, ферменты, простагландины, пектины, нуклеиновые кислоты), молекулы.

Выбор этих объектов обусловлен следующими моментами:

1. Клетки являются своего рода «биофабриками», вырабатывающими в процессе жизнедеятельности разнообразные ценные продукты: белки, жиры, углеводы, витамины. нуклеин. кислоты, антибиотики, антитела, ферменты, спирты и пр. Многие из этих продуктов, крайне необходимые человеку, пока недоступны для получения «небиотехнологическими» способами из-за дефицитности или высокой стоимости сырья или сложности технологических процессов.

2. Клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся. Так, бактериальная клетка делится через каждые 20-60 мин, дрожжевая - через 1,5-2 часа, животная - через 24 часа, что позволяет за относительно короткое время искусственно нарастить на сравнительно дешевых и недефицитных питательных средах в промышленных. масштабах огромные количества биомассы микробных, животных и растительных клеток. В процессе жизнедеятельности при их выращивании в среду поступает большое количество ценных продуктов.

3. Биосинтез сложных веществ, таких как белки, антибиотики, антигены и пр. значительно доступнее и дешевле, чем химический синтез. В качестве сырья для биосинтеза используют отходы сельскохозяйственной, рыбной продукции, пищевой промышленности, растительное сырье (дрожжи, древесина и т.п.)

4. Возможность проведения биотехнологического процесса в промышленных масштабах, т.е. наличие соответствующего технологического оборудования, доступность сырья, технологии переработки.

Методы применяемые в биотехнологии определяются двумя уровнями: клеточным и молекулярным. И тот и другой определяются биообъектами.

В первом случае имеют дело с бактериальными клетками (для получения вакцинных препаратов), актиномицетов (при получении антибиотиков), микромицетов (при получении лимонной кислоты), животных клеток (при изготовлении противовирусных вакцин), клеток человека (при изготовлении интерферона) и др.

Во втором случае имеют дело с молекулами, например с нуклеиновыми кислотами. Однако в конечной стадии молекулярный уровень трансформируется в клеточный.

При выборе биологического объекта во всех случаях нужно соблюдать принцип технологичности. Так, если в течение многочисленных циклов культивирования свойства биологического объекта не сохраняются или претерпевают изменения, то данный объект следует признать нетехнологичным, т.е. неприемлемым для следующих после стадии лабораторных исследований технологических разработок.

Большое внимание ученые уделяют целенаправленному созданию новых, не существующих в природе биологических объектов. В первую очередь следует отметить создание новых клеток микроорганизмов, растений, животных методами генной инженерии. Созданию новых биологических объектов, безусловно, способствует совершенствование правовой охраны изобретений в области генетической инженерии и биотехнологии в целом. Сформировалось направление, занимающееся конструированием искусственных клеток. В настоящее время существуют методы, позволяющие получить искусственные клетки с использованием различных синтетических и биологических материалов, например, искусственной клеточной мембраной с заданной проницаемостью и поверхностными свойствами. Некоторые материалы могут быть заключены внутри таких клеток: ферментные системы, клеточные экстракты, антитела, гормоны, биологические клетки и др.

Например, применение искусственных клеток дало положительные результаты в производстве интерферонов, иммуносорбентов.

Также учеными используются и анаэробные организмы. Анаэробные процессы привлекают внимание исследователей в связи с недостатком энергии и возможностью получения биогаза.

Анаэробные микроорганизмы успешно используются для переработки отходов (биомассы растений, отходов пищевой промышленности, бытовых отходов и др.) и стоков (бытовые и промышленные стоки, навоз) в биогаз.

Как следует из всего выше изложенного, в биотехнологических процессах возможно использование ряда биологических объектов, характеризующихся различными уровнями сложности: клеточным, субклеточным, молекулярным. От особенностей конкретного биологического объекта зависит подход к созданию всей биотехнологической системы в целом.

Литература

1. Геном человека: на пороге революции в медицине /Медицинская газета. 2001, №9.-С7.

2. Кривошеин В.И. и др. Экология и безопасность жизнедеятельности. Учебное пособие для вузов. М.: Юнити-АНА, 2000. Раздел «Биотехнология».

3. Повестка дня на XXI век. Материалы 2-й Конференции ООН по окружающей среде и развитию. Раздел 16. С. 121-137.

4. Сэссон А. Биотехнология: свершения и надежды. М.: Мир, 1987. - С. 12-25.

5. Экология и жизнь (журнал). Раздел «Глобальные проблемы. Экология и биотехнология. Биотехнологическая мозаика». 2001, №2-5.

Размещено на Allbest.ru