Биотехнология как наука, основные направления ее развития

реферат

1. Понятие, сущность, история возникновения биотехнологии

Впервые термин "биотехнология" был предложен в 1917 году венгерским инженером К. Эрике. Он предложил процесс крупномасштабного промышленного выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. При этом Эрике рассматривал превращение сырья (свеклы) в целевой продукт, в данном случае свинину как ряд биотехнологических этапов (рис. 1). Этот процесс был назван им биотехнологией, поскольку целевой продукт получался в результате жизнедеятельности биологических систем [3]. Он писал: "биотехнология - это все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты" [2,4].

Рис. 1. Основные этапы биотехнологического процесса в производстве свинины, предложенного Эрике в 1917 г.

Однако это совершенно точное определение не получило широкого распространения. Долгое время термин "биотехнология" относился к двум очень разным дисциплинам. С одной стороны, его употребляли, говоря о промышленной ферментации, с другой - применительно к той области, которая сейчас называется эргономикой [5].

Такой двойственности пришел конец в 1961 году, когда шведский микробиолог Карл Гёрен Хеден порекомендовал изменить название научного журнала "Journal of Microbiological and Biochemical Engineering and Technology" ("Журнал микробиологической и химической инженерии и технологии"), специализирующегося на публикации работ по прикладной микробиологии и промышленной ферментации, на "Biotechnology and Bioengineering" ("Биотехнология и биоинженерия"). С этого момента биотехнология оказалась связанной с исследованиями в области "промышленного производства товаров и услуг при участии живых организмов, биологических систем и процессов". Именно эти представления и начали вкладываться в термин "биотехнология" [3,5].

Начиная с 80-х годов ХХ века, наблюдается интенсивное развитие биотехнологии, которое привело "биотехнологическому буму". Однако в современное понятие "биотехнология" вкладывается новый смысл, характерной особенностью которого является использование технологии рекомбинантных ДНК, методов клонирования, крупномасштабного культивирования клеток животных и растений in vitro (вне организма).

Новейшие биотехнологические технологии позволяют осуществлять реконструкцию генетического аппарата микроорганизмов, направленную на "сверхпродукцию" тех или иных ценных биологических веществ или синтез новых, не характерных для данного организма продуктов (инсулин, синтезируемый клетками Е. coli и др.). Огромные промышленные возможности новых биологических технологий привели к росту популярности этого научного направления [3].

C развитием технологии рекомбинантных ДНК природа биотехнологии изменилась окончательно и бесповоротно. Появилась возможность оптимизировать этап биотрансформации более прямым путем, создавать, а не просто отбирать высокопродуктивные штаммы, использовать микроорганизмы как "биологические фабрики" для производства инсулина, интерферона, гормона роста, вирусных антигенов и множества других белков. Технология рекомбинантных ДНК позволяет получать в больших количествах ценные низкомолекулярные вещества и макромолекулы, которые в естественных условиях синтезируются в минимальных количествах. Растения и животные стали естественными биореакторами, продуцирующими новые или измененные генные продукты, которые никогда не могли быть созданы методами мутагенеза и селекции или скрещивания. Эта новая технология способствует развитию принципиально новых методов диагностики и лечения различных заболеваний.

На стыке технологии рекомбинантных ДНК и биотехнологии возникла новая область исследований, динамичная и высококонкурентоспособная, - молекулярная биотехнология (рис. 2.) [2,5].

Рис. 2. Молекулярная биотехнология использует достижения различных областей науки и позволяет создавать широкий ассортимент коммерческих продуктов и методов [5].

В 1984 г. Европейской Федерацией Биотехнологов дано такое определение: "Биотехнология - это интегральное использование биохимии, микробиологии и инженерных наук в целях промышленной реализации способностей микроорганизмов, культур клеток и их частей" [3,6].

В 1983 г. в Братиславе на биотехнологическом Конгрессе было принято следующее определение: "Биотехнология - это наука, разрабатывающая основы крупнотоннажной реализации процессов получения с помощью катализаторов различных продуктов и защита окружающей среды".

В этом определении появился важный аспект для биотехнологии - защита окружающей среды. Сегодня необходимо говорить о двух взаимосвязанных аспектах биотехнологии: как отрасли производства и как фундаментальной науки, изучающей принципы функционирования биологических систем, и разрабатывающей способы модификации и конструирования биологических систем и аналитических устройств.

С учетом этих особенностей биотехнологию можно определить как науку, изучающую и конструирующую биологические системы (биосенсоры), направленные на использование биологических систем различного уровня организации в промышленности для производства продуктов биологического происхождения и защиты окружающей среды [3].

В литературе имеется множество определений биотехнологии [7]:

1. Биотехнология - объединение биохимии и микробиологии, инженерных дисциплин для технологического использования микроорганизмов, культуры клеток, тканей и отдельных структур клетки.

2. Биотехнология - наука об использовании биологических процессов в технике и промышленном производстве.

3. 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.

В современном понимании биотехнология - это наука о технологиях создания и использования биологических объектов, способствующих интенсификации производства или получению новых видов продуктов различного назначения на основе методов клеточной и генетической инженерии [1].

Преимущества современной биотехнологии над селекцией [8]:

· возможность скрещивания неродственных видов;

· возможность извне управлять процессом рекомбинации в организме (организм надежно сохраняет постоянство своего генетического состава);

· возможность прогнозирования признаков потомства.

Человек использовал биотехнологические процессы еще много тысяч лет назад: люди занимались пивоварением, пекли хлеб; они придумали способы хранения и переработки продуктов путем ферментации (производство сыра, уксуса, соевого соуса), научились делать мыло из жиров, изготавливать простейшие лекарства и перерабатывать отходы [1].

Биотехнология формировалась и эволюционировала с развитием человеческого общества. Ее становление различные ученые подразделяют на несколько периодов. Елинов Н.П. (1995) [6] условно выделил 4 периода: эмпирический, этиологический, биотехнический и генотехнический.

Эмпирический (от греч. empeirios - опытный), или доисторический период - самый длительный, охватывающий примерно 8 000 лет, из которых более 6 000 лет (до н.э.) и почти 2 000 лет (н.э.). Древние народы интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и некоторых других продуктов. Шумеры - первые жители Месопотамии - выпекали хлеб из кислого теста, владели искусством готовить пиво. В течение нескольких тысячелетий известен уксус, издавна приготавливающийся в домашних условиях, хотя о микробах - индукторах этого процесса - мир узнал лишь в 1868 г. благодаря работам Л. Пастера. Первая дистилляция вина осуществлена в XII в.; водку из хлебных злаков готовили в XVI в.; шампанское известно с XVIII в.; получение почти абсолютного этанола впервые удалось в XIV в. испанцу Раймунду Луллию путем перегонки вина с негашеной известью.

К этому же периоду относятся: получение кисломолочных продуктов, квашеной капусты, медовых алкогольных напитков и т.д. Таким образом, исстари народы пользовались результатами микробиологических процессов, ничего не зная о микробах.

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. Он раскрыл микробную природу брожений, доказал возможность жизни в бескислородных условиях, предложил метод пастеризации и т.д.

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

Этиологический период знаменателен тем, что удалось доказать индивидуальность микробов и получить их в чистых культурах. Более того, каждый вид мог быть размножен в питательных средах и использован в целях воспроизведения соответствующих процессов (бродильных, окислительных и др.). В этот период было начато изготовление прессованных пищевых дрожжей, а так же продуктов метаболизма - ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот. Во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод.

Третий период в развитии биотехнологии - 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. Следует отметить, что уже в 1868 г. И. Мишер получил нуклеид (ДНК) из гнойных телец (лейкоцитов); В. Освальд в 1893 г. выявил каталитическую функцию ферментов; Т. Леб в 1897 г. установил способность к выживанию вне организма (в пробирках с плазмой или сывороткой крови) клеток крови и соединительной ткани. Следовательно, накопленные научные факты стали побудительным мотивом для разработки способов крупномасштабного культивирования клеток различного происхождения. Это было необходимо для получения различных клеточных продуктов и самих клеток для нужд человека, прежде всего в качестве или в составе лечебных и профилактических средств: пенициллина, стрептомицина, тетрациклинов, декстрана, ряда аминокислот и многих других веществ.

Примерно за 40 лет данного 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.

Естественно, что без фундаментальной работы Ф. Крика и Дж. Уотсона (1953) по установлению структуры ДНК было бы невозможным достижение современных результатов в биотехнологии. Выяснение механизмов функционирования и регуляции ДНК, выделение и изучение специфичных ферментов привели к формированию научного подхода к разработке биотехнологических процессов на основе генно-инженерных работ. В этом - суть генотехнического подхода.

Уже в 1982 г. поступил в продажу человеческий инсулин, выработанный кишечными палочками, несущими в себе искусственно встроенную генетическую информацию об этом гормоне.

Для генотехнического периода характерны:

· разработка интенсивных процессов (вместо экстенсивных) на основе направленных фундаментальных исследований (с продуцентами антибиотиков, ферментов, аминокислот, витаминов);

· создание продуцентов, несущих в себе бессмысленную генетическую информацию (например, гены интерферона человека в клетках Pseudomonas aeruginosa);

· 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 и, по возможности, безотходных технологий;

· создание и применение в практике специальной аппаратуры блочного (сменного) типа для различных биотехнологических систем;

· автоматизация и компьютеризация биотехнологических процессов;

· создание экономически оптимальных производственных процессов при максимальном использовании сырья и минимальном потреблении энергии.

Голландский ученый Е. Хаувинк (1984) в истории развития и становления биотехнологии как научной дисциплины выделил 5 периодов (табл. 1) [2]:

Таблица 1

Период

Характеристика

Допастеровекая эра (1865)

Использование спиртового и молочнокислого брожения при получении пива, вина, хлебопекарных и пивных дрожжей, сыра. Получение ферментированных продуктов и уксуса.

Пастеровский период (1866-1840 гт.)

Производство этанола, бутанола, ацетона, глицерина, органических кислот, вакцин. Аэробная очистка канализационных вод. Производство кормовых дрожжей из углеводов.

Период антибиотиков (1940-1960 гг.)

Производство пенициллина и других антибиотиков путем глубинной ферментации. Культивирование растительных клеток и получение вирусных вакцин. Микробиологическая трансформация стероидов.

Период управляемого биосинтеза (1961-1975гг.)

Производство аминокислот с помощью микробных мутантов. Получение очищенных ферментных препаратов. Промышленное использование иммобилизованных ферментов и клеток. Анаэробная очистка канализационных вод и получение биогаза. Производство бактериальных полисахаридов.

Эра новой биотехнологии

(с 1973 г.)

Использование клеточной и генетической инженерии в целях получения агентов биосинтеза. Получение гибридов, продуцирующих моноклональных антител, трансплантация эмбрионов.

Принципиальной основой деления истории биотехнологии на 5 периодов явились использовавшиеся технологии, их совершенствование с получением все более качественных биопродуктов.

Основные цели и задачи биотехнологии [7]

Во-первых, активация и поддержание путей обмена клеток, ведущих к накоплению заданных продуктов при доминировании над другими реакциями обмена у культивируемого организма;

Во-вторых, получение клеток или их составных частей (преимущественно ферментов) для направленного изменения сложных молекул;

В-третьих, создание безотходных и экологически безопасных биотехнологических процессов;

В-четвертых, совершенствование и оптимизация аппаратурного оформления биотехнологических процессов с целью достижения максимального выхода конечных продуктов при культивировании естественных видов методами генной и клеточной инженерии;

В-пятых, повышение технико-экономических показателей биотехнологических процессов по сравнению с существующими.

Также в задачи биотехнологии входит создание и широкое освоение:

1) новых биологически активных веществ (БАВ) и лекарственных препаратов для медицины (инсулина, гормонов и др.), позволяющих осуществить раннюю диагностику и лечение тяжелых заболеваний;

2) микробиологических средств защиты растений от болезней и вредителей, бактериальных удобрений и регуляторов роста культур; новых высокопродуктивных и устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды сортов и гибридов;

3) ценных кормовых добавок и БАВ для повышения продуктивности животноводства; новых методов биоинженерии для эффективной профилактики, диагностики и терапии основных болезней с/х животных;

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

5) технологий глубокой и эффективной переработки с/х, промышленных и бытовых отходов, использования сточных вод для производства биогаза и высококачественных удобрений.

биотехнология наука биообъект

Делись добром ;)